Giải mã trình tự hệ gen sâu Spodoptera frugiperda

Một “consortium” quốc tế đã giải mã trình tự hệ gen côn trùng cánh vẩy (moth) từ superfamily Noctuoidea: sâu Spodoptera frugiperda, tên tiếng Anh là “fall armyworm” (hình). Không giống những loài sâu ăn lá khác, con armyworm này có tính chất ăn tạp rất mạnh mẽ (polyphagous), tấn công hàng trăm loài cây trồng khác nhau, bao gồm bắp, lúa, cao lương, bông vải và đậu nành (sâu ăn tạp). Thoạt tiên các nhà khoa học này phân tích các nhóm gen quan sát trên ký chủ, cho phép chúng tấn công và cho phép chúng đẻ trứng. Họ nhận thấy có một sự phát triển rộng số gen (230 so với 45-74 trong các loài khác thuộc Lepidoptera) mã hóa một loại hình protein nào đó đóng vai trò receptor “vị ngon” (taste receptor). Các phân tử receptors này định vị trên vòi miệng của sâu (trump hay proboscis) hoặc ở chân của chúng, cho phép chúng phát hiện toxins hoặc hợp chất có vị đắng do cây tiết ra. Chỉ có loài côn trùng này có công cụ “taste receptor” như vật, rất phát triển, như bọ rùa đó (red flour beetle), tấn công nhiều loài cây lương thực phổ rộng.  Các nhà khoa học phát hiện ra sự phát triển của hai đến bốn họ gen chủ lực đối với khả năng giải độc (detoxification); mã hóa cytochrome P450s (CYP) hoặc glutathione-S-transferases (GST). Các gen như vậy giúp sâu kháng được thuốc trừ sâu. Họ còn mô tả một nhóm gen khác có chức năng tiêu hóa các mô thực vật. Xem Institut National de la Recherche Agronomique.

Sự thể hiện mạnh mẽ gen OsERF48 tăng cường phát triển rễ trong điều kiện cây lúa bị khô hạn

 Họ protein AP2/ERF là một yếu tố phiên mã rất chuyên biệt của thực vật với tiến trình hoạt động có tính chất phát triển và chống chịu stress. Nhóm nghiên cứu của Harin Jung thuộc Đại Học Quốc Gia Seoul, South Korea đã nghiên cứu gen OsERF48 điều khiển tiến trình hoạt động của protein nói trên khi bị khô hạn. Khi gen OsERF48 thể hiện mạnh mẽ trong cây lúa thông qua ROXOsERF48 chuyên biệt đối với rễ lúa hoặc or OXOsERF48 chuyên biệt trên toàn thân cây lúa, dòng lúa transgenic này biểu hiện rễ dài và phát triển nhiều hơn so với đối chứng. Khi cây được trên nghiệm thức môi trường có chứa 40% polyethylene glycol-infused medium dưới điều kiện bị khô hạn, nhưng cây ROXOsERF48 có rễ tăng trưởng mạnh hơn rất nhiều so với cây OXOsERF48 và đối chứng. Hơn nữa, cây ROXOsERF48 cho năng suất cao hơn cây OXOsERF48 và đối chứng dưới điều kiện khô hạn ở ngoài đồng. Nhóm nghiên cứu này đặt giả thuyết rằng có 20 gen liên quan đến khô hạn, phối hợp với sự thể hiện của OsERF48. Các gen ấy bao gồm chức năng truyền tín hiệu khi bị stress và phản ứng với khô hạn, đó là gen OsCML16, một gen chủ lực trong sự truyền tín hiệu calcium khi cây bị stress phi sinh học, mà stres này có liên quan trực tiếp đến OsERF48. Điều đó chứng minh rằng OsERF48 điều tiết gen OsCML16, làm tăng cường sự tăng trưởng rễ lúa giúp nó chống chịu tốt với khô hạn. Xem Plant Biotechnology Journal.

MuMADS1 và MaOFP1 điều khiển chất lượng quả cà chua

Sự chín của quả cà chua và phẩm chất quả được biết do sự điều tiết các yếu tố phiên mã theo một cách thức nào đó. Những nghiên cứu trước đây cho rằng protein “MADS-box” của cây chuối  có tên là MuMADS1 tương tác với họ protein “ovate”, có tên thông dụng là MaOFP1, để điều hòa  sự chín của quả chuối. Nhóm nghiên cứu của Juhua Liu thuộc Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences đã sử dụng kỹ thuật chuyển nạp gen và xác định phân tử transcript để nghiên cứu vai trò của MuMADS1 và MaOFP1 trong sự điều hòa phẩm chất quả cà chua.  Sự đồng thể hiện gen MuMADS1 và MaOFP1 trong đột biến “ovate” có thể phục hội lại hình dạng quả cũng như phẩm chất bên trong của quả cà chua, ví dụ như độ cứng của quả, chất đặc dạng hóa tan của quả và hàm lượng đường. Số gen thể hiện có tính chất chuyên biệt ấy (DEGs: differentially expressed genes) giữa giống nguyên thủy (wildtype) và giống đột biến “ovate” là  1.395 gen so với 883 gen điều tiết kiểu UP và 512 gen điều tiết kiểu DOWN. Tuy vậy, số gen  DEGs giảm dần khi  cà chua “ovate” được lại thành MuMADS1 và MaOFP1. Sự thể hiện của gen có liên quan đến biến dưỡng tinh bột và đường sucrose với kết quả khác nhau trong trưởng hợp có gen MuMADS1 và MaOFP1 được hợp nhất vào trong giống “ovate”. Gen có tính chất biến dưỡng như vậy có teong sinh tổng hợp thành tế bào, điều tiết theo kiểu UP ở giống nguyên thủy, giải thích rằng ca6u1u trúc thịc cứng chắc và hàm lượng đường thấp có trong quả “ovate”. Như vậy MuMADS1 và MaOFP1 là những phân tử “co-regulators” trong phẩm chất quả cà chua. Xem Plant Biotechnology Journal.

Áp dụng hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR-Cas9 trên cải dầu

CRISPR-Cas9 đã và đang là công cụ rất có giá trị phục vụ nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi đối với nhiều loài cây khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp này chưa được áp dụng phổ biến đối với loài thực vật dị tứ bội for (allotetraploid) như cây cải dầu (rapeseed: Brassica napus), một loài cây trồng quan trọng cho dầu làm thực phẩm và gia vị. Các nhà khoa học thuộc “Huazhong Agricultural University”, đứng đầu là Hong Yang, đã xem xét ảnh hưởng đột biến có chủ đích của hệ thống CRISPR-Cas9 đối với 12 gen. Họ xem xét thành phần, mức độ chuyên biệt và mức độ di truyền của các gen nói trên bị cải biên theo chủ đích trong cây B. napus. Kết quả cho thấy: tần suất đột biến treung bình đối với một gen single-gene targeted sgRNA in the T0 generation is 65.3%. Cây đồng hợp tử cũng được tìm thấy trong thế hệ T₀. Tổng số 48,2% cây có gen đột biến, gồm loại hình đồng hợp tử (homozygotes), loại hình “bi-alleles”, và loại hình dị hợp tử (heterozygotes), chúng được di truyền ổn định cho trong  thế hệ T₁ mà không có bất cứ đột biến mới nào xảy ra hoặc bị hoàn nguyên trở lại như cũ. Hơn nữa, không thấy đột biến không mong muốn (off-target sites) trong các cây T₀. Điều này minh chứng CRISPR-Cas9 là công cụ rất hiệu quả để sáng tạo ra sự cải biên mới triong hệ gen có chủ đích tại nhiều loci cùng một lúc của cây cảo dầu. Xem Scientific Reports.

Sự biểu hiện mạnh mẽ CYP85A3 làm tăng sinh khối cây transgenic

Brassinosteroids (BRs) là hormone rất cần thiết đóng vai trò quan trọng trong tăng trưởng thực vật, trong sinh dục và trong phản ứng với stress sinh học, stress phi sinh học. Đối với cây Arabidopsis, gen AtCYP85A2 mã hóa enzyme trong xúc tác bước cuối cùng trong chu trình tổng hợp BR. Nhóm nghiên cứu của Yan-Ji Lin thuộc “Ludong University”, Trung Quốc đã nghiên cứu gen PtCYP85A3, một trong ba gen tường đồng AtCYP85A2 từ cây poplar (Populus trichocarpa). Gen PtCYP85A3 rất giống với gen AtCYP85A2 và có thể được phục hồi sự tăng trưởng chậm của gen cyp85a2-2 trong cây Arabidopsis và cà chua đột biến. Sự thể hiện gen PtCYP85A3 làm tăng mức độ hormone BR thúc đẩy tăng trưởng đáng kể cũng như gia tăng sinh khối của cây cà chua chuyển gen và poplar chuyển gen. So với cây nguyên thủy, chiều cao, khối lượng chồi thân tươi, và năng suất quả tăng đáng kể trong giống cà chua chuyển gen.  Chiều cao cây và đường kính thân  tăng rõ ràng trong cây poplar chuyển gen. Phân tích còn cho thấy sự thể hiện mạnh mẽ gen PtCYP85A3 đã làm tăng sự hình thành mô libe mà không ảnh hưởng gì đến hàm lượng cellulose và lignin, độ dầy chắc của thành tế bào trong cây poplar chuyển gen. Như vậy gen PtCYP85A3 có thể được sử dụng như gen cử cử viên đầy tiềm năng trong công nghệ di truyền tạo ra giống cây tăng trưởng nhanh, có sản lượng gỗ cao. Xem Plant Biotechnology Journal.

THÔNG BÁO

Hội nghị công nghệ sinh học cây mễ cốc và chọn tạo giống

Hội nghị CNSH cây mễ cốc và chọn tạo giống lần thứ Tư (4th Conference of Cereal Biotechnology and Breeding) được tổ chức tại Budapest, Hungary; vào ngày 6-9 tháng Mười Một, 2017. Xem conference website.