Cải tiến năng suất tinh bột của thuốc lá bằng gen ssiv của cây sắn

Làm tăng năng suất tinh bột (starch yield) bằng công nghệ gen là một trong những ưu tiên nghiên cứu quan trọng nhất và là nội dung hấp dẫn số một đối với nhà khoa học. Do vậy, các nghiên cứu về chu trình sinh tổng hợp tinh bột và sự phân giải tinh bột trong thực vật nói chung, và cây sắn nói riêng có thể đóng góp vào cách thức tiếp cận làm sao cải tiến đượcnăng suất tinh bột. Đối với thực vật bậc cao, các enzyme “starch synthase” (SS) được mã hóa bởi năm nhóm gen có tên khoa học là GBL (granule-bound starch synthase), cụ thể gen SSI, SSII, SSIII, và SSIV. Đặc biệt là mỗi enzyme SS khác nhau, có những nền tảng khác nhau và đóng vai trò nhất định nào đó trong tổng hợp amylopectin. Theo nghiên cứu này, gen ssiv của giống sắn KM140 đã được người ta phân lập. Gen Ssiv được chèn vào vector pK7WG2D-35S:SSIV:T35S. Sau đó, vector mới này được chuyển nạp vào cây thuốc lá thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Thành công của chuyển nạp gen được kiểm chứng bằng phản ứng PCR và đánh giá sự thể hiện gen bằng kết quả phân tích hàm lượng tinh bột. Kết quả cho thấy tinh bột của cây thuốc lá transgenic cao hơn rất nhiều so với cây đối chứngở tại những thời điểm tăng trưởng khác nhau (lá 26,9 – 67,9%, rễ 6,8 – 17,6%). Công trình nghiên cứu này đưa người ta đến một định hướng mới trong sáng tạo cây trồng biến đổi gen có khả năng tích tụ tinh bột cao. Xem VNU Journal of Science.

Dòng hóa và giải trình tự hai gen cây thuốc lá mã hóa Methylketone Synthase 2 (MKS2)

2-Methylketones được tích tụ trong vài loài thực vật như một phụ phẩm trong sinh tổng hợp acid béo, chúng xảy ra trong những plastids. Methylketone synthase 2 (MKS2) là một thioesterase xúc tác trong phản ứng penultimate để tổng hợp methylketone. Nó chuyển hóa 3-ketoacyl-ACPs thành ra 3-ketoacids mà acid này là tiền chất trong chu trình tổng hợp ra 2-methylketones. Những nghiên cứu trước đây ghi nhận các loài cây thuộc họ Solanaceae có thể có những gen MKS2 khác nhau. Mỗi MKS2 có thể thủy phân một nhóm đặc biệt nào đó những cơ chất protein nội sinh “fatty acyl-acyl” mà cơ chất ấy thay đổi chiều dài phân tử rất nhiều (C6-C18), thay đổi mức độ bảo hòa và ô xi hóa. Một nhóm nghiên cứu của Việt Nam đã phân lập được hai gen đồng dạng của ShMKS2, ký hiệu là NtMKS2-1 và NtMKS2-2, định vị tại hai contigs AWOJ-SS748 và AWOJ-SS6425 trong cơ sở dữ liệu của hệ gen cây thuốc lá Nicotiana tabacum. Cả hai gen này đều có năm exons và bốn introns. Chuỗi trình tự đầy đủ cDNA mã hóa NtMKS2-1 và NtMKS2-2 được xác định thành công từ mô lá non của cây N. tabacum, chúng được giải trình tự và so sánh với cơ sở dữ liệu tương ứng thông qua phân tích in silico để dự đoán. Cả hai trình tự mang tính suy diễn này đều mã hóa một protein có kích thước 24 kDa với 60% đồng nhất theo ShMKS2 và có một gốc aspartate bảo thủ rất cần thiết cho đánh giá mức độ xúc tác của enzyme “hotdog-fold thioesterases”. Nghiên cứu này đã bổ sung cơ sở dữ liệu cho phép chúng ta hiểu rõ hơn sự tiến hóa của các gen MKS2 trong cây trồng thuộc họ Solanaceae. Xem VNU Journal of Science.

Enzyme cây Chinese Tallow cải tiến tính chống chịu lạnh của cây cải dầu

Cây “Chinese tallow” (hình) có tên khoa học là Sapium sebiferum, thuộc họ Đại Kích, là một cây cho dầu quan trọng và là cây thuốc của Trung Quốc. Enzyme “Stearoyl-acyl carrier protein desaturase” (SAD) là một enzyme có trong danh mục chuyển nạp gen biết acid béo bảo hòa thành acid béo không bảo hòa, nó ảnh hưởng đến tính chống chịu lạnh của thực vật. Nhóm nghiên cứu của Dan Peng thuộc College of Bioscience và Biotechnology of Central South University of Forestry and Technology, Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu xem tính chống chịu lạnh giá (freezing tolerance) có thể được cải tiến hay không khi người ta kiểm soát được sự thể hiện của gen SsSAD. Họ thấy rằng sự thể hiện gen SsSAD trong cây Chinese tallow đã gia tăng đáng kể khi cây bị stress lạnh giá. Muốn xác định điều ấy, họp cho thể hiện mạnh mẽ gen SsSAD trong cây cải dầu [oilseed rape: Brassica napus]. Cây cải dầu nào thể hiện mạnh mẽ SsSAD đều có hàm lượng linoleic cao hơn (18:2) và hàm lượng linolenic acid cao (18:3) cũng như tăng cường tính chống chịu lạnh giá.  Như vậy, sự thể hiện mạnh mẽ gen SsSAD trong cây cải dầu có thể làm tăng hàm lượng acid béo chưa bảo hòa (polyunsaturated fatty acids), đồng thời cải tiến tính chống chịu lạnh giá của cây đáng kể. Sự thể hiện mạnh mẽ gen SsSAD còn có thể hữu dụng trong gia tăng sản lượng cây cải dầu chị lạnh giá tốt. Xem Plant Science.

Cas9 trong phân tích vai trò của MORC1 trong cây lúa mạch

Đối với thực vật, protein “microrchidia” (MORC) được tìm thấy đầu tiên trong cây Arabidopsis thaliana đột biến, giúp cây kháng được virus xâm nhiễm. Những nghiên cứu sâu hơn cho thấy có bao gồm nội dung làm câm gen và sự ổn định của hệ gen (genome stabilization). Tuy nhiên, người ta biết rất ít về vai trò của chúng trong cây mễ cốc. Nhóm nghiên cứu của Neelendra Kumar thuộc Justus‐Liebig University Giessen, CHLB Đức đã sử dụng cách tiếp cận  Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) để nghiên cứu HvMORC1, một protein MORC của cây lúa mạch (Hordeum vulgare). Họ đã tìm thấy rất cao tần suất gây đột biến trong HvMORC1 ở thế hiệ T0 (77%), thế hệ T1 (70%‐100%). Kết quả cây lúa mạch được chỉnh sửa bằng SpCas9 để knockout gen  hvmorc1 đã biểu hiện tính kháng bệnh gia tăng đáng kể với các pathogen là vi nấm. Xem Plant Biotechnology Journal.

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc tìm thấy các gen “Chloroplast Biogenesis” của lúa

Những gen trong lục lạp (chloroplast genes) được phiên mã bởi “plastid-encoded RNA polymerase” (PEP) hoặc “nucleus‐encoded RNA polymerase”. Protein có thuật ngữ chuyên môn là FRUCTOKINASE‐LIKE PROTEINS (FLNs) là những “carbohydrate kinases”. Chúng hoạt động như một phần của phức PEP. Tuy nhiên, Cơ chế để người ta hiểu rõ hoạt động của FLN vẫn còn rất mù mờ. Theo kết quả nghiên cứu này, Nhóm nghiên cứu của Lei He thuộc China National Rice Research Institute đã tập trung nghiên cứu gen OsFLN1, một thể đồng dạng của HSA1/OsFLN2, và là kết quả knockout gen ấy trong trường hợp “chloroplast biogenesis” (phát sinh ra cơ quan lạp thể).

Họ tìm thấy OsFLN1 định vị trong lục lạp. Kết quả phân tích cho thấy rằng OsFLN1 và HSA1/OsFLN2 tương tác với THIOREDOXINZ (OsTRXz) để điều tiết sự phát triển của lục lạp. Muốn chứng minh điều ấy, họ đã tạo ra thể đột biến  fln1 knockout thông qua hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9. Những cây đột biến thể hiện kiểu hình bạch tạng cực đoan và cây mạ chết (seedling lethality). Nhóm nghiên cứu đã phát triển đột biến knockout OsTRXz, cây biểu hiện bạch tạng giống hệt như trên và hội chứng chết mạ giống như trên (fln1 mutants). Nghiên cứu sâu hơn về phiên mã và dịch mã các gen tùy thuộc vào PEP, các phản ứng đều ức chế đột biến fln1 và đột biến trxz. Như vậy, OsFLN1 và HSA1/OsFLN2 đều góp phần vào sinh tổng hợp cơ quan lạp thể (chloroplast biogenesis) cũng như sự tăng trưởng của cây. Xem Journal of Integrative Plant Biology.

Gia tăng hàm lượng lycopene trong quả cà chua

Phát triển giống cà chua có hàm lượng lycopene nhằm mục đích phát huy ảnh hưởng tích cực của lycopene quả cà chua làm trái có sắc màu đẹp và gia tăng hàm lượng dinh dưởng. Do đó, Nhóm nghiên cứu của Xindi Li thuộc China Agricultural University đã tiến hành nghiên cứu nhằm gia tăng lycopene cà chua thông qua hệ thống CRISPR-Cas9. Họ hi vọng sẽ cải tiến được sự tích tụ lycopene thông qua kỹ thuật knockdown gen bằng CRISPR-Cas9 đối với những gen có liên quan đến chu trình biến dưỡng carotenoid. Năm gen cà chuacó liên quan đến chu trình biến dưỡng carotenoid đã được xác định vị trí. Hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 đã thành công trong kích hoạt được đột biến có chủ đích cùng một lúc với nhiều gen mong muốn. Quả cà chua mới này biểu thị hàm lượng lycopene gấp 5,1 lần hơn đối chứng. Xem Frontiers in Plant Science.

Phát triển gen đầu tiên nhắm đích đến đối tượng sâu gây hại cây trồng

Các nhà khoa học thuộc  University of California San Diego, đứng đầu là Anna Buchman thuộc phòng thí nghiệm Omar Akbari, là giáo sư đầu ngành của UC San Diego về lĩnh vực côn trùng học, hộ đã phát triển thành công một phương pháp giúp người ta thao tác gen trên đối tượng ruồi Drosophila suzukii, một loài côn trùng đục quả với thuật ngữ thông dụng là ruồi “spotted-wing drosophila” (ruồi cánh đốm). Con spotted wing drosophila là đối tượng gây hại cho nông nghiệp tại Hoa Kỳ - chúng gây thiệt hại hàng triệu đô la trên nông trại trồng “berry” và cây ăn quả. Chúng sử dụng công cụ ở đuôi rất nhọn và cứng, một công cụ để đẻ trứng đục vào quả chín và đưa trứng ruồi vào bên trong, gây tổn thất đáng kể cho cây ăn quả vì giòi đục trái. D. suzukii đã gây thiệt hại hơn $39 triệu USD tại California, chỉ tính riêng trên cây “raspberry” và ước tính $700 triệu USD mỗi năm trên đất Hoa Kỳ.

Buchman và đồng nghiệp của Bà đã phát triển một hệ thống có tên gọi là “gene drive system - Medea (tên của một người Hi Lạp trong truyền thuyết đã giết chết các con của mình), trong đó, chất "toxin" nhân tạo với chức năng tương tứng là "antidote" ảnh hưởng cực đoan về di truyền và có hiệu quả rất tốt cho sản xuất. Thí nghiệm trong lồng, chậ cho thấy con ruồi cánh đốm này sử dụng chất Medea, với 100% hiệu quả sau 19 thế hệ. Xem UC San Diego News Center.