5G trong cải tiến giống cây trồng

Nguồn: Rajeev K Varshney, Pallavi Sinha, Vikas K Singh, Arvind Kumar, Qifa Zhang, Jeffrey L Bennetzen. 2020. 5Gs for Crop Genetic Improvement.  Curr Opin Plant Biol. 2020 Jan 28; S1369-5266(19)30119-0.

Người ta đã đề nghị một phương pháp tiếp cận 5G phục vụ nội dung chọn tạo giống, đối với mục tiêu làm thay đổi nhiều nhất có thể bằng những đột phá di truyền, phục vụ cải tiến giống cây trồng. Các nội dung 5Gs này là (1) Genome assembly (tổng hợp hệ gen), (2) Germplasm characterization (định tính nguồn vật liệu bố mẹ), (3) Gene function identification (xác định chức năng gen đích), (4) Genomic breeding (GB: cải tiến giống), (5) Gene editing (GE: chỉnh sửa gen). Bài tổng quan này nhấn mạnh đến tính chất quan trọng của tổng hợp hệ gen phải thoả mãn yêu cầu của từng loài cây trồng, và tập đoàn vật liệu bố mẹ cực kỳ phong phú được định tính bằng chuỗi trình tự và đánh giá tính trạng nông học trong “marker-trait associations” (phối hợp tính trạng với marker) và những haplotypes ưu việt. Sinh học hệ thống (systems biology) và phương pháp lập bản đồ di truyền dựa trên kết quả đọc trình tự (sequencing-based mapping approaches) có thể được vận dụng để phân lập gen mục tiêu, bao gồm các chu trình dẫn đến biểu hiện tính trạng mong muốn, nhờ vậy, người ta cung cấp những chỉ thị phân tử mang tính chất chẩn đoán tính trạng mong muốn ấy. Các gen, markers, haplotypes, và cơ sở dữ liệu genome-wide sequencing có thể được áp dụng trong GB và GE kết hợp với chiến lược chọn tạo giống mà thời gian được rút ngắn hơn so với pp kinh điển.

Xem: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369526619301190?via%3Dihub

Chỉnh sửa gen theo hệ thống CRISPR Cas9 cho cây đơn tử diệp

Nguồn: Jin-Jun Yue, Chwan-Yang Hong, Pengcheng Wei, Yu-Chang Tsai, Choun-Sea Lin. 2020. How to Start Your Monocot CRISPR/Cas Project: Plasmid Design, Efficiency Detection, and Offspring Analysis. Rice N.Y., 2020 Feb 3;13(1):9.  doi: 10.1186/s12284-019-0354-2.

Sự bùng phát của hệ thống CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat)/Cas9, trong công nghệ chỉnh sửa hệ gen (hay gen) đã và đang dẫn dắt chúng ta  đến kết quả tiến bộ vô cùng to lớn trong nghiên cứu loài cây trồng đơn tử diệp. Tuy nhiên, nhiều yếu tố cần phải được xem xét để thực hiện có hiệu quả hơn. Muốn tạo ra giống cây trồng được chỉnh sửa gen, người ta cần phân tử single guide (sg)RNA và Cas9 DNA trong tế bào thực vật và được biểu hiện ra rõ ràng, vị trí đích được dự đoán chính xác. Phân tích đột biến có chủ đích thành công đã và đang thể hiện được mức độ biểu hiện khác nhau, thời gian biểu hiện, và những biến thể của cả hai sgRNA và Cas9 cần phải được điều chỉnh tinh tế hơn; do đó, những promoters của các gen nghiên cứu cũng như vị trí đích đều klà những yếu tố chủ chốt (key factors) của hiểu quả chỉnh sửa gen. Hiện nay, nhiều vectors khác nhau và nhiều công cụ (online tools) sẵn sàng hỗ trợ cho việc thiết kế sgRNA. Hơn nữa, muốn giảm thiểu sự hạn chế của trình tự PAM (protospacer adjacent motif) cũng như các mục tiêu khác, người ta tạo ra những biến thể của Cas protein và  base editors đê có thể sử dụng cho cây. Trước khi chuyển nạp gen chỉnh sửa vào cây một cách ổn định, người ta phải đánh giá các vectors, điểm đến chính xác; do đó, đây là những nội dung rất quan trọng. Sự phóng thích của những Cas9-sgRNA ribonucleoproteins (RNPs) là một chiến lược có thể được áp dụng cho việc ngăn ngừa transgene biểu hiện sgRNA và Cas proteins. Phân tử RNPs có thể làm cho hiệu quả sử dụng tốt hơn cho cây trồng chỉnh sửa gen không có transgene, làm giảm transgene liên quan đến thế hệ con lai của sinh vật biến đổi gen. Theo tổng quan này, người ta giới thiệu những kỹ thuật mới phục vụ genome editing và xác định được  những đột biến không có marker chọn lọc trong cây đơn tử diệp. Bốn chủ đề thảo luận bao gồm: (1) thiết kế plasmids phục vụ chỉnh sửa hệ gen cây một lá mầm; (2) khả năng thay thế SpCas9; (3) protoplasts và CRISPR; (4) thanh lọc biến thể CRISPR/Cas9 không có marker. Người ta nhắm đến việc hoàn thành môt spectrum đầy đủ nhất của thông tin về chỉnh sửa gen cây một lá mầm.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6997315/pdf/12284_2019_Article_354.pdf

Tương tác gen điều khiển bệnh bạc lá lúa

Nguồn: Nan Jiang, Jun Yan, Yi Liang, Yanlong Shi, Zhizhou He, Yuntian Wu, Qin Zeng, Xionglun Liu , Junhua Peng. 2020. Resistance Genes and Their Interactions With Bacterial Blight/Leaf Streak Pathogens (Xanthomonas oryzae) in Rice (Oryza sativa L.)-an Updated Review. Rice 13:3, 2020

Cây lúa (Oryza sativa L.) làloài cây lương thực căn bản nuôi sống hơn 50% dân số thế giới. Bênh do vi khuẩn, nấm và siêu vi thường xuyên đe dọa sản lượng thóc toàn cầu  dẫn đến thất thoát năng suất nghiêm trọng. Bệnh bạc lá lúa (BB) và bệnh vi khuẩn sọc trong (BLS), do vi khuẩn gram âm Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) và Xanthomonas oryzae pv. oryzicola (Xoc), theo thứ tự, là hai bệnh quan trọng tác dộng xấu đến sản lượng lúa gạo của thế giới. Vì tính chất quan trọng về kính tế như vậy, nghiên cứu về di truyến tính kháng và hệ gen đã và đang được thực hiện đề làm rõ cơ chế phân từ của phản ứng cây lúa đối với Xoo và Xoc trong suốt hai thập kỷ qua. Tập họp các gen kháng (R) và gen tương tác tương ứng của vi khuẩn ( với cognate avirulence và virulence effector) được định tính một cách khoa học. Hung kết quả gần đây nhất đã được tổng hợp về tương tác giữa ký sinh và ký chủ thông qua gen kháng R hoặc những sản phẩm của chúng và các effectors. Chiến lược chọn tạo giống lúa cao sản kháng bệnh bền vững, phổ kháng rộng đối với Xanthomonas oryzae trên cơ sở những nghiên cứu đã được công bố trên thế giới, được thảo luận khá hệ thống.

Xem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6949332/

CYP81E22, gen điều khiển nhạy cảm với thuốc cỏ bentazon trong canh tác đậu nành

Nguồn: Shin Kato, Yuko Yokota, Rintaro Suzuki, Yukiko Fujisawa, Takashi Sayama, Akito Kaga, Toyoaki Anai, Kunihiko Komatsu, Nobuhiko Oki, Akio Kikuchi & Masao Ishimoto. 2020.  Identification of a cytochrome P450 hydroxylase, CYP81E22, as a causative gene for the high sensitivity of soybean to herbicide bentazon. Theoretical and Applied Genetics July 2020; vol. 133:2105–2115

Một “frame shift” bao gồm phân tử mất đoạn đơn base của gen mã hóa protein, tên là cytochrome P450 hydroxylase, gen CYP81E22, làm mất đi tính chất độc của bentazon trong cây đậu nành. Bentazon là thuốc cỏ vô cùng hiệu quả trong canh tác đậu nành, thuốc có tính chất hậu nẩy mầm để kiểm soát cỏ lá rộng. Tuy nhiên, một vài giống đậu nành vô cùng nhạy cảm với thuốc cỏ bentazon, thuốc cỏ giết chết luôn  cây đậu nành. Theo nghiên cứu này, gen có liên quan đến tính trạng nhạy cảm với thuốc đã được phân lập, và tìm thấy trên bản đồ di truyền ở nhiễm sắc thể 16, vùng mục tiêu được thu hẹp lại còn 257-kb, nơi đó,  ba gen mã hóa cytochrome P450 định vị. Ba gen này, có một deletion mang tính chất một base đơn độc mang tên cytosine ở vùng mật mã di truyền của Glyma.16G149300, CYP81E22, tại vị trí + 1465 bp downstream tính từ vị trí bắt đầu dịch mã, dẫn đến frame shift trong phân tử ORF (open reading frame) và tạo ra một  stop codon mang tính chất premature (chưa hoàn toàn đúng). Chính stop codon này làm mất đi hơn một nửa P450, kết quả là, phân tử còn lại không làm nên chức năng của protein. Phân từ “single-base deletion” này đã rất phổ biến trong giống đậu nành nhiễm thuốc cỏ được sàng lọc di truyền từ tập đoàn giống đậu nành có tến “mini-core collection”; trước đây là những giống nhiễm thuốc cỏ. Bên cạnh đó, người ta sàng lọc các dòng đậu nành từ những vết biểu hiện tại chổ bị kích thích trong thự viện genome giống đậu nành Enrei trên cơ sở kiến trúc 3D tiêu chuẩn của protein CYP81E22. Hung dòng đậu nành là biến thể của Glyma.16G149300 rất nhạy cảm với bentazon, chúng minh rằng  Glyma.16G149300 là gen phản ứng với độ nhạy cảm rất cao đối với thuốc cỏ bentazon.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03580-6

Lúa biến đổi gen làm giảm áp huyết cao trên chuột

Nguồn: American Chemical Society - June 24, 2020. Transgenic rice lowers blood pressure of hypertensive rats.

Trong tương lai, chữa bệnh cao huyết áp người sẽ trở nên giản đơn bằng cách ăn cơm với một muỗng gạo biến đổi gen. "Liệu pháp" này có thể tạo ra ít hơn ảnh hưởng phụ (side effects) so với uống thuốc. Bước một, các nhà nghiên cứu báo cáo trong tạp chí ACS' Journal of Agricultural and Food Chemistry về giống lúa transgenic có chứa rất nhiều anti-hypertensive peptides. Nghiệm thức xử lý chuột bệnh cao huyết áp, chúng ăn cơm của giống lúa với  hiệu quả làm giảm huyết áp của chúng. Huyết áp cao còn được gọi bằng thuật ngữ hypertension, là yếu tố gây chết người thầm lặng chủ yếu hiện nay trên thế giới, ảnh hưởng đến đột quỵ và nhồi cơ tim. Nhóm thuốc được bệnh nhân sử dụng khá đa dạng (synthetic drugs) xử lý hypertension, được gọi chung là ACE inhibitors, nhắm vào men angiotensin converting enzyme (viết tắt là ACE), có trong quá trình điều tiết áp suất máu. Tuy nhiên, ACE inhibitors thường gây ra ảnh hưởng phụ như ho khan, nhức đầu, ngứa ngoài da và làm xấu hoạt động của quả thận. Trái lại, ACE inhibitors trong thiên nhiên được tìm thấy trong lương thực. thực phẩm nhu sữa, trứng, cá, thịt và cây xanh, có thể ít ảnh hưởng phụ hơn rất nhiều. Nhưng việc làm thuần khiết với số lượng lớn các ACE-inhibitory peptides như vậy từ lương thực rất đắt tiến và tốn thời gian. Le Qing Qu và cộng sự đã mong muốn tạo ra giống lúa biến đổi gen làm lương thực cho bệnh nhân cao huyết áp, tạo ra hỗn hợp ACE-inhibitory peptides từ nguồn thức ăn tự nhiên. Nhà nghiên cứu du nhập vào hệ gen cây lúa một gen ngoại lai có chứa chín ACE-inhibitory peptides và một peptide có ảnh hưởng làm thư giản mạch dẫn máu (blood-vessel-relaxing peptide), chúng gắn kết với nhau, xác định rằng cây lúa biểu hiện những peptides ấy rất cao. Họ tách chiết protein tổng số (bao gốm peptides nói trên) từ cây lúa transgenic rồi xử lý cho chuột ăn. Hai giờ sau khi thử nghiệm, những con chuột áp huyết cao biểu thị huyết áp giảm xuống, trong khi nghiệm thức xứ lý bằng cơm gạo bình thường không có hiện tượng này. Xử lý chuột suốt 5 tuần với bột gạo từ cây lúa chuyển gen cũng làm giảm huyết áp rõ ràng, ảnh hưởng này tiếp tục duy trì suốt một tuần sau đó. Chuột thử nghiệm không bị ảnh hưởng phụ trong chỉ số tăng trưởng, phát triển hoặc chỉ tiêu hóa sinh khác của máu. Nếu những peptides ấy có cùng ảnh hưởng trên người, các nhà nghiên cứu khuyến cáo rằng: người ta sẽ cần 150-pound cho người lớn để ăn mỗi bữa cơm – có nghĩa là bằng một nửa muỗng canh hàm lượng cơm mỗi ngày là đủ để ngăn ngừa và xử lý cao huyết áp.

Xem https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200624082715.htm