Biên tập: Bộ gen chức năng trong cây ăn quả: Từ 'Omics đến công nghệ sinh học bền vững (2023)

Chủ đề Nghiên cứu về Biên giới trong Khoa học Thực vật này thu thập 8 bản thảo, tập trung vào các loại cây ăn quả có lợi ích thương mại cao, chẳng hạn như nguyệt quế, việt quất, lê, nho, cam quýt và quả óc chó. Phạm vi của các giải pháp và cách tiếp cận mà omics cung cấp cho chúng ta ngày nay, cũng như các ứng dụng và triển vọng đang hiện ra trong một khoảng thời gian ngắn, được minh họa với sự tập trung đặc biệt vào các đặc điểm chất lượng của trái cây, liên quan đến độ cứng và sau thu hoạch (Cappai và cộng sự.), chín (Honaas và cộng sự.), và tích lũy lignin (Cao et al.), về việc nâng cao kiến ​​thức về các chất chuyển hóa thứ cấp, chẳng hạn như các hợp chất phenolic (Saxe et al.), cũng như điều tra các phản ứng sớm nhất đối với mầm bệnh (Ngụy và cộng sự.). Hơn nữa, Đề tài nghiên cứu minh họa một lộ trình ứng dụng công nghệ từ giải trình tự toàn bộ hệ gen (Vũ và cộng sự.) để sắp xếp lại (Tanaka et al.), để đạt được mục tiêu cuối cùng là điều chỉnh gen bằng Kỹ thuật nhân giống mới (Salonia et al.) (Hình 1).

HÌNH 1

Cây ăn quả là loài quan trọng về mặt kinh tế và, là loài cây sống lâu năm, là một thách thức quan trọng để hiểu được sự thích nghi với áp lực môi trường. Các phân tích chức năng chi tiết thường gặp khó khăn ở các loài thân gỗ, do các đặc điểm sinh học của chúng và sự ngoan cố của một số loài đối với việc chuyển đổi và/hoặc tái sinh cây trồng, những trở ngại làm hạn chế rất nhiều việc sử dụng các phương pháp công nghệ sinh học và di truyền tiêu chuẩn cho các nghiên cứu chức năng gen hoặc nhân giống cây trồng.

Cụ thể, các loài cây ăn quả rất khó nghiên cứu ở cấp độ di truyền và phân tử (1) vì tính chất lâu năm của chúng, (2) thông tin hạn chế về nhận dạng và chức năng gen cũng như các dấu hiệu di truyền liên quan trực tiếp đến việc kiểm soát một đặc tính, (3) sự không có sẵn của các bản đồ liên kết di truyền phân tử được xác định rõ ràng và (4) sự phát triển kém của việc lập bản đồ dân số và nghiên cứu dựa trên bản đồ, thường khá phức tạp ở thực vật thân gỗ.

Trong thập kỷ qua, việc giải trình tự một số bộ gen, cùng với những tiến bộ nhanh chóng trong tin sinh học, đã cung cấp các công cụ mạnh mẽ cho các nghiên cứu phân tử chi tiết về cây trồng khác với các loài mô hình truyền thống. Sự sẵn có của dữ liệu giải trình tự chỉ là điểm khởi đầu vì các phương pháp tin sinh học không đủ để xác định vai trò của gen. Để đào sâu kiến ​​thức này, cần phải hiểu làm thế nào hàng ngàn gen có thể tương tác với nhau để xác định cấu trúc của cây và cách các con đường trao đổi chất mà chúng tham gia góp phần vào sự phát triển và thích nghi của cây với môi trường.

Các khả năng ấn tượng mà trình tự bộ gen được liên kết với tính biến đổi nội loài có thể mang lại, được thể hiện bằng bản thảo được đóng góp bởiVũ và cộng sự., báo cáo về một nghiên cứu toàn diện và mạnh mẽ về bộ gen của quả nguyệt quế đỏ. Các tác giả khám phá sự đa dạng di truyền của loài này ở Trung Quốc và nghiên cứu sự phân bố của các biến thể toàn bộ bộ gen (SNP, indel và các biến thể cấu trúc) trong khoảng năm mươi lần bổ sung. Bằng cách chọn các vùng cụ thể của bộ gen, các tác giả cũng xác định các kiểu gen thực sự từ toàn bộ nhóm các giống hiện tại, tách chúng khỏi các đột biến thể thao hoặc đơn giản là các từ đồng nghĩa. Kết hợp lại với nhau, các kết quả cung cấp một cái nhìn đầy đủ hơn về sự đa dạng di truyền của loài này và tiết lộ những hiểu biết mới về quá trình thuần hóa của nó. Từ quan điểm ứng dụng, việc thiết kế hệ thống dấu vân tay DNA tạo thành một công cụ tiện ích tối đa trong nhân giống phân tử và bảo vệ giống.

Việc sắp xếp lại toàn bộ bộ gen cùng với phân tích tin sinh học đã làm sáng tỏ các biến thể bộ gen của một giống nho sản xuất rượu bản địa Nhật Bản “Koshu” được sử dụng làm thực phẩm và chế biến, đối với giống nho trắng “Thompson Seedless” (“Sultanina”) và nho đen châu Âu “Tannat .”Tanaka et al.đã phát triển một phân tích sâu chứng minh rằng “Koshu” khác biệt về mặt phát sinh chủng loài so với hai giống nho còn lại, cũng như được hỗ trợ bởi sự hiện diện của các biến thể nhỏ và cấu trúc. Đặc biệt, tỷ lệ dị hợp tử cao đã được quan sát thấy ở nhiễm sắc thể số 7 nơi định vị các cụm gen kháng thuốc. Hơn nữa, thông tin bộ gen của “Koshu”, được hỗ trợ bởi dữ liệu phiên mã, góp phần giải thích sự khác biệt về hàm lượng polyphenol cao hơn trong quả mọng và rượu vang. Giống Nhật Bản đại diện cho một nguồn gen thú vị có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng rượu vang, thông qua việc áp dụng các nghiên cứu kết hợp trên toàn bộ bộ gen, lựa chọn bộ gen và lựa chọn liên quan đến chất đánh dấu.

Mặc dù là cơ sở để nhân giống các loại cây ăn quả quan trọng trên toàn cầu, nhưng các nghiên cứu di truyền về các loài đa bội đòi hỏi phải có phương pháp luận, bằng chứng là công trình củaCappai và cộng sự.Các tác giả mô tả việc tạo ra một bản đồ liên kết di truyền có độ phân giải cao cho cây trồng tự tứ bội Highbush blueberry (Vaccinium corymbosumL.), tiếp theo là lập bản đồ QTL để tiết lộ cấu trúc di truyền của tính trạng săn chắc. Từ quan điểm ứng dụng, kiến ​​thức mới về các đặc điểm liên quan đến khả năng thu hoạch của máy, chẳng hạn như độ cứng, rất có giá trị. Việc phát triển các giống thích hợp cho việc thu hoạch bằng máy móc là vô cùng quan trọng đối với ngành công nghiệp việt quất, vì chi phí do quá trình hái bằng tay tốn nhiều công sức là rất cao. Do đó, các QTL được đề xuất đại diện cho một nguồn chiến lược để điều tra gen giả định được sử dụng cho các nghiên cứu nhân giống phân tử trong tương lai về thu hoạch bằng máy.

Sự sẵn có của nhiều dữ liệu bộ gen cho phép xác định các yếu tố phiên mã BZR (TF) trên toàn bộ bộ gen ở năm loài Rosaceae bằng cáchCao et al.Các TF này là bộ điều chỉnh quan trọng của quá trình tổng hợp Brassinosteroid (BR) và đóng vai trò thiết yếu trong sự phát triển của thực vật và kích thích môi trường. Các thành viên BZR trong bộ gen của quả lê cho thấy các sự kiện sao chép quy mô lớn trong quá trình tiến hóa. Đặc biệt, ba gen PbBZR trong lê Trung Quốc (Kim tự tháp bretschneideri) được xác định là protein hạt nhân và việc VIGS ức chế PbBZR1 đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể hàm lượng lignin củaP. bretschneideritrái cây. PbBZR1 là chất ức chế phiên mã của các gen sinh tổng hợp lignin và do hàm lượng lignin có thể cản trở giá trị và chất lượng của trái cây thương mại, PbBZR đã tạo ra các gen mục tiêu quan trọng cho các nghiên cứu chức năng và nhân giống phân tử để cải thiệnP. bretschneiderichất lượng quả.

Khả năng chín thích hợp là một yếu tố quan trọng đối với việc quản lý sau thu hoạch lê Châu Âu vì quả phải đạt được các đặc tính chất lượng cụ thể để đáp ứng mong đợi của người tiêu dùng. Công việc củaHonaas và cộng sự.nhằm mục đích cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế phân tử điều khiển quả lê “d'Anjou” (quả lê thông thườngL.) chín và đặc biệt để cung cấp các dấu hiệu sinh học dựa trên biểu hiện gen có thể hữu ích cho các nhà sản xuất. Kết hợp phương pháp phiên mã với các công cụ tin sinh học để đánh giá mạng lưới đồng biểu hiện gen, các tác giả mô tả các kiểu biểu hiện của các mô-đun gen liên quan đến chất lượng quả và sự khác biệt về độ chín khi thu hoạch. Các gen liên quan đến quang hợp, sinh tổng hợp alpha-farnesene và bộ máy biểu sinh được tiết lộ là rất cần thiết trong việc cải thiện chất lượng quả lê.

Phương pháp tiếp cận bộ gen chức năng đã được thông qua bởiSaxe et al.để xác định đặc tính của các gen JrGGT1 và JrGGT2 được phân lập từNgười tung hứng hoàng gia(Tiếng Anh quả óc chó). Phân tích phiên mã và chuyển hóa ở quả óc chó và sự biểu hiện quá mức chuyển gen ở thuốc lá đã chứng minh rằng, mặc dù có sự tương đồng trình tự cao ở mức nucleotide và axit amin, hai gen này cho thấy mối tương quan khác nhau trong quá trình chuyển hóa thứ cấp ở thực vật. Cả hai JrGGT đều là glycosyltransferase loại UDP84A và tham gia vào quá trình chuyển hóa axit shikimic và phenylpropanoid. Tuy nhiên, JrGGT1 là chất điều chỉnh quá trình chuyển hóa axit hydroxybenzoic và hydroxycinnamic, trong khi JrGGT2 dường như tham gia nhiều hơn vào quá trình chuyển hóa các flavonoid cụ thể. Những glycosyltransferase này chắc chắn đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa axit phenolic, flavonoid và tanin trong quả óc chó cũng như trong các loài thân gỗ khác.

Một phương pháp phiên mã cũng đã được báo cáo để điều tra phản ứng rất sớm (sau 1 ngày lây nhiễm (dpi) và phản ứng phòng vệ quá mức ở 5 dpi) của cam Valencia (Citrus sinensisL. Osbeck) đến Huanglongbin (HLB), bệnh hại cam quýt nghiêm trọng nhất, do vi khuẩn gây raCandidatus Liberibacter asiaticus(CaLas) và véc tơ của nó là rầy chổng cánh châu Á (Ngụy và cộng sự.). Đóng góp của nghiên cứu này cho kiến ​​thức ngày nay là CaLas không chỉ sử dụng các chiến lược độc lực để khắc phục khả năng miễn dịch của tế bào chủ bằng cách tắt các gen của các con đường truyền tín hiệu; CaLas cũng có thể sửa đổi các lộ trình trao đổi chất của tế bào chủ để thu được năng lượng cần thiết và đẩy nhanh quá trình sao chép. Nghiên cứu này góp phần tạo nền tảng mới cho sự phát triển hơn nữa của nguồn gen kháng HLB, thông qua thao tác di truyền, tạo ra các giải pháp khả thi và đáng tin cậy cho một nền văn hóa cây có múi bền vững mới.

Tất cả những nghiên cứu này đại diện cho điều kiện tiên quyết để áp dụng Kỹ thuật nhân giống cây trồng mới (NPBT), chẳng hạn như chỉnh sửa bộ gen và tạo dòng.Salonia et al.đã xem xét tình trạng nghệ thuật của NPBT trongcam quýt, thảo luận về các đặc điểm chính (apomixis, tỷ lệ dị hợp tử cao, giai đoạn trưởng thành kéo dài, khả năng tái sinh kém) khiến loài này rất khó quản lý. Kiến thức hạn chế về gen gây bệnh (một gen, một chức năng) góp phần giải thích những ví dụ hạn chế về ứng dụng công nghệ sinh học hiện đại ở loài này. Việc sử dụng các mẫu cấy từ trẻtrong ống nghiệmcây con thay vì cây trưởng thành, việc tối ưu hóa các giao thức tái sinh hiện tại để khắc phục sự ngoan cố của một số kiểu gen, sự cần thiết của các hệ thống không có chất đánh dấu và rút ngắn giai đoạn trưởng thành dài cũng được thảo luận. Trên thực tế, cisgenesis và chỉnh sửa bộ gen đang được sử dụng để tạo ra khả năng chống lại một số bệnh nguy hiểm, chẳng hạn như HLB và bệnh ung thư cây có múi, đồng thời để cải thiện chất lượng trái cây có múi làm cho chúng khỏe mạnh hơn và không có hạt.

Nhìn chung, không còn nghi ngờ gì nữa, sự ra đời của các công nghệ omics trong hai thập kỷ qua đang thay đổi cách chúng ta hiện đang khám phá, hiểu và diễn giải khía cạnh nhỏ nhất của mỗi và mọi ngành sinh học. Sự gián đoạn của các quy trình và kỹ thuật gen tiên tiến nhất đã được tạo ra một cách thuận lợi trong việc nâng cao kiến ​​thức trong các ngành khắc nghiệt khó tiếp cận, chẳng hạn như nghiên cứu về hành vi sinh lý của cây ăn quả, mà về bản chất là xa vời. các mô hình cổ điển thường được sử dụng trong sinh học thực vật. Với ý nghĩa này, các bài báo sưu tầm trong Đề tài Nghiên cứuGenomics chức năng trong cây ăn quả: từ 'Omics đến công nghệ sinh học bền vữngcung cấp một bản tóm tắt đại diện và có giá trị về các ứng dụng hiện tại của công nghệ omics trong thực vật thân gỗ.

Sự đóng góp của tác giả

Tất cả các tác giả được liệt kê đã có đóng góp đáng kể, trực tiếp và trí tuệ cho tác phẩm và đã phê duyệt tác phẩm để xuất bản.

Xung đột lợi ích

Các tác giả tuyên bố rằng nghiên cứu được thực hiện trong trường hợp không có bất kỳ mối quan hệ thương mại hoặc tài chính nào có thể được hiểu là xung đột lợi ích tiềm ẩn.

Ghi chú của nhà xuất bản

Tất cả các khiếu nại thể hiện trong bài viết này chỉ là của các tác giả và không nhất thiết đại diện cho các tổ chức liên kết của họ, hoặc của nhà xuất bản, biên tập viên và người đánh giá. Bất kỳ sản phẩm nào có thể được đánh giá trong bài viết này hoặc khiếu nại có thể do nhà sản xuất đưa ra đều không được nhà xuất bản bảo đảm hoặc xác nhận.

Sự nhìn nhận

Chúng tôi đánh giá rất cao sự đóng góp tích cực của tất cả các tác giả và người đánh giá cho công việc quý giá của họ.

từ khóa:cây gỗ, phiên mã, trao đổi chất, sắp xếp lại, kỹ thuật nhân giống mới, đa dạng di truyền, chất lượng trái cây, mầm bệnh thực vật

trích dẫn:Licciardello C, Perrone I, Gambino G, Talon M và Velasco R (2021) Biên tập: Bộ gen chức năng ở cây ăn quả: Từ 'Omics đến công nghệ sinh học bền vững.Đằng trước. Khoa học thực vật12:729714. hai: 10.3389/fpls.2021.729714

Đã nhận:ngày 23 tháng 6 năm 2021;Đã được chấp nhận:29 tháng 6 năm 2021;
Được phát hành:Ngày 26 tháng 7 năm 2021.

Được chỉnh sửa và đánh giá bởi:Inaki Hormaza, Viện trồng trọt cận nhiệt đới và Địa Trung Hải La Mayora, Tây Ban Nha

bản quyền© 2021 Licciardello, Perrone, Gambino, Talon và Velasco. Đây là một bài báo truy cập mở được phân phối theo các điều khoản củaGiấy phép Creative Commons Attribution (CC BY). Việc sử dụng, phân phối hoặc sao chép trong các diễn đàn khác được cho phép, miễn là (các) tác giả gốc và (các) chủ sở hữu bản quyền được ghi nhận và ấn phẩm gốc trên tạp chí này được trích dẫn, phù hợp với thông lệ học thuật được chấp nhận. Không được phép sử dụng, phân phối hoặc sao chép mà không tuân thủ các điều khoản này.

*Thư tín:Concetta Licciardello,concetta.licciardello@crea.gov.it