Tin nhanh hội nghị quốc tế di truyền lúa lần thứ 6

Tóm lược nội dung hội nghị quốc tế di truyền lúa lần thứ 6 (16-19 th 11, 2009)
Cách mạng xanh từ thập niên 1960 đã đưa năng suất trung bình lúa thế giới từ 1,5 tấn/ha lên 4,0 tấn / ha hiện nay; tiết kiệm được 250 triệu ha do phá rừng trồng lúa để nuôi đủ số dân đang tăng trưởng với tốc độ nhanh. Năm 2009 đánh dấu sự kiện 1,002 tỷ người đói do hạn hán, lũ lụt. Hơn 1 tỷ người rơi vào tình cảnh nghèo khó. Thách thức trước mắt: đất nông nghiệp giảm, thiếu nước, giá đầu vào tăng (chủ yếu là nhiên liệu và phân bón), sự thoái hoá đất trồng, đói nghèo và suy dinh dưỡng. Sự kiện có ý nghĩa của ngành di truyền lúa hiện nay có thể tóm lược như sau: (1) năm 2002 giải mã bộ gen cây lúa loại hình japonica và indica; (2) thực hiện bộ marker SNP và phân tích được chức năng gen elF4G kháng bệnh virus tungro; (3) giống lúa có qui mô diện tích lớn (mega rice) đều bị nhiễm sâu bệnh hại nặng thức tỉnh các nhà di truyền về tiến hoá của pathogen và côn trùng gây hại; (4) gen Sub1 từ giống Swarna được dòng hoá thành công và trở thành giống được Ấn Độ, Bangladesh, Philippines phóng thích trong năm 2009; với khả năng chịu ngập hoàn toàn trong vòng 17 ngày; (5) gen SalTol trên nhiễm sắc thể số 1 cũng được khai thác thành công tại Bangladesh (giống BR28).

Đa dạng di truyền được nhấn mạnh như chìa khoá dẫn đến thành công trong nông nghiệp; sau đó mới đến mối tương quan giữa kiểu gen và kiểu hình. Quốc gia nào xem nhẹ công tác ngân hàng gen, nơi ấy sẽ phải đối diện nhiều khó khăn trong công tác giống trong tương lai. Công trình nổi bật của Ken McNally và ctv. đã được công bố trên tạp chí Nature năm 2009 về SNPs (single nucleotide polymorphism), đạt trung bình 597 SNP marker trên một đoạn dài phân tử 1kb.

Thay đổi khí hậu sẽ làm thay đổi mức thiệt hại của khô hạn, ngập úng, mặn, nhiệt độ cao và phổ gây hại của sâu bệnh. Chiến lược phát triển của IRRI sẽ tập trung vào nội dung: (1) thích ứng sự thay đổi khí hậu, (2) cải tiến năng suất vượt trần, (3) tạo nền tảng đa dạng di truyền. Để làm được điều ấy, người ta phải thực hiện nghiên cứu trình tự genome, xây dựng quỹ gen (genetic stocks), và cải tiến phương pháp đánh giá kiểu hình. Việc đầu tư nghiên cứu tập trung vào cây lúa C4 có tính kháng bền vững với sâu bệnh hại, có bộ gen mở rộng (thuật ngữ GW: wide genome). Đa dạng di truyền cây lúa không phải là một khái niệm chật hẹp có giới hạn; bởi vì một số gen quan trọng đã được chuyển nạp thành công từ loài khác; thí dụ lúa vàng giàu vitamin A. Transgenes theo kiểu như vậy cần phải được chuẩn bị.

Thế giới kêu gọi chương trình hợp tác quốc tế mạnh mẽ hơn về “Rice Functional Genomics” vào năm 2020. Nội dung được thảo luận với thuật ngữ “Comparative Genomics” - xem như phương pháp đầy tiềm năng giúp chúng ta hiểu được lịch sử tiến hoá loài và ứng dụng trong chọn giống. Trong chi Oryza, các loài có nguồn gốc Châu Phi đã biểu hiện đa dạng di truyền cao nhất. Dự án OMAP (Oryza map alignment project) nhằm mục đích dòng hoá có tính chất vị trí (positional cloning) và cải tiến giống lúa, với kết quả: 1,5 triệu BAC-end sequences, 17 thư viện BAC có chất lượng cao của 10 genomes thuộc các loài lúa hoang và lúa trồng. Tại locus Adh1, người ta xác định được họ gen “F box”. Sự tiến hoá của những họ phụ mới đây được biết như là kết quả của tính chất lặp đoạn (duplication) trong di truyền. Dự án thí điểm sẽ là Oryza barthii có nguồn gốc Châu Phi.
Xem http://www.ricegenetics.com

Lúa lai Trung Quốc, ưu thế lai năng suất
Qifa Zhang thuộc ĐH Nông Nghiệp Huazhong, Trung Quốc nghiên cứu cơ sở di truyền phân tử năng suất lúa lai bằng cách phối hợp các tiến bộ kỹ thuật mới. Mọi nỗ lực tập trung vào tổ hợp lai tốt nhất, Shanyou 63, cặp lai giữa Zhenshan 97 và Minghui 63. Phân tích bản đồ phân tử trên quần thể F2, F2:3, quần thể RIL và quần thể F2 “immortalized” cho kết quả lớn về số QTLs điều khiển tính trạng năng suất và phân lập các loici liên quan đến ưu thế lai. Phân tích này cũng cho thấy tương tác digenic khá rộng của những tính trạng mục tiêu. Nhiều thuận lợi được ghi nhận tuy khá nhỏ của dị hợp tử so với đồng hợp tử trên nhiều loci của bộ gen cây lúa. Đây có thể xem như những đóng góp vào cơ sở di truyền ưu thế lai F1. Xem xét: (1) ảnh hưởng di truyền của năng suất và ưu thế lai được khảo sát trên bản đồ “SNP bin” (khoảng cách giữa 2 marker 0,35 cM) với kỹ thuật đọc trình tự mới nhất; (2) xây dựng quần thể “substitution lines” trên 16 loci qui định năng suất và ảnh hưởng ưu thế lai trên quần thể NIL; (3) thực hiện transcriptomes của bố mẹ, con lai và quần thể RIL để xác định hệ thống điều hoà gen; (4) thực hiện dòng hoá các loci chính có liên quan đến năng suất và ưu thế lai. Trong đó, ưu thế lai của khối lượng 1000 hạt thấp, của số hạt / bông cao, của số chồi / bụi trung bình và hay thay đổi, của năng suất rất cao. Khả năng năng suất tăng so với lúa thuần 15-20%.
Xem http://www.ricegenetics.com

Hội chứng anemia và cải tiến giống lúa giàu sắt
Giáo Sư Gyn An thuộc ĐH Pohang, Hàn Quốc, nghiên cứu về thiếu sắt với hội chứng anemia (IDA) tại các nước đang phát triển. Có khoảng 1 triệu người chết mỗi năm trên thế giới do hội chứng anemia. Nhu cầu sắt mỗi ngày là 1mg; nhưng chỉ có 10-15% sắt được hấp thu vào cơ thể. Do đó, người ta khuyến cáo sử dụng 10-15 mg/ngày cho người trưởng thành, 8-10 mg / ngày cho trẻ em. Gạo chỉ có 2mg Fe trong 200 gr; nhưng Fe trong gạo bị phytate giữ chặt như chelate. GS An và ctv. nghiên cứu chuyển gen “ferritin” của đậu tương vào lúa làm gia tăng hàm lượng sắt trong cơm. Họ chú ý đến nicotianamine (NA) như một chelator đối với ion kim loại. Đây là thành phần chủ chốt trong trạng thái tối ưu hoá sắt trong cây lúa (iron homeostasis). Có 3 gen NAS được phân lập trong đó 2 gen quan trọng là OsNAS3 trên nhiễm sắc thể số 7 và OsNAS2 trên nhiễm sắc thể số 3. Xem http://www.ricegenetics.com

Gen chống chịu ngập Sub-1 của cây lúa
Julia Bailey-Serres và ctv., thuộc ĐH California Davis, IRRI dưới sự tài trợ của Quỹ “USDA and IRRI USAID Linkage Projects” đã thực hiện thành công nghiên cứu gen chống chịu ngập của cây lúa. Đây được xem như mẫu mực của hợp tác quốc tế thành công khá nổi tiếng trong hội nghị lần này. Có trên 22 triệu ha lúa của Nam Á và Đông Nam Á nằm trong vùng bị rủi ro do ngập úng. Riêng Bangladesh và India, lũ lụt làm thiệt hại 4 triệu tấn thóc mỗi năm; số thóc này có thể nuôi được 30 triệu người. Kỹ thuật fine mapping gen Submergence-1 (Sub1), một QTL lớn đã cho phép nhà chọn giống thực hiện chỉ thị phân tử để thanh lọc con lai. Lúa Sub1 cho năng suất cao hơn lúa bình thường sau khi úng ngập. Ở mức độ phân tử, Sub1 là một locus “multi-gene” mã hoá các yếu tố đáp ứng với ethylene (ERFs: ethylene responsive factors). Các phân tử transcripts của nó gai tăng số lượng khi cây lúa bị ngập úng. Tất cả mẫu giống lúa Oryza sativa, O. rufipogon, O. nivara, đều có chứa ERF của Sub1B, Sub1C tại Sub1 locus. Lúa chống chịu ngập FR13A của Ấn Độ, có thêm một ERF nữa, đó là Sub1A, nó thể hiện cực kỳ mạnh mẽ trong khi bị ngập hoàn toàn trong nước. Đánh giá các dòng NILs (near-isogenic lines) và dòng chuyển gen xác định lại những đột phá của Sub1A trong chiến lược lai tạo lúa nước sâu theo cơ chế thoát ngập. Theo cơ chế thoát ngập, các cơ quan của cây lúa tạo bẫy “ethylene”, làm giảm đối kháng với abscisic acid, làm gia tăng phản ứng với gibberillin (GA), cho phép vươn dài lóng thân. Ethylene cũng tác động Sub1A, làm hạn chế sản sinh ra ethylene và làm tăng các thể ức chế GA. Do đó, Sub1A làm mất tác dụng của ethylene trong phản ứng của GA ở các mô bị ngập trong nước. Phân tích microarray và chất biến dưỡng cho thấy Sub1A điều hoà yếu tố phiên mã mRNAs và làm thay đổi sự tích tụ mRNAs liên quan đến tiêu thụ carbohydrate, cơ chế biến dưỡng trong điều kiện kỵ khí. Gen Sub1 được kết hợp với gen điều khiển tính trạng nẩy mầm của hạt trong điều kiện kỵ khí với IR81935-32-1-2-1, IR83770-9-3-3-3; Swarna Sub1 ở Ấn Độ; BR11Sub1 ở Bangladesh, IR64Sub1 ở Phi lippines; những giống lúa như vậy được chính phủ các nước này phóng thích trong năm 2009, với hi vọng đạt 30 triệu tấn lúa ở vùng bị ngập úng và giảm thất thoát 4 triệu tấn / năm.
Xem http://www.ricegenetics.com

Hệ thống miễn dịch bẩm sinh của cây lúa
Ko Shimamoto và ctv. thuộc Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Ikoma, Nhật Bản nghiên cứu tính miễn dịch bẩm sinh trong cây lúa (Rice innate immunity) với thí dụ về sự xâm nhiễm của nấm gây bệnh đạo ôn. Các receptors đầu tiên phát hiện ra tính chất không chuyên biệt của nòi gây bệnh được gọi là PAMPs (viết tắt của pathogen-associated molecular patterns). Trong phản ứng này, pathogens bao gồm các phân tử “effectors” nhằm tránh né cơ chế miễn dịch PTI (PAMP-triggered immunity). Nếu một pathogen tránh né được lằn ranh tự bảo vệ này, nó phải vượt qua một lằn ranh bảo vệ thứ hai để gây bệnh cho lúa. Hệ thống tự bảo vệ như vậy được gọi là ETI (effector-triggered immunity: miễn dịch nhờ kích hoạt effector). ETI bị kích hoạt bởi các protein của gen kháng bệnh. Chúng hoạt động những những receptors trong tế bào, ghi nhận trực tiếp hoặc gián tiếp các effectors của pathogen chuyên tính. Người ta còn gọi đó là protein không chứa độc tính (Avr proteins). Họ “Rac” (hoặc họ Rop) thuộc Ras superfamily của những GTPases phân tử nhỏ. Chúng góp phần vào cơ chế miễn dịch bẩm sinh trong lúa, lúa mạch, và các loài khác. Gen OsRac1 tạo ra phức với những protein truyền tín hiện vùng downstream bao gồm OsMAPK6, một enzyme quan trọng trong sinh tổng hợp lignin CCR1, “scaffolding protein” OsRACK1, và co-chaperones (RAR1, SGT1, Hop, và Hsp90). Từ đó, gen này điều tiết sản xuất phytoalexin, lignin và phiên mã các gen có liên quan đến phát sinh bệnh cây. OsRac1 còn có vai trò quan trọng trong kích thích sản sinh ra ROS, thông qua những tác động gián tiếp với NADPH oxidases. Phản ứng miễn dịch bị kích hoạt tạo ra OsRac1 làm cho tế bào tự chết ở vùng có nấm đạo ôn, giúp lúa kháng bệnh đạo ôn và kháng bệnh bạc lá. OsRac1 là một regulator then chốt trong miễn dịch bẩm sinh. Phức protein OsRac1 chỉ rõ “defensome” điều hoà cả PTI và ETI trong cây lúa.
Xem http://www.ricegenetics.com

Gen kháng bệnh đạo ôn cây lúa
Guo-Liang Wang và ctv. thuộc ĐH Ohio State, Hoa Kỳ, ĐH Nông Nghiệp Hunan, Trung Quốc, Viện Lúa Quốc Tế, nghiên cứu cơ chế tính kháng bệnh đạo ôn ở mức độ phân tử. Nấm Magnaporthe oryzae, là tác nhân gây bệnh đạo ôn nghiêm trọng cho cây lúa trên toàn thế giới. Người ta dòng hoá 3 gen kháng, i.e., Pi2, Pi9 and Piz-t, biểu thị tính kháng cao đối với nhiều chủng đạo ôn. Ba gen này định vị trên vùng một vị trí của nhiễm sắc thể số 6, mã hoá protein NBS-LRR. Giữa hai gen Pi2 và Piz-t có 8 amino acid khác nhau. Phân tích trình tự của cả hai loài lúa trồng và lúa hoang, locus Pi2/9 đều có phức cluster thuộc NBSLRR phủ trên vùng 100 kb ở nst số 6. Những gen kháng khác như Pi40(t), Pigm, Pi26, Piz và Pi-jeff(t), biểu thị một chùm kháng (R cluster) đối với thế hệ mới thuộc tính kháng chuyên biệt. Người ta xác định các gen downstream trong lộ trình hoạt động của Pi9, với phương pháp sequencing có đánh dấu, i.e., RL-SAGE, MPSS và SBS, để xem phổ gen kháng Pi9 sau khi chủng bệnh. Sử dụng kỹ thuật “map-based cloning”, người ta dòng hoá gen không độc tính AvrPiz-t trong vi nấm M. oryzae, mã hoá một protein bí mật không có bất sứ chuỗi đồng dạng nào với các vi nấm khác. Thanh lọc bằng hai hệ men lai (yeast) để tìm ra 12 protein tương tác với AvrPiz-t (viết tắt là APIPs) trong thư viện cDNA cây lúa với bẫy AvrPiz-t. Có 4 APIPs mã hoá các protein mới đều có mặt, điều này cho thấy chức năng của lộ trình “ubiquitination” (cho phép phản ứng khắp nơi) trong tương tác AvrPiz-t và Piz-t. Kết quả mới này cho phép người ta phát triển các giống lúa kháng bệnh đạo ôn với phổ kháng rộng.
Xem http://www.ricegenetics.com

GS.TS. Bùi Chí Bửu
(Lược dịch và tổng hợp)
Sử dụng bản do tác giả gửi