Xác định kinases có trong quang tổng hợp theo chu trình CAM của dứa

Sự mở khí khổng vào ban đêm, hấp thu CO₂ và những đặc tính cố định của thực vật thuộc chu trình quang hợp CAM (Crassulacean Acid Metabolism) là những tính trạng mong muốn để có thể chuyển tính trạng ấy có liên quan đến chống chịu khô hạn vào cây C3, ví dụ như lúa nước, lúa mì, khoai tây, đậu đỗ. Protein kinases (PKs) đóng vai trò quan trọng trong tiến trình như vậy. Tuy nhiên, chỉ có một ít PKs đã được người ta nghiên cứu. Zong-Ming Cheng và ctv. thuộc Nanjing Agricultural University đã hoàn thiện cơ sở dữ liệu phân tích RNA để xác định và định tính PKs trong cây dứa. Họ đã xác định có chiều sâu PKs trong quang tổng hợp theo chu trình CAM. Kết quả cho thấy 758 gen mã hóa PK, mà nhóm protein này được phân ra thành 20 nhóm và 116 họ protein tùy theo trình tự domain của chúng.Sự lặp đoạn của gen và sự cắt nối exon theo tuần tự khi cây đáp ứng với stress đã được người ta ghi nhận. Kết quả cho thấy PKs thể hiện hết sức khác biệt nhau trong lá, từ mô này sang mô khác, và PKs thể hiện trong những thời điểm khác nhau của ngày. Những PKs này có thể có vai trò trong quang tổng hợp theo chu trình CAM. Xem BMC Plant Biology.

Thể hiện gen chống chịu khô hạn của cây đu đủ

Đu đủ là cây ăn quả rất giàu dinh dưỡng, đặc biệt là papain, mộ enzyme tiêu hóa được sử dụng phổ biếntrong ngành công nghiệp. Chống chịu khô hạn là tính trạng chưa được người ta nghiên cứu nhiều trong cây ăn quả. Luis Carlos Rodriguez-Zapata và ctv. thuộc Yucatan Center for Scientific Research, Mexico, đã tiến hành nghiên cứu cơ chế chống chịu khô hạn của cây đu đủ thông qua phân tích sự thể hiện của phân tử RNA. Họ sử dụng Illumina-Seq để phân tích sự thể hiện của RNA trong các mô cây đu đủ, ví dụ như lá, nhựa cây, rễ cây dưới nghiệm thức có tưới đầy đủ và khô hạn. Kết quả cho thấy các gen thể hiện rất khác biệt trong những điều kiện thí nghiệm khác nhau ấy. Các protein TF ở rễ và lá đu đủ khi có stress khô hạn đã biểu hiện đáng kể. Đặc biệt là, stress khô hạn trung bình làm cho gen thể hiện có liên quan đến chu kỳ sống của tế bào và nội dung sửa lỗi của DNA (DNA repair) (là và nhựa cây); gen thể hiện có liên quan đến stress phi sinh học, sự truyền tín hiệu hormone, cơ chế biến dưỡng sucrose và sinh tổng hợp suberin (rễ đu đủ). Stress khô hạn nặng làm gia tăng đáng kể sự thể hiện gen có liên quan đến stresss phi sinh học, truyền tín hiệu hormone và sự khử ô xi hóa (oxidation-reduction). Những phát hiện này sẽ giúp cho chúng ta cải tiến giống đu đủ trong tương lai. Xem Scientific Reports.

Phân tử RNAi cải tiến hệ thống CRISPR-Cas9 hiệu quả hơn

Các nhà khoa học hiện tiếp tục cải tiến mức độ hiệu quả của hệ thống CRISPR-Cas9 bằng cách tập trung vào mức độcó tính chất phiên mã. Trái lại, Jian-Kang Zhu và ctv. thuộc Chinese Academy of Sciences đang cố gắng cải tiến hệ thống này thông qua mức độ có tính chất sau khi phiên mã. Họ kích hoạt sự thể hiện của protein p19 protein và làm câm gen mã hóa protein AGO1 có liên quan đến sự can thiện của phân tử RNA. Họ ghi nhận có sự cải tiến sự thể hiện của các thành phần trong hệ thống CRISPR-Cas9 và độ nghiêm trọng các hiện tượng khác nhau trong cây trắc nghiệm. Sự thể hiện các thành phần của CRISPR-Cas9 cao hơn cho phép tần suất chỉnh sửa gen cũng cao hơn, giảm chi phí trong việc tạo ra những mutants để sàng lọc. Hơn nữa, việc chọn lọc bằng mắt thường cũng làm giảm chi phí chọn lọc cây đột biến cùng với nhiều kỹ thuật phân tử khác. Nhìn chung, hệ thống này cung cấp một cách cụ thể nội dung thể hiện gen và chọn lọc cây không có “transgene” trong hệ thống CRISPR-Cas9 ở thế hệ đầu tiên và thế hệ thứ hai, thông qua quan sát bằng mắt thường. Xem BMC Genome Biology.

Sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9 để cải tiến năng suất cây lúa

Số chồi thân là tính trạng quan trọng quyết định năng suất lúa, vì nó quyết định số bông được sản sinh ra. Thông qua sự thể hiện mạnh mẽ và nội dung "knock-out”, Zhongming Fang và ctv. thuộc Huazhong Agricultural University đã tìm thấy gen OsAAP3 điều khiển số chồi thân / bụi và hình thành chồi non cực mạnh trong cây lúa. Gen OsAAP3 mã hóa một protein transporter, rất quan trọng trong vận chuyển chất dinh dưỡng như nitrogen đến các cơ quan khác nhau của cây lúa. Protein OsAAP3 transports Ser, Met, Lys, Leu, His, Gln, Arg, Ala, và Gly từ cơ quan nguồn đến cơ quan sức chứa của cây lúa. Sự thể hiện mạnh mẽ gen này cho thấy số chồi / bụi giảm đối với giống lúa thuộc loài phụ japonica. Trái lại khi “knocking out” OsAAP3 bằng hệ thống CRISPR-Cas9 đã làm năng suất tăng vọt và sự hình thành chồi cũng cực kỳ mạnh mẽ  trong cây lúa. Nói chung, ức chế sự thể hiện gen OsAAP3 có thể được áp dụng để tăng năng suất lúa và tăng hiệu quả sử dụng phân N. Xem Plant Biotechnology Journal. 

Hình 1. Trình tự promoter của gen OsAAP3 có sự đa dạng của SNP giữa giống lúa thuộc loài phụ indica và japonica, với các mức độ thể hiện gen rất khác nhau liên quan đến lúa đẻ nhánh.

“Gene Gun” cho phép sự thể hiện “transient” của lúa mì trong hệ thống CRISPR-Cas9

Lúa mì không thích hợp với nuôi cấy mô, làm ngăn cản sự cải tiến về di truyền thông qua cây chuyển nạp. Do đó, nó không để cải tiến được thông qua kỹ thuật chỉnh sửa hệ gen, mà kỹ thuật này yêu cầu phải chuyển nạp và tái sinh được mô nuôi cấy. Muốn giải quyết vần đề này, các nhà nghiên cứu Ryozo Imai và ctv. thuộc National Agriculture and Food Research Organization. Nhật Bản, đã tiến hành sử dụng phương pháp “gene gun” để thể hiện ở mức độ “transient” thông qua hệ thống CRISPR-Cas9 vector trong cây lúa mì. Họ nhắm đích đến là sinh mô đỉnh chồi thân của phôi lúa mì trưởng thành để thự hiện “gene gun transformation”. Thanh lọc bằng kỹ thuật PCR để xác định khi hạt lúa đã được chuyển nạp hoàn toàn. Hạt nẩy mầm được phân tích, như vậy người ta đã thành công trong nội dung chuyển nạp với 5% hạt. Mặc dù hiệu qua còn thấp, nhưng phương pháp này có những thuận lợi như sau: (1) thí nghiệm có thể được tiến hành thông qua phôi đã trưởng thành; (2) không cần sàng lọc bằng kháng sinh; và (3) RNA có thể được du nhập vào bằng phương pháp “gene gun”. Xem Scientific Reports.

Hình. Phân tích CAPS của TaGASR7-A1, -B1 và -D1 loci trong thế hệ cây T₁. Phân tử DNA của hệ gen được xác định từ lá đầu tiên của từng cây T₁ từ 3 cây đột biến T₀ (2-7, 2-21, và 7-2) và một cây nguyên thủy (Wt).

Quản lý quần thể muỗi mang bệnh sốt rét bằng phương pháp chỉnh sửa hệ gen

Andrea Crisanti và đồng sự thuộc Imperial College London, Anh Quốc, đã chỉnh sửa gen doublesex của muỗi mang bệnh sốt rét Anopheles gambiae bằng hệ thống CRISPR-Cas9. Thông qua sự kiện đột phá intron 4 đến exon 5 của gen này, “version” muỗi cai của gen đã không được sản sinh ra, có nghĩa là bất thụ. Gen được chỉnh sửa ấy được chuyển vào quần thể muỗi nuôi trong lồng lưới rồi cho thả ra để phát triển rộng khắp. Sau 7-11 thế hệ, trứng muỗi được sinh ra đã giảm đáng kể, sự có mặt của gen bị chỉnh sửa ấy trong quần thể muỗi Anopleles đạt 100%. Biến dị di truyền của gen cũng được tìm thấy trong quần thể muỗi mang mầm bệnh sốt rét, nhưng không ảnh hưởng đến sự phát triển của gen được chỉnh sửa nói trên. Người ta quan sát được sự sụp đổ của quần thể muỗi trong thí nghiệm này, nhấn mạnh đến vai trò có ý nghĩa của kỹ thuật chỉnh sửa gen trong kiểm soát bệnh sốt rét tại nhiều quốc gia, đặc biệt ở châu Phi. Xem Nature Biotechnology.