Gen điều hòa phản ứng chống chịu với nhiệt độ nóng của cây ớt (Capsicum annuum)

Ớt là loài cây trồng quan trọng về mặt nông nghiệp bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nhiệt độ nóng làm giảm năng suất nghiêm trọng trên thế giới. Trong điều kiện ẩm, stress nóng làm cây ớt rất dễ nhiễm bệnh. Một nhóm enzymes thuộc protein TF (transcription factors) có chức năng giúp cây phản ứng lại với nhiệt độ nóng. Protein WRKY TFs được quan sát, có những mức độ biểu hiện rất rộng trong thực vật khi bị stress bởi nhiệt độ nóng, cho thấy vai trò của những TFs này khi phản ứng với nóng. Sử dụng kỹ thuật qRT PCR, Fengfeng Dang và ctv. thuộc Fujian Agriculture and Forestry University, Trung Quốc, đã xác định những biểu hiện ấy của một gen WRKY cụ thể là gen CaWRKY27 trong cây ớt khi bị stress bởi nhiệt độ nóng. Họ thấy rằng: biểu hiện tăng tối đa gấp 3 lần bình thường của gen khi bị nóng so với cây ở trạng thái thông thường. Muốn xác định vai trò của gen này khi phản ứng với nhiệt độ nóng, người ta cho gen biểu hiện trong cây mô hình Arabidopsis chuyển nạp gián tiếp thông qua vi khuẩn Agrobacterium, Kết quả được ghi nhận như sau: gen bị kích hoạt khi cho cây vào nghiệm thức có stress nóng. Do vậy, người ta kết luận rằng cây ớt có gen CaWRKY27 sẽ là nguồn vật liệu cung cấp tính trạng phản ứng tốt với stress do nhiệt độ nóng. Xem Frontiers in Plant Science.

Hình 1: CaWRKY27 được phiên mã sau khi bị sốc nhiệt trong cây ớt (Dang et al. 2018). 

CRISPR-CAS9 chỉnh sửa gen kháng sâu đục trái bông làm cho nó không kháng thuốc

Sâu đục trái bông (cotton bollworm: Helicoverpa armigera) là dịch hại chính của hơn 300 loài cây trồng thuộc 68 họ thực vật. Sâu này kháng được thuộc diệt sâu đối với hầu hết các thuốc hóa học, người ta phải xác định cơ chế của nó trong việc giải độc những phytochemicals như vậy và những insecticides phổ biến. Đây là nội dung quan trọng để quản lý dịch hại sâu đục trái bông.  Yidong Wu và ctv. thuộc Nanjing Agricultural University, Trung Quốc,  đã sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9 nhằm “knockout” một chùm gen bao gồm 9 gen P450 trong sâu đục trái bông thông qua chuyển nạp trực tiếp bằng kỹ thuật vi tiêm vào phôi (embryo microinjection). Chủng nòi “knockout” (strain) được xử lý với nhiều “phytochemicals” và “synthetic insecticides” khác nhau, bao gồm xanthotoxin, gossypol acetate, 2-tridecanone, coumarin, nicotine, esfenvalerate, indoxacarb, emamectin benzoate, và chlorantraniliprole. Sự thể hiện gen cũng được xác định thông qua kỹ thuật qRT PCR. Kết quả cho thấy mức độ sống sót của sâu giảm đáng kể với cách làm knockout như vậy khi cho vào nghiệm thức “phytochemicals” và “insecticides”. CRISPR-Cas9 đã được minh chứng là công cụ hiệu quả giúp chúng ta quản lý sâu kháng thuốc “insecticide” như trường hợp sâu đục trái bông. Xem Nature.

Áp dụng chỉnh sửa gen trong cây cải rổ (Chinese Kale)

Rau cải thuộc chi Brassica là nhóm có giá trị kinh tế rất quan trọng thông qua giá trị dinh dưỡng của chúng. Nội dung chỉnh sử hệ gen bằng CRISPR-Cas9 đã minh chứng rằng đây là công cụ hiệu quả cho nhiều loài cây trồng, nhưng chưa được áp dụng trên họ Thập Tự (cải). Lần đầu tiên, Haoru Tang và đồng nghiệp thuộc Sichuan Agricultural University, Trung Quốc, đã chúng minh tính khả thi của kỹ thuật CRISPR-Cas9 trong chỉnh sửa gen cây cải rổ (Chinese kale), một chi Brassica làm rau quan trọng vì mùi vị và mức độ thể hiện cao chất antioxidants của nó, cũng như hợp chất anticarcinogenic (chống ung thư), bao gồm vitamin C, carotenoids, phenolics tổng số, và glucosinolates. Họ tập trung vùng gen đích phytoene desaturase (PDS), phục vụ cho nội dung chỉnh sửa thông qua CRISPR/Cas9 bởi vì khi làm xáo trộn vùng gen này sẽ dẫn đến kết quả kiểu hình bạch tạng (albino phenotype), rất dễ dàng nhận diện ra. Các gen đồng hợp tử PDS là BaPDS1 và BaPDS2 được đánh dấu đích đến trong nghiên cứu thông qua chuyển nạp gián tiếp nhờ vi khuẩn Agrobacterium. Có hơn 3/4 cây cải bị đột biến, trong đó, một phần năm đột biến cả hai gen đồng hợp tử và có hơn một nửa là một trong gen đồng hợp tử bị đột biến. Như vậy, tính khả thi của kỹ thuật chỉnh sửa gen nhờ hệ thống CRISPR-Cas9 đã được chứng minh đối với trường hợp cây cải rổ và nhóm cây ăn rau thuộc chi Brassica. Xem Nature.

CRISPR-CAS9 chỉnh sửa gen kháng virus của cây trồng

 Virus ký sinh trên thực vật ví dụ như  Geminiviridae đã gây ra tổn thất to lớn cho cây trồng và tổn thất kinh tế cho nông nghiệp. Rất không may mắn là, những kỹ thuật như “pathogen-derived resistance” và kỹ thuật “RNA interference” cho kết quả vô cùng chậm chạp để dẫn đến thành công. Với tốc độ phát triển rất nhanh của công nghệ CRISPR-Cas9, Caixia Gao và đồng nghiệp thuộc University of Chinese Academy of Sciences, đã tận dụng những ưu điểm của công nghệ nói trên, để cải tiến tính kháng virus của cây trồng. Nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí BMC Genome Biology. Lần đầu tiên họ xác định được ảnh hưởng của đột biến không chủ đích về tính kháng virus của cây, sau đó, họ đã thiết kế hai vectors có tên là “virus-inducible CRISPR/Cas9” để làm ngưng lại sự tích tụ của quần thể virus BSCTV (beet severe curly top virus) làm xoăn đọt lá cây thuốc lá và cây Arabidopsis thông qua kết quả thể hiện “transient” rất bền vững. Không có đột biến không chủ đích (off-target mutations) trong hệ thống chỉnh sửa hệ gen này. Xem BMC Genome Biology.

Sử dụng CRISPR-CAS9 nhằm khai thác chức năng của auxins

 Auxin là một hormone thực vật điều hóa sự tăng trưởng của thực vật và sinh lý thực vật. Nghiên cứu vị trí và cơ chế của việc sản sinh ra auxin của Anna Stepanova (ảnh) và ctv. thuộc NC State University; nhằm thực hiện mục đích kiểm soát chính xác khi nào và lúc nào hormone này thể hiện sao cho kỹ thuật chỉnh sửa gen có thể được áp dụng có hiệu quả, sử dụng những cơ chất (substances), ví dụ như các toxins để tiêu diệt sâu hại cây. Bà Anna Stepnova đã giải thích hiện tượng có thuật ngữ khoa học là "leakiness," (lỗ hổng) là xu hướng của một gen nào đó thể hiện ở mô không chủ đích của gen ấy (non  targeted tissues). Sử dụng công nghệ  CRISPR-Cas9, Bà tiến hành “turn on and off” (bật mở và bật tắt) nội dung sản sinh ra auxin trong những phần cơ quan thuộc cây trồng, đặc biệt là rễ cây, trạng thái bắt buộc. Bên cạnh đó, Bà tiến hành viết giáo trình ĐH với thao tác trong phòng thí nghiệm chuyên về kỹ thuật này và những trắc nghiệm phục vụ cho nghiên cứu auxin. Bà sa8a4n sàng trao đổi và chia sẻ kiến thực cho các đồng nghiệp trẻ tuổi. Xem NC State University.

Hệ gen của các loài nấm nổi tiếng là bí mật của hương liệu dầu thơm

Một “consortium” quốc tế, đứng đầu là Francis Martin và ctv. thuộc “French National Institute for Agricultural Research” (INRA), “Genoscope”, Pháp và “University of Torino”, Canada, cùng với các nhà khoa học khác của U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), đã hình thành nên một nội dung kiến thức mới về cách sống của loài nấm ăn có hương vị đặc biệt “ectomycorrhizal” (ECM) (truffle-forming species). Họ thực hiện phân tích tám loài nấm Pezizomycete, bao gồm bốn loài “prized” được cho là cao lương mỹ vị (delicacies). Những loài nấm rất đắt đỏ ấy lại có chức năng vô cùng quan trọng cho hệ sinh thái đất. Nấm ăn có hương vị đặc biệt (truffles) là thức ăn chính của nấm công sinh ECM (fungal symbionts) cư trú trên rễ cây chủ. Hệ gen của nấm được giải trình tự theo phương pháp “JGI de novo”với hai loài nấm truffle: Pig truffle (Choiromyces venosus) và Desert truffle (Terfezia boudieri), cũng như hai loài khác Pezizomycetes nhưng không hình thành nên truffles: đó là Ascobolus immersus và Morchella importuna. Bốn genomes này so sánh với genome của “Piedmont white truffle” (Tuber magnatum) được chú thích trình tự (annotated) nhờ “JGI's pipeline”. Genome của nấm Burgundy Truffle (T. aestivum) cũng được giải trình tự bằng Genoscope. Công trình này được xem như là nền tảng đầu tiên bao gồm genome của nấm ECM (Laccaria bicolor, giải trình tự trước đây 10 năm rồi bởi Viện JGI), và genome nấm truffle đầu tiên (T. melanosporum) được giải trình tự bởi Genoscope. Nhóm các nhà khoa học này có kinh nghiệm với hệ gen của  L. bicolor và T. melanosporum mà sự cộng sinh của ECM được tiến hóa bởi sự mất khá lớn của các gen có trong hệ enzyme phân giải thành tế bào (CAZymes), sự cách tân de novo của những protein có chức năng thông tin, ví dụ như những protein bài tiết rất bé kích hoạt những mycorrhiza để kiểm soát tính miễn dịch của cây chủ. Nhóm nghiên cứu này tìm thấy khoảng 50 phân tử là chất cho mùi thơm điển hình (typical fragrance) tùy theo loài nấm truffles. Các gen này có trong sinh tổng hợp chất tạo mùi thơm rất năng động theo những nghiên cứu về nấm truffles, cho phép sản xuất ra những phân tử đặc biệt tương ứng với từng nhóm mùi thơm khác nhau, bao gồm hợp chất có gốc sulfur. Thành phần có mùi thơm đặc biệt này của từng loài nấm truffles là kết quả của hoạt động rất khác biệt nhau của những gen ấy khi đậu quả. Xem INRA (French) và JGI.

Hình: Nấm Choiromyces venosus (Pig truffle)

Hình: Nấm Laccaria bicolor