Alcohol dehydrogenase 1 có liên quan đến tính kháng stress sinh học và phi sinh học của cây Arabidopsis

Khi các yếu tố điều tiết và yếu tố phiên mã của gen AtADH1 thuộc cây Arabidosis đáp ứng với stress phi sinh học được người ta biết rõ, thì vai trò của gen này in vivo vẫn chưa được công bố khoa học nào hết. Haitao Shi và ctv. thuộc Đại Học Hainan cùng với các đồng nghiệp thuộc nhiều ĐH Trung Hoa, đã tiến hành nghiên cứu vai trò của gen AtADH1. Họ đã thấy rằng sự thể hiện gen AtADH1 bị kích hoạt mạnh mẽ bởi stress mặn, khô hạn, và lạnh, cũng như khi cây bị nhiễm pathogen. Phân tích sâu hơn cho thấy sự thể hiện mạnh mẽ gen AtADH1 làm cho cây nhạy cảm hơn với abscisic acid (ABA) so với những cây WT (wide types). Bên cạnh đó, các đột biến knockout AtADH1 cho thấy không có khác biệt đáng kể so với cây WT trong trường hợp xử lý ABA. Cây biểu hiện mạnh mẽ gen AtADH1 cải thiện được tính kháng stress  do mặn, khô hạn, lạnh và sự xâm nhiễm của pathogen. Sự thể hiện mạnh mẽ gen AtADH1 còn làm tăng số phân tử transcript của những gen có liên hệ đến nhiều loại hình stress khác. Kết quả cho thấy gen AtADH1 có liên quan đến tính kháng đối với stress sinh học và phi sinh học. Xem Plant Science.

Đánh giá rủi ro đối với sinh vật không chủ đích thuộc “chân đốt” (arthropod) khi trồng lúa Bt tại Trung Quốc

Các nhà khoa học trước đây đã phát triển các dòng lúa biến đổi gen (GE) tạo ra chất diệt côn trùng là “Cry proteins” của vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) để kiểm soát sâu bộ cánh vẩy (Lepidoptera) và hạn chế mất năng suất do sâu hại gây ra. Tuy nhiên, trước khi dòng lúa Bt có thể được canh tác, người ta phải đánh giá tất cả những rủi ro đối với môi trường. Điếu ấy bao gồm việc xem xét ảnh hưởng của nó trên sinh vật không chủ đích như nhóm sinh vật chân đốt NTA (non-target arthropods) và hệ sinh thái. Một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc thuộc Chinese Academy of Agricultural Sciences và ĐH Nông Nghiệp Huazhong, cùng với các nhà khoa học Thụy Sĩ thuộc tổ chức Agroscope, đã thực hiện một nghiên cứu  nhằm xác định sự có mặt của NTAs trên những vùng trồng lúa thuộc miền Trung và miền Nam TQ, và xem xét chuỗi thức ăn của chúng trên cơ sở tương tác chuỗi  (food web interactions). Họ còn đánh giá mức độ phơi nhiễm của NTAs với “Cry2A-protein” của cây lúa trên ruộng khảo nghiệm từ năm 2011 đến năm 2012. Có tất cả 13 loài sinh vật không chủ đích thuộc nhóm “herbivores” (ăn thực vật) đã được thu thập và phân tích. Rầy nâu, cả thành trùng và ấu trùng, có hàm lượng rất thấp dạng vết (trace) đối với protein Cry2A. Trái lại, mức độ này của châu chấu (meadow katydids) đạt gấp 2,5 lần cao hơn mẫu thu thập. Mặt khác, những con thiên địch ăn mồi (predators), nhất là loài nhện không có hàm lượng đáng kể nào của Cry2A và thấp hơn rất nhiều lần trong mô cây lúa. Không có protein Cry2A được ghi nhận trong loài bọ rùa thiên địch được thu thập trước khi lúa tung phấn. Tuy nhiên, bọ cánh cứng và con ăn mồi “lacewings” có chứa một lượng đáng kể trong suốt thời kỳ tung phấn của lúa, nhưng thấp hơn rất nhiều lần so với hàm lượng protein này trong cây lúa. Các loài ong ký sinh (parasitoids) cũng được thu thập, nhưng hàm lượng protein Cry2A đều thấp hơn ngưỡng cho phép. Số liệu khoa học này cho thấy sự giảm protein Cry từ mức độ thấp đến cao so với mức dinh dưỡng cho phép “trophic levels”. Điều này tùy theo những nghiên cứu đồng ruộng của giống cây trồng biến đổi gen Bt, sản sinh ra các protein Cry khác nhau. Xem Plant Biotechnology Journal.

Hình: Chuỗi thức ăn của  sinh vật “arthropod” không chủ đích trên đồng ruộng lúa ở miền Trung và Nam Trung Quốc; hàm lượng protein Cry2A dẫn xuất từ cây lúa trong mỗi cá thể sinh vật “arthropod” (đều hơn sinh vật “herbivores” có chủ đích).

Chức năng của OsSAPK2 thông qua hệ thống CRISPR-Cas9

SNF 1-Related Protein Kinase 2 (SnRK2) là một họ protein “kinases” mà họ này tham gia tiến trình điều tiết sự truyền tín hiệu khi bị stress có tính chất “hyper-osmotic” (điều hòa áp suất thẩm thấu rất nhạy) và sự phát triển tín hiệu lệ thuộc vào ABA (abscisic acid) của thực vật. Trong cây lúa, stress có tính chất điều hòa áp suất thẩm thấu (osmotic stress) / protein kinase 2 (SAPK2) kích hoạt bởi ABA là một “mediator” chính của quá trình truyền tín hiệu ABA. Tuy nhiên, người ta chưa nghiên cứu một cách đầy đủ sự kiện này. Dengji Lou và ctv. thuộc Chinese Academy of Sciences đã nghiên cứu chức năng của gen OsSAPK2 thông qua việc áp dụng đột biến làm mất chức năng (loss-of-function mutants) với sự hỗ trợ của hệ thống CRISPR-Cas9. Sự thể hiện gen OsSAPK2 được quan sát có sự điều tiết rất mạnh mẽ kiểu UP khi cây bị xử lý khô hạn, mặn rất cao và khi cây bị xử lý polyethylene glycol (PEG). Các cậy đột biến sapk2 biểu hiện kiểu hình “ABA-insensitive”, cho thấy vai trò của gen OsSAPK2 có liên quan đến tính trạng ngủ nghỉ của hạt qua trung gian ABA. Những thể đột biến ossapk2 còn tỏ ra nhạy cảm với khô hạn và ROS (reactive oxygen species), cho thấy tầm quan trọng trong phản ứng với khô hạn của cây lúa. Phân tích sâu hơn chỉ ra rằng OsSAPK2 đã làm tăng tính chống chịu khô hạn của cây lúa nhờ giảm đi sự mất nước bởi việc đóng lại khí khổng, và điều tiết sự thể hiện gen theo kiểu UP đối với các gen phản ứng stress và kích thích sự thể hiện gen điều khiển enzyem “antioxidant”  để tăng cường khả năng thoát khỏi ROS. Như vậy OsSAPK2 là một gen ứng cử viên đầy tiềm năng phục vụ cải tiến giồng cây trồng trong tương lai. Xem Frontiers in Plant Science.

CRISPR-Cas9 và sự mất đoạn của gen đích trong giống lúa indica

CRISPR-Cas9 đã và đang được áp dụng phổ biến để chỉnh sử gen đích trong cả hai hệ thống cây trồng và động vật có vú. Hầu hết những cải biên của cây là những xen đoạn hoặc mất đoạn phân tử khá nhỏ, với chỉ một vài gen đích, đặc biệt các giống lúa thuộc loài phụ indica.  Các nhà nghiên cứu đứng đầu là Ying Wang thuộc Syngenta Biotechnology, Trung Quốc đã thiết kế nhiều hệ thống chỉnh sửa CRISPR sgRNAs và làm mất đoạn thành công các phân tử DNA của gen DENSE AND ERECT PANICLE 1 (DEP1) thuộc giống lúa indica IR58025B. Họ thu được tần suất đột biến là 2% tại vị trí đích 430 bp và tần suất 9% tại vị trí đích 10 kb trong những cây sự kiện thuộc thế hệ T0. Sự cải tiến của những tính trạng có liên quan đến năng suất hạt, ví dụ như bông lúa thẳng và hạt đóng dầy, cây thấp, được quan sát trong những cây đột biến đồng hợp tử dep1 thế hệ T0 nhờ hệ thống chỉnh sửa CRISPR-Cas9. Xem Plant Cell Reports.

Gen điều khiển sinh tổng hợp carotenoid của nấm men Rhodosporidium toruloides

 Nấm Rhodosporidium toruloides là một loài nấm men, tên tiếng Anh là “red yeast” nó có khả năng tạo ra carotenoids, là nhà máy tế bào đầy tiềm năng sản sinh carotenoid. Vì vậy, người ta cố gắng khai thác đặc điểm ấy làm ra các “oleochemicals” với giá trị gia tăng cao cũng như những sắc tố cần thiết. Nấm R. toruloides là một lựa chọn rất thú vị. Các nhà khoa học xuất phát từ nhiều Đại Học ở Trung Quốc, đứng đầu là Wenyi Sun, đặt mục tiêu nghiên cứu của họ là phân lập thành công gen điều khiển sinh tổng hợp chất carotenoid. Họ đã tập trung vào nội dung nghiên cứu locus RHTO_04602 của nấm R. toruloides NP11, đánh dấu gen CRTI. Họ tiến hành dòng hóa gen CRT1 (cloned) rối chuyển nạp vào tế bào R. toruloides gián tiếp thông qua Agrobacterium, kết quả tạo nên nấm men trắng là những “transformants” mới. Phân tích các transformants này cho thấy có sự bất hoạt của gen CRTI. Khi các biến thể màu trắng được chuyển nạp với biểu hiện của “CRTI cassette”, các tế bào trỡ nên đỏ và tạo ra các carotenoids tương tự như chủng nòi nguyên thủy (wild-type strain) của NP11. Số liệu thí nghiệm khẳng định rằng chức năng của RHTO_04602 trong sinh tổng hợp carotenoid của nấm men R. toruloides. Đây là cơ sở khoa học của kỹ thuật di truyền trong biến dưỡng nấm men được áp dụng trong công nghệ tổng hợp carotenoid. Xem Biotechnology Letters.

Công bố kết quả giải trình tự genome cây táo

Một consortium quốc tế tập họp các viện nghiên cứu của Pháp, Ý, Đức, Hà Lan, và Nam Phi, với nhiều nhà khoa học của ĐH Wageningen & Research; công bố giải trình tự bộ genome cây táo (tiếng Anh là apple; tên khoa học là Malus pumila) với chất lượng cao. Trình tự bộ sequence cho chúng ta những hiểu biết mới về tổ chức của genome cây táo. Chín mươi ba phân trăm (93%) của tất cả 42.000 gen giả định được minh chứng thông qua kết quả giải trình tự phân tử RNA. Thông tin này rất có ích để xác định các gen  điều khiển một tính trạng nào đó mà chúng ta mong muốn biết và đối với sự phát triển các xét nghiệm chẩn đoán dựa trên cơ sở DNA, người ta có thể thúc thẩy hiệu qủa chọn tạo giống táo mới cao hơn. Những hiểu biết mới như vậy trong genome cây táo cho một cách nhìn rõ ràng hơn về những lập đoạn (duplication patterns) trong tất cả 17 nhiễm sắc thể  của cây táo. Thông tin này gíup người ta xác định được các bản sao chép  của gen với chức năng tương tự. Những vùng lập lại (repetitive regions) đã và đang được tổng hợp, và những vùng ấy có thể bao gồm nội dung điều tiết gen thể hiện ra bên ngoài. Cuối cùng, một loại hình mói của nội dung lập lại trình tự cho thấy: đó chính là tính chất đặc biệt đối với tâm động (centromeres) của nhiễm sắc thể, điều ấy có thể dẫn đến một kiến thức mới trong phân bào, phân nhiễm và tính chất lập lại (replication).  Xem Wageningen University & Research.

Cơ sở dữ liệu tham chiếu mới có tính chi tiết của cây bắp là nguồn tư liệu khá sâu về tính thích ứng liên tục của nó

 Bà Doreen Ware thuộc tổ chức Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) và Bộ Nông Nghiệp Hoa Kỳ (USDA), đứng đầu nhóm nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc 7 Viện Hàn Lâm và nhiều Công ty khoa học về “genome technology”. Họ đã thực hiện một dự án nghiên cứu tạo ra cơ sở dữ liệu tham chiếu mới, khá chi tiết của genome cây bắp (Zea mays). Theo Ware, genome mới của bắp cho thấy tính chất  linh hoạt của nó, trong đó, người ta giải thích được tại sao cây bắp rất thành công trong việc thích nghi với nhiều vùng sinh thái canh tác, qua hàng nghìn năm cho đến nay. Nó cho chúng kiến thức về khả năng cây bắp phát triển được vùng trồng trọt mới, trong điều kiện biến đổi khí hậu của hành tinh chúng ta và sự tăng năng suất của nó cũng như sự bền vũng của nó với môi trường sinh thái tại Hoa Kỳ và ở nước ngoài.  Bộ genome cây bắp cực kỳ lớn, nhưng kích thước ấy không tương xứng với tính co dãn kiểu hình của nó (phenotypic plasticity), khoảng thích ứng vô cùng tiềm năng để nó có thể thích nghi rộng như vậy. Ware giải thích rằng trong khi cố gắng xác định khả năng của cây trồng để thích ứng với điều kiện thay đổi mới, nhưng gen này hoạt động hoặc im lặng, đều xác định cái gì trong bộ gen khổng lồ ấy giúp cây làm việc. Nhóm nghiên cứu này đã tổng hợp lại bộ genome với mức độ chính xác cao và vô cùng chi tiết genome tham chiếu (reference genome) của dòng bắp có tên là B73, rồi so sánh nó với  các bản đồ genome của những cá thể cây bắp thuộc hai dòng W22 và Ki11. Người ta trồng chúng  trong những điều kiện khí hậu vô cùng khác biệt nhau. Họ đã ngạc nhiên khi thấy: cá thể bắp biểu hiện rất nhiều, nhiều đến nổi cao hơn mức biểu hiện trên bộ genome của người. Sự khác biệt ấy  trong nhiều cá thể cây bắp phản ánh những thay đổi trong bộ genome này, chính bản thân chúng, ở nơi nào, khi nào chúng được thể hiện, và các mức độ thể hiện nào, theo giải thích của Yinping Jiao, nghiên cứu sinh postdoct của phòng thí nghiệm Ware và là tác giả đứng tên đầu tiên trong công trình nghiên cứu về bộ genome mới này.  Xem CSHL News & Features.

Hình: Sự ấm lên của khí quyển làm cho các vùng trồng trọt của cây lương thực chủ lực toàn thế giới phục vụ cho 7 tỷ dân, đang bị dịch chuyển theo hướng bất lợi. Bộ genome tham chiếu mới của cây bắp cho thấy tính thích nghi vô cùng độc đáo của nó. Sự linh hoạt như vậy trong genome cây bắp là do cách thức hoạt động của các gen thuộc 10 nhiễm sắc thể ấy có thể điều tiết một cách tương ứng, ví dụ bật mở, bật tắt tại các thời điểm đặc biệt

(Nguồn: Doreen Ware, Adjunct Associate Professor, Ph.D., Ohio State University)