Tổng quan về di truyền và chọn giống cây sắn Manihot esculenta Crantz

 Tổng quan về di truyền và chọn giống cây sắn Manihot esculenta Crantz

Nguồn: Assefa B Amelework, Michael W Bairu. 2022. Advances in Genetic Analysis and Breeding of Cassava (Manihot esculenta Crantz): A Review. Plants (Basel); 2022 Jun 20; 11(12):1617.  doi: 10.3390/plants11121617.

 

Sắn (Manihot esculenta Crantz) là loài cây lương thức có tầm quan trọng hạng sáu trên thế giới, được tiêu dùng bởi 800 triệu người. Ở châu Phi, sắn là lương thực quan trọng đứng hạng nhì sau cây bắp; châu Phi là nơi sản xuất sắn lớn nhất thế giới. Cho dù sắn sắn không phải là nông sản chỉ lực của Nam Phi, nhưng nó đang trở thành cây trồng quen thuộc trong nhiều nông trại ở vùng không bị sương muối, do bản chất thích ứng khí hậu của nó. Điều này đã đòi hỏi phải xây dựng một chương trình nghiên cứu đa ngành tại Hội Đồng Nghiên Cứu Nông Nghiệp Nam Phi (Agricultural Research Council of South Africa). Mục tiêu của tổng quan này là tóm lược các tiến bộ đạt được trong phân tích di truyền và chọn giống sắn. Tổng quan đã lượt qua nghiên cứu sắn trên toàn thế giới, thảo luận nghiên cứu tìm ra giống năng suất cao, phẩm chất tốt, các tính trạng thích nghi của cây sắn. Người ta còn thảo luận những hạn chế và triển vọng của chương trình R&D để phát triển ngành sắn tại Nam Phi.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35736768/

Chức năng của MePAL6 của hệ gen cây sắn trong quản lý nhện Tetranychus urticae

Chức năng của MePAL6 của hệ gen cây sắn trong quản lý nhện Tetranychus urticae

Nguồn: Xiaowen Yao, Xiao Liang, Qing Chen, Ying Liu, Chunling Wu, Mufeng Wu, Jun Shui, Yang Qiao, Yao Zhang, Yue Geng. 2023. MePAL6 regulates lignin accumulation to shape cassava resistance against two-spotted spider mite. Front Plant Sci.; 2023 Jan 6; 13:1067695. doi: 10.3389/fpls.2022.1067695. 

 

 

Nhện ký sinh trên lá sắn có tên tiếng Anh là “two-spotted spider mite” (TSSM), tên khoa học là Tetranychus urticae là đối tượng gây hại nghiêm trọng trên sản xuất sắn của Trung Quốc. Lignin được xem như là rào cản quan trọng bảo vệ cây chống lại sâu bệnh hại, nhiều gen được ghi nhận có liên quan đến sinh tổng hợp lignin, tuy nhiên, làm thế nào các gen này hình thành nên kết quả tích hợp lignin trong cây sắn và làm ra tính kháng nhện TSSM vẫn chưa được hiểu rõ.

 

Muốn có kiến thức này, người ta tiến hiền khảo sát tại vùng đa g có dịch hại TSSM, các gen liên quan đến sinh tổng hợp lignin được thao tác để quan sát biểu hiện gen thôn qua kết quả phân tích “expression pattern analysis” theo sau đó là phương pháp xác định họ gen, và các gen chủ lực với sự kích hoạt đáng kể phục vụ giải thích chức năng gen.

 

Hầu hết các gen trong sinh tổng hợp lignin đề được điều tiết theo kiểu “up” trong khi giống sắn kháng nhện cho nhiễm nhân tạo TSSM, đáng chú ý là, gen MePAL có sự kích kháng mạnh mẽ nhất trong tất cả gen được tìm thấy. Do vậy, nhóm tác giả này tập trung vào xem xét chức năng của MePAL khi cây sắn bị tấn công bởi nhện TSSM. Họ gen này được xác định có tất cả 6 thành viên MePAL trong genome cây sắn, kết quả phân tích di truyền huyết thống (cây gia hệ), kết quả tự tái bản gen (gene duplication), dự đoán “cis-elements” và “motif” đặc hữu có tính chất bảo thủ đề khẳng định được rằng những gen này có thể tham gia vào phản ứng với stress sinh học của cây sắn. Phổ biểu hiện trong phiên mã của 6 genMePAL trong giống sắn kháng nhện TSSM – giống SC9, chỉ ra rằng nó được điều tiết theo kiểu “up”. Để làm rõ hơn tương quan giữa thể hiện gen MePAL với tính kháng TSSM, gen có kích thích tính kháng mạnh nhất MePAL6 được người ta thao tác kỹ thuật làm câm gen bằng virus-induced gene silencing (VIGS), người ta thấy rằng: kết quả làm câm gen MePAL6 trong giống sắn SC9 không chỉ ức chế đồng thời sự biểu hiện của những gen khác gắn với sinh tổng hợp lignin, ví dụ như 4-coumarate--CoA ligase (4CL), hydroxycinnamoyltransferase (HCT) và cinnamoyl-CoA reductase (CCR), mà còn làm cho hàm lượng lignin giảm hẳn. Quan trọng là, sự ức chế gen MePAL6 trong giống sắn SC9 có thể dẫn đến kết quả phá hủy toàn bộ tính kháng với nhện TSSM.

 

Nghiên cứu này đã xác định chính xác gen MePAL6 là gen đích giúp cây sắn kháng được sự xâm nhiễm của nhện TSSM, kết quả này có thể được xem như gen chỉ thị rất đáng tin cậy để đánh giá tính kháng của cây sắn với côn trùng.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36684737/

 

Hình: Kết quả làm câm gen kháng MePAL6 đối với nhện TSSM.

Nghiên cứu “haplotype-resolved DNA methylome” hệ gen giống sắn châu Phi

 Nghiên cứu “haplotype-resolved DNA methylome” hệ gen giống sắn châu Phi

Nguồn: Zhenhui Zhong, Suhua Feng, Ben N Mansfeld, Yunqing Ke, Weihong Qi, Yi-Wen Lim, Wilhelm Gruissem, Rebecca S Bart, Steven E Jacobsen. 2023. Haplotype-resolved DNA methylome of African cassava genome. Plant Biotechnol J.; 2023 Feb; 21(2):247-249. doi: 10.1111/pbi.13955.

 

“Cytosine DNA methylation” có trong sự kiện im lặng nguyên tố chuyển vị (TE:  transposable element), sự kiện imprinting (hòa đồng) và sự kiện bất hoạt nhiễm sắc thể X. Hiện tượng methyl hóa phân tử DNA diễn ra qua trung gian MET1 (mammalian DNMT1), DRM2 (mammalian DNMT3) và hai men chuyên tính thực vật DNA methyltransferases, CMT2 và CMT3. Muốn phân tích hệ DNA methylome bằng phương pháp haplotype trong cây sắn, tác giả tiến hành nghiên cứu methylome trong hai mẫu giống “haplotype genome” của cây sắn (mẫu giống TME7 và mẫu giống TME204) rồi sử dụng WGBS (whole‐genome bisulfite sequencing) và kỹ thuật EM-seq (enzymatic methyl‐seq), theo thứ tự. Số lượng “sequencing reads” được người ta lập bản đồ đối với từng haplotype khác nhau một cách độc lập, không có bắt cặp nhầm (zero mismatches) và một “best hit”, mà best hit này cho phép phân biệt các số lần reads theo những haplotypes khác nhau. Nhìn chung, kết quả cho thấy rằng dù cả hai phương pháp WGBS và EM‐seq được sử dụng, nhưng hai haplotypes này đều giống nhau về mức độ “whole‐genome methylation” trong mẫu giống TME7 và mẫu giống TME204. Người ta xem xét sâu hơn mức độ methyl hóa trên các vùng phiên mã của những gen mã hóa protein và những TEs, người ta tiếp tục quan sát mức độ methyl hóa tương đồng giữa những haplotypes khác nhau ấy. Sau đó, người ta phân tích các cytosines bị methyl hóa khác biệt nhau giữa các haplotypes (haplotypic DMCs). Đầu tiên người ta so sánh hai haplotypes và phân lập những cytosines có tính chất “syntenic”. Quan sát ít nhất 3 kịch bản mà những kịch bản ấy phản ánh methyl hóa khác biệt một cách chuyên tính (differential methylations) giữa những haplotypes: (i) SNP/InDel trong một “haplotype” dẫn đến mất đi cytosine (47.17%), trong số chỉ thị ấy mất hơn 99.25% là những “SNP variants”; (ii) Cytosine context alterations (e.g. CG trong hap1 và CHH trong hap2) dẫn đến kết quả thay đổi methyl hóa được tìm thấy trong kết quả phân tích này (28.98%); và (iii) Cytosines stay in the same contexts giữa những haplotypes nhưng biểu hiện mức độ methyl hóa hết sức khác biệt nhau (23.85%).  Cuối cùng, người ta nghiên cứu đa dạng di truyền của những vị trí DMC và trình tự vùng kế cận 400‐bp; người ta thấy rằng có sự đa dạng nucleotide ở các vị trí DMC cao hớn có ý nghĩa so với trình tự vùng kế cận. Đa dạng nucleotide cao hơn cuả những DMCs chứng minh rằng các vị trí DMC xuất hiện trong chọn lọc tự nhiên phổ biến hơn. Kết quả cho thấy “crosstalk” (mối liên quan mật thiết) giữa biến dị trình tự DNA và đột biến gây methyl hóa DNA. Tổng hợp lại, kết quả phân tích này so sánh được phương pháp “haplotype‐resolved DNA methylomes” của cây sắn và đặt sự kiện dị hợp (genomic heterozygosity) trong bối cảnh điều tiết di truyền biểu sinh ở mức độ haplotypic.

 

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9884013/

Kỹ thuật chỉnh sửa biểu sinh mới cải thiện cây trồng

 Kỹ thuật chỉnh sửa biểu sinh mới cải thiện cây trồng

Nghiên cứu tiên phong dẫn đầu bởi TS. Rebecca Bart, thành viên, Trung tâm Khoa học Thực vật Donald Danforth và các cộng tác viên của cô tại Đại học California ở Los Angeles và Đại học Hawaii ở Manoa, đã chứng minh rằng một công nghệ mới, chỉnh sửa biểu sinh, có thể làm giảm các triệu chứng CBB trên cây sắn đồng thời vẫn duy trì sinh trưởng và phát triển bình thường.

 

Những phát hiện này sẽ không chỉ làm tăng khả năng kháng CBB của sắn với tiềm năng cải thiện năng suất cho nông dân mà còn đặt nền móng cho việc sử dụng chỉnh sửa biểu sinh để cải thiện các loại cây trồng khác. Công trình của họ, Cải thiện khả năng kháng bệnh bạc lá ở sắn bằng cách chỉnh sửa bộ gen biểu sinh, gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Nature Communications.

 

Nhà nghiên cứu cấp cao của Danforth và tác giả chính TS.Kira Veley cho biết: “Đây là lần đầu tiên quá trình methyl hóa có mục tiêu được sử dụng để đưa một đặc điểm nông học vào một loại cây trồng quan trọng”. Nhóm nghiên cứu đã triển khai công nghệ này để cố tình cải thiện khả năng kháng bệnh đối với CBB và kết quả là cây sắn có các triệu chứng bệnh trên lá nhỏ hơn và ít dữ dội hơn.

 

Chủ tịch, Giám đốc điều hành của Trung tâm Danforth và đồng tác giả, TS. Jim Carrington, cho biết: “Di truyền biểu sinh là một quá trình tự nhiên mà các tế bào sử dụng để kiểm soát biểu hiện gen mà không làm thay đổi trình tự DNA và quá trình methyl hóa là một kiểu 'trang trí' DNA như vậy”.

 

Nghiên cứu này là kết quả của sự hợp tác lâu dài giữa các nhà khoa học của Trung tâm Danforth và phòng thí nghiệm của Steve Jacobsen tại UCLA. Phòng thí nghiệm Jacobsen tiến hành nghiên cứu cơ bản về quá trình methyl hóa và biểu sinh. Công việc của họ là một minh chứng một cách rõ ràng về giá trị của việc áp dụng các kỹ thuật mới cho các loài cây trồng có nguồn lực hạn chế và phương pháp của họ có tiềm năng được nhân rộng thành công trong nhiều hệ thống cây trồng khác trong tương lai.

 

"Một trong những điều tuyệt vời của dự án này là sự chuyển giao thành công kiến thức giữa một hệ thống cây trồng kiểu mẫu, cây Arabidopsis và cây sắn, cây trồng quan trọng đối với an ninh lương thực. Các loại cây trồng như cây sắn thường bị bỏ lại phía sau khi nói đến những bước tiến mới trong công nghệ. Bart cho biết: “Đây là một lý do khiến chúng tôi đặc biệt vui mừng khi lần đầu tiên áp dụng những công cụ này trên cây sắn".

 

Phòng thí nghiệm Bart đang tiếp tục điều tra bệnh bạc lá do vi khuẩn gây hại sắn, bao gồm xác định các yếu tố môi trường dẫn đến bùng phát và biến đổi khí hậu toàn cầu sẽ ảnh hưởng đến bệnh như thế nào. Các nhà nghiên cứu cũng quan tâm đến tính di truyền của tính trạng kháng CBB mới của chúng và hiện đang trồng cây ở Hawaii để kiểm tra tính di truyền qua các thế hệ. Ngoài CBB, một số loại vi-rút làm hạn chế năng suất sắn và vì vậy nhóm rất vui mừng được tiếp tục công việc của mình và có khả năng phát triển các chiến lược kiểm soát mới đối với các bệnh khác.

Tổng quan về chiến lược cải thiện khả năng kháng bệnh bằng cách sử dụng chỉnh sửa biểu sinh. A Bên trái: Ví dụ về cây sắn bị nhiễm CBB (cassava bacterial blight) trên đồng ruộng (Uganda, 2019). Bên Phải: Vùng được chọn từ lá bên trái. Các vùng ngâm nước được chỉ định bằng mũi tên trắng. B Biểu diễn đồ họa của chiến lược kháng bệnh CBB biểu sinh. Mặt trên: Ở thực vật WT, TAL20 từ Xam liên kết với một trình tự cụ thể (EBE) có trong trình tự khởi động của gen S MeSWEET10a. Khi gắn kết, TAL20 gây ra biểu hiện ngoài tử cung của MeSWEET10a, một chất vận chuyển đường, cần thiết để hình thành bệnh. Một tổn thương 'ngâm nước' điển hình được hiển thị ở bên phải, một dấu hiệu ban đầu của CBB. Dưới cùng: Quá trình methyl hóa DNA ngăn TAL20 liên kết với EBE. Biểu hiện MeSWEET10a không được tạo ra và các triệu chứng bệnh giảm đi. Nguồn: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-022-35675-7.