Gen ZmNBS25 của cây bắp có chức năng kháng bệnh cho nhiều loài cây trồng khác

 Protein NBS-LRR (Nucleotide-binding site-leucine-rich repeat) là những sensors có tính chất miễn dịch và đóng vai như tính kháng bệnh cho cây. Các nhà khoa học thuộc Anhui Agricultural University, Trung Quốc vừa định tính một gen mới mã hóa NBS-LRR trong cây bắp, đó là gen ZmNBS25. Họ tìm thấy gen ZmNBS25 có thể đáp ứng với sự chủng bệnh “nguồn vật thể gây bệnh” (pathogen) và nghiệm thức xử lý salicylic acid (SA) trong cây bắp. Bên cạnh đó, sự thể hiện mạnh mẽ của gen ZmNBS25 trong cây thuốc lá đã kích thích một sự đáp ứng có tính chất siệu nhạy cảm (hypersensitive). Gen ZmNBS25 thể hiện mạnh mẽ trong cây Arabidopsis và cây lúa cho kết quả hàm lượng SA cao hơn rất nhiều so với đối chứng. Thông qua kích hoạt sự thể hiện của các gen có chức năng phản ứng tự vệ, gen ZmNBS25 thể hiện mạnh mẽ trong những dòng transgenic, đã tăng cường tính kháng bệnh của cây Arabidopsis đối với vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. tomato và cây lúa đối với bệnh đốm vằn. Bên cạnh đó, còn co một chút thay đổi về kích cỡ hạt và khối lượng 1.000 hạt giữa những dòng lúa thể hiện mạnh mẽ gen ZmNBS25 so với đối chứng. Kết quả cho thấy gen ZmNBS25 có chức năng như một gen kháng bệnh khi chuyển nó vào các loài cây trồng khác. Xem chi tiết trong tạp chí Frontiers in Plant Science.

Hình 1: So sánh ZmNBS25 với những protein khác có chức năng kháng bệnh

Điều tiết kiểu “up” và sinh tổng hợp lipid làm tăng hàm lượng dầu của cây cao lương

Việc sản sinh ra lipid dự trữ “triacylglycerol” trong mô thực vật tăng trưởng đã gợi ra một chiến lược nghiên cứu đầy triển vọng để đáp ứng được nhu cầu dầu thức vật trên toàn thế giới. Cây cao lương (Sorghum bicolor) cây cây trồng mục tiêu rất hấp dẫn do năng suất sinh khối cao của nó, kháng hạn và quang hợp theo hệ thống C4. Khi hàm lượng dầu hạt ví dụ như triacylglycerol đã được thao tác kỹ thuật di truyền trong cây C3 như thuốc lá, thì tiến bộ này trong cây C4, một lá mầm vẫn còn tương đối ít. Những nhà khoa học của CSIRO (Agriculture and Food in Australia), Úc, mong muốn cải tiến cây cao lương sao cho mô lá tích tụ triacylglycerol tốt hơn.

Họ cho thể hiện mạnh mẽ thành công các gen mã hóa protein TF trong phiên mã cây bắp – gen WRI1, gen UrDGAT2a acyltransferasetừ hệ gen vi nấm Umbelopsis ramanniana và gen mã hóa protein Oleosin‐L (body protein) của cây mè (Sesamum indicum). Sự thể hiện mạnh mẽ 3 gen ấy dẫn đến sự điều tiết kiểu “up” sinh tổng hợp lipid trong cây cao lương transgenic được quan sát. Kết quả sự thể hiện của những cây transgenics với hàm lượng dầu tăng, được quan sát và các giọt dầu (lipid droplets) trong tế bào diệp nhục ở lá (leaf mesophyll) cũng vậy. Đây là bước thành công đầu tiên dẫn đến tạo ra giống cao lương trở thành cây cho dầu có sinh khối rất cao. Xem Plant Biotechnology Journal.

Gen của đậu nành điều khiển tính kháng stress do mức độ kiềm rất cao

 Sucrose non-fermenting related protein kinases (SnRKs) có vai trò quan trọng trong tăng trưởng và phát triển của thực vật, đồng thời có chức năng trong biến dưỡngvà kháng với stress do ngoại cảnh gây ra. Hệ gen cây đậu nành có bốn gen SnRK1, trong đó, gen GmSnRK1.1 và GmSnRK1.2 có tính chất “predominant” và có trong nhiều phản ứng với stress. Muốn nghiên cứu chức năng của các gen như vậy trong phản ứng với ABA và alkaline stress (mức độ kiềm cao), nhóm các nhà khoa học thuộc Northeast Agricultural University, Trung Quốc, đã sử dụng hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 để knock-out cả hai gen GmSnRK1.1 và GmSnRK1.2. Phân tích hệ gen cây đậu nành đã được chỉnh sửa rồi cho thấy: cả hai gen này được knockout thành công 48,6% trên rễ lông tơ (hairy roots). Nhpo1m nghiên cứu đứng đầu là Hui Qing Li, còn sáng tạo ra cây có nhiều rễ lông (hairy roots) thể hiện mạnh mẽ gen GmSnRK1. Cây nguyên thủy, dòng đậu nành knockout, và dòng thể hiện mạnh mẽ gen đích đều được xử lý trong nghiệm thức “abscissic acid” trong vòng 15 ngày. Kết quả của cây nguyên thủy và cây thể hiện mạnh mẽ GmSnRK1 trong rễ đã ức chế đáng kể so sánh với các rễ bị “double-knockout”. Rễ thề hiện mạnh mẽ còn cho thấy chiều dài ngắn hớn và khối lượng rễ tương ít hơn. Tuy nhiên, sau khi trắc nghiệm như vậy, với sodium bicarbonate trong 15 ngày, tăng trưởng của rễ “double-knockout” bị ức chế đáng kể so với cây nguyên thủy và rễ cây thể hiện mạnh mẽ gen GmSnRK1. Như vậy knockout gen GmSnRK1.1 và GmSnRK1.2 không những làm cải tiến sự nhạy cảm của rễ lông tơ đối với ABA, mà còn làm thấp[ đi tính kháng với alkaline stress. Xem Europe PMC.

Gen FaTM6 điều khiển sự phát triển của hoa cây dâu tây

 Lớp phân nhóm thuộc “B-class” của protein TF là “MADS-box” đã và đang được người ta nghiên cứu trên nhiều loài thực vật, nhưng chưa hề được thực hiện trên họ cây Rosaceae. Gen APETALA3 (AP3), một gen thành viên của lớp này, được người ta biết đến như  để điều khiển cánh hoa và nhị đực của cây Arabidopsis thaliana. Carmen Martín-Pizarro và các đồng nghiệp thuộc Universidad de Malaga, Tây Ban Nha, đã tiến hành nghiên cứu nhằm tìm hiểu kỹ vai trò của AP3 trong giống dâu tây trồng trọt (Fragaria × ananassa) thông qua nghiên cứu AP3 member, FaTM6. Hệ thống CRISPR-Cas9 được sử dụng, các nhà khoa học này  thực hiện knockout gen FaTM6 để định tính chức năng của FaTM6 trong nội dung phát triển hoa dâu tây như thế nào. Phân tích tại các đích đến cho thấy sự hiệu quả của kỹ thuật chỉnh sửa gen ở thế hệ T0. Kiểu hình của những dòng T0 cho thấy gen FaTM6 có vai trò chủ yếu trong hình thành cánh hoa đặc biệt là sự phát triển bao phấn của hóa dâu tây. Đây là một minh chứng khoa học về gen FaTM6 trong phát triển hoa cây dâu tây. Kết quả còn khẳng định rằng CRISPR-Cas9 có thể được áp dụng hiệu quả cho các loài có tính chất “octoploid” ví dụ như dâu tây trồng trọt. Xem University de Malaga website.

OsIPMS1 có trong cường lực hạt giống và cơ chế biến dưỡng năng lượng cây lúa

Cường lực hạt giống là tính trạng nông học cần thiết phục vụ canh tác lúa sạ thẳng. Isopropylmalate synthase (IPMS) được biết là enzyme xúc tác trong giai đoạn quan trọng của tổng hợp leucine (Leu), nhưng ảnh hưởng của nó về cường lực hạt giống vẫn chưa rõ. Các nhà khoa học của Nanjing Agricultural University, đứng đầu là Yongqi He đã nghiên cứu vai trò của gen trong cây lúa OsIPMS1 và OsIPMS2 đối với cường lực hạt giống.  Cả hai gen OsIPMS1 và OsIPMS2 có chức năng xúc tác sinh tổng hợp Leu, và phản ứng ngược lại Leu ức chế hoạt động của chúng. Sự đột phá của OsIPMS1 thông qua hệ thống CRISPR-Cas9 cho kết quả là: cường lu65c hạt giống thấp đi dưới nhiều điều kiện khác nhau, giảm amino acids trong khi hạt nẩy mầmk. Mười một amino acids có trong tính chống chịu với stress, tổng hợp gibberellic acid và chu trình tricarboxylic acid đều giảm đi đáng kể trong dòng đột biến osipms1 so sánh với đối chứng khi hạt nẩy mầm. Có tất cả 1.209 gen thể hiện rất khác nhau (differentially expressed genes: DEGs) được tìm thấy có trong dòng đột biến osipms1a, hầu hết có trong tiến trình phân giải glucose (glycolysis), protein, pyruvate, carbon, fructose và biến dưỡng mannose. Phân tích sâu hơn cho thấy  vai trò của gen OsIPMS1 trong cường lực hạt giống khi phân giải tinh bột (starch hydrolysis), hoạt động glycolytic và các mức độ năng lượng khác nhau khi hạt nẩy mầm. Nghiên cứu này cho tthấy chức năng của gen OsIPMS1 đối với cường lực hạt giống và cho thấy con đường cải tiến giống lúa mong muốn. Xem Plant Biotechnology Journal.

Phát triển hệ thống CRISPR của các nhà khoa học Trung Quốc

Hệ thống CRISPR-Cas9 được sử dụng ngày càng phổ biến nhằm tạo ra đốt biến có chủ đích của mợt giống hay loài cây trồng nào đó. Trong cây Arabidopsis, CRISPR gắn liền với tế bào được chỉnh sửa trong đó, Cas9 protein không hoạt động để thu nhận các dòng đột biến có khả năng di truyền và ổn định. Các nhà khoa học của  Đại Học Fudan đã thiết kế ra một hệ thống cải tiến CRISPR-Cas9, đặc tên là MSC (meiocyte-specific CRISPR-Cas9). Trong hệ thống này, sự thể hiện của protein Cas9 được dẫn dắt bởi promoter đặc biệt có tính chất “meiocyte”. Đứng đầu nhóm nghiên cứu là Penghui Xu, đã xác định đích đến của hai gen nội sinh, gen AtDET2 của giai đoạn tăng trưởng và gen AtDMC1 của giai đoạn phát dục Ở thế hệ T1, những cây dị hợp tử đối với gen đích được ghi nhận với hiệu quả rất cao. Trong khi đó, cây đồng hợp tử lại nhiều ở thế hệ T2. Họ sáng tạo ra hệ thống tự chết (suicide-MSC system), hệ thống này có thể chỉnh sửa gen đích nội sinh và gen Cas9 ngoại sinh cùng một lúc, duy trì các alen đột biến bền vững đối với mục tiêu nghiên cứu. Có hai hệ thống mới cho chúng ta một tiếp cận mới để phát sinh ra đột biến đối với gen có chức năng mà mình muốn nghiên cứu. Xem Frontiers in Plant Science.

Hình 2: Đột biến có chủ đích rất hiệu quả đối với gen  AtDET2 được chỉnh sửa bởi hệ thống MSC trong cây Arabidopsis.