Trích báo cáo trình bày tại Hội nghị Quốc tế Di truyền Cây lúa lần thứ 6 tại Philippines

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.

Motoyuki Ashikari  thuộc ĐH Nagoya, Nhật Bản nghiên cứu locus “Snorkel” và tính trạng vươn lóng của lúa nước sâu trong phản ứng đối phó với thay đổi khí hậu. Lúa nước sâu có khả năng vươn dài lóng thân khi nước dân cao trong ruộng. Lóng thân vươn dài giúp lá lúa bên trên có thể hô hấp bình thường giống như ống thở của thợ lặn (snorkel), nhờ đó, giúp cây lúa không bị thiếu oxy (anoxia) và chết. Các nhà sinh lý học nghiên cứu kích thích tố cây trồng như ethylene, gibberellin, abscisic acid có ảnh hưởng quan trọng đến phản ứng này. Nhưng, gen đáp ứng với sự kiện như vậy vẫn chưa được biết. Người ta phân lập gen Snorkel 1 và gen Snorkel 2, đáp ứng việc hình thành “ethylene response factors” (viết tắt ERFs) bao gồm hiện tượng truyền tín hiệu phytohormone ethylene thành công là tiền đề cho nhà chọn giống cải tiến giống lúa nước sâu.

Kuo-Wei Lee và ctv. thuộc ĐH National Chiayi, Đài Loan nghiên cứu phản ứng hypoxia (giảm oxy) và sự thiếu đường cho phép cây mạ chịu được ngập khi nước dâng cao trong ruộng lúa. Kết quả cho thấy protein kinase CIPK15 [calcineurin B–like (CBL)–interacting protein kinase] có vai trò quan trọng trong tính trạng chống chịu thiếu oxy của cây lúa. CIPK15 điều hoà năng lượng tổng thể của cây và đóng vai trò sensor đối với stress, đó là SnRK1A (Snf1-related protein kinase 1). Nó liên kết với các tín hiệu khi thiếu oxy để thực hiện “cascade” thông tin “SnRK1-dependent sugar” đối với đường bình thường và tạo ra năng lượng giúp cây lúa có thể tăng trưởng trong khi bị ngập úng.

Ashwani Pareek và ctv. thuộc ĐH Jawaharlal Nehru, Ấn Độ nghiên cứu giống lúa thích nghi với đất mặn và đất khô cằn . Trong những stress phi sinh học, mặn là yếu tố có ý nghĩa nhất. Tác giả dòng hoá và định tính gen ‘osmosensor’ (điều khiển áp suất thẩm thấu) hoặc còn được gọi là  “stress receptor”. Dạng lai điển hình được ghi nhận là “histidine kinase”. Gen “osmosensor” giả định này có chức năng giống như các dạng đột biến của nấm men (yeast). Promoter của nó đã được tìm thấy có khả năng thể hiện GUS và GFP. Protein này có trong màng plasma tế bào.

Xinping Cui và ctv. thuộc ĐH California Riverside, UC Davis, IRRI cùng hợp tác nghiên cứu cơ sở transcriptome tính chống chịu mặn của lúa và mễ cốc. Họ thực hiện cơ sở dữ liệu transcriptome cho lúa và lúa mạch, trong biểu hiện của gen chống chịu mặn. Toàn bộ genome cây lúa (pp microarray) và 22K của lúa mạch đã được xem xét.

Lizhong Xiong và ctv. thuộc ĐH Vũ Hán, TQ, nghiên cứu gen chống chịu hạn OsSKIPa. Phương pháp tiếp cận là thanh lọc các đột biến T-DNA, thể hiện gene profiling, và chuyển nạp gen, xét nghiệm gen kháng hạn. Hơn 10.000 T-DNA mutants được trồng trong điều kiện bị stress do khô hạn. Sự thể hiện gene profile bao gồm khô hạn, lạnh, nóng, và mặn cùng xảy ra. Có hơn 100 gen đáp ứng với stress trong giống lúa Zhonghua 11. Rất ít gen có tính chất điều hoà với chức năng được biết rõ ràng. Phân tích chức năng genome một trong những gen có tính chất điều hoà như vậy OsSKIPa. OsSKIPa là một homolog (gen đồng dạng) trong cây lúa giống với gen SKIP (Ski-interacting protein) trong genome người. Nó có thể bổ sung sự kiện “lethal defect” của gen lặn đột biến  prp45 (mutant của SKIP homolog trong nấm men) và có tính chất điều hoà sức sống tế bào, chống chịu stress trong cây lúa. Khi ức chế OsSKIPa trong cây lúa, kết quả sẽ làm ngưng tăng trưởng, giảm sức sống tế bào. Thể hiện OsSKIPa-trong cây lúa sẽ làm tăng khả năng loại thải ROS. Đồng thời, ở mức độ phân tử transcript của những gen liên quan đến stress thí dụ như SNAC1 và homologs của lúa: CBF2, PP2C, và RD22; chúng sẽ điều khiển hoạt động chống chịu hạn tốt. Người ta phân lập được trên 30 OsSKIPa-interacting proteins. Hầu hết các protein này không giống trình tự với SKIP-interacting proteins trong động vật và trong nấm men đã có trong cơ sở dữ liệu.

Ju-Kon Kim thuộc ĐH Myongji, Hàn Quốc nghiên cứu tính chống chịu stress trên giống lúa chuyển gen. Bông lúa (gié) và hoa lúa khi phát triển trong điều kiện khô hạn sẽ bị giảm số lượng. Người ta thấy methyl jasmonate (MeJA) có vai trò vô cùng quan trọng trong sự mất năng suất lúa do khô hạn gây ra. Xem xét thể hiện gen trong giống lúa chuyển gen jasmonic acid carboxyl methyltransferase  từ cây Arabidopsis; gen AtJMT kết quả cho thấy: có sự giảm năng suất hạt rất có ý nghĩa thông qua MeJA và ABA thể hiện trong bông lúa non. Gia tăng ABA trong bông lúa của giống chuyển gen AtJMT trồng trong điều kiện bình thường cho thấy MeJA có ít hơn khi trồng trong điều kiện khô hạn. Người ta giả định: cây trồng trong điều kiện khô hạn kích thích tạo ABA, làm giảm năng suất. Cây chuyển gen biểu thị vùng AP2 của gen AP37, với promoter kiến trúc làm tăng sự kháng hạn ở giai đoạn cây còn non.  Cây chuyển gen này gia tăng tính trạng chịu hạn trên đồng ruộng, năng suất tăng so đối chứng là 20-50%.

 Jagadish SVK và ctv. thuộc IRRI và ĐH Reading, Cutbush Lane, Shinfield, Mexico, ĐH Aberdeen, Anh Quốc, nghiên cứu bản đồ di truyền và proteomics tính trạng chống chịu nhiệt độ nóng trong thời gian trổ. Mô phỏng về thay đổi khí hậu dự đoán sự tăng lên nhiệt độ trung bình của khí quyển. Trong tương lai, nhiệt độ cao lúa lúa trổ sẽ làm tăng tỉ lệ hạt lép và làm giảm năng suất. Hai phương pháp tiếp cận: (1) Đánh giá kiểu hình để xác định QTL và (2) Proteomics ở giai đoạn trổ. Đối với đánh giá kiểu hình, bố mẹ của quần thể lập bản đồ được thanh lọc theo qui trình mới về đánh dấu hoa. Sau đó, 181 cá thể của F6-RILs thuộc tổ hợp lai Bala /Azucena được thanh lọc thông qua tỉ lệ hoa lúa thụ tinh ở nhiệt độ 30°C (đối chứng) và 38°C (nhiệt độ cực trọng) ở Philippines và Anh Quốc. Một QTL đáp ứng với nhiệt độ cao đã giải thích được sự biến thiên kiểu hình 18% trên nhiễm sắc thể số 1 (38,35 Mb). Thực hiện “In silico alignment” (so sánh chuỗi trình tự) của dữ liệu bản đồ di truyền so với dữ liệu bản đồ vật lý; người ta thấy sự hiện diện của 7 gen ứng cử viên giả định liên quan đến chịu nóng và khô hạn. Về dữ liệu proteomics, các túi phấn được xác định trong điều kiện bình thường và nóng. Cây chịu nóng N22, cây tương đối chịu nóng IR64, và cây không chịu nóng Moroberekan được xem xét thông qua kỹ thuật “protein profiling” điện di trên gel hai chiều (2D). Các protein có tính điều hoà rất khác nhau bao gồm: protein “dirigent like” (điều khiển được), protein sốc lạnh (cold shock), enzyme pyrophosphatase vô cơ hoà tan với HSPs và 6 protein khác chưa biết. Kết quả thí nghiệm rất tốt bằng cách sử dụng các trình tự gen của giống N22 19379 và Nipponbare để hiểu được đa dạng di truyền của những gen ứng cử viên này giữa các mẫu giống nhiễm và chịu nóng thông qua kỹ thuật “allele mining”. Xem chi tiết bản tóm tắt Hội nghị quốc tế di truyền cây lúa lần thứ 6