Công cụ mới mở ra các con đường không biến đổi gen nhằm đẩy nhanh quá trình chọn tạo giống và đổi mới cây trồng

Bản vẽ 3D khái niệm về nhiễm sắc thể. Nguồn: Koto Feja (Getty Images).

Một công cụ mới để tinh chỉnh bộ gen thực vật mà không làm thay đổi DNA của chúng có thể cung cấp một giải pháp thay thế nhanh chóng và chính xác cho việc lai tạo giống biến đổi gen và đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại cây trồng có khả năng phục hồi để ứng phó với biến đổi khí hậu.  

Một nghiên cứu do các thành viên của nhóm Chromatin and Memory tại Đại học Cambridge dẫn đầu đã khám phá ra một phương pháp mới để lập trình lại bộ gen thực vật bằng cách sử dụng 'kỹ thuật biểu sinh' để thay đổi hoạt động của gen mà không làm thay đổi trình tự DNA cơ bản. 

Di truyền học biểu sinh là hệ thống nằm trên DNA và bật/tắt gen. Quá trình này hoạt động bằng cách gắn các dấu hiệu hóa học hay "công tắc sinh học", được gọi là dấu hiệu biểu sinh, vào DNA và ra lệnh cho tế bào sử dụng hoặc bỏ qua một gen cụ thể.

Nghiên cứu phát hiện ra rằng một công tắc sinh học cụ thể, H3K4me3, có thể kích hoạt trực tiếp gen và thúc đẩy sự tái tổ hợp di truyền – sự trao đổi vật liệu di truyền để tạo ra DNA có đặc điểm mới – ngay cả ở những vùng của bộ gen mà thông thường khó tiếp cận. 

Công trình này mở ra cánh cửa cho các phương pháp không biến đổi gen nhằm sửa đổi chính xác các đặc điểm của cây trồng, cho phép các nhà lai tạo chuyển các đặc điểm hữu ích của cây trồng như khả năng kháng bệnh từ các giống hoang dã sang các giống cây trồng ưu tú. 

Phó giáo sư Jake Harris, Trưởng nhóm Chromatin và Trí nhớ tại Khoa Khoa học Thực vật và là tác giả cuối cùng của bài báo, cho biết: "Tăng cường khả năng phục hồi của cây trồng để ứng phó với biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề cấp bách nhất của thế kỷ 21". 

Ông cho biết: "Công nghệ này có thể đẩy nhanh quá trình lai tạo thực vật bằng cách tăng cường sự pha trộn di truyền ở những vùng gen thường bị khóa chặt. Nó cũng có thể cho phép cải thiện các đặc tính quan trọng không biến đổi gen như khả năng kháng bệnh, khả năng chịu hạn và độ ổn định năng suất".

Bài báo được công bố trên tạp chí 'Nature Communications' vào ngày 31 tháng 10 năm 2025. 

H3K4me3 gây ra những thay đổi cơ bản về bộ gen ở thực vật

Dựa trên những tiến bộ mới nhất trong công nghệ kỹ thuật gen, nhóm nghiên cứu đã sử dụng công cụ chỉnh sửa gen CRISPR để đặt chính xác H3K4me3 tại các điểm cụ thể trong bộ gen.

Họ phát hiện ra rằng việc hướng tín hiệu hóa học này đến các gen cụ thể có thể kích hoạt các gen thường im lặng, tăng cường khả năng kháng bệnh bằng cách kích hoạt các gen phòng vệ và tăng cường trao đổi vật chất di truyền (trao đổi chéo giảm phân) ở những vùng thường khó tiếp cận.

Harris cho biết: "Chúng tôi rất hứng thú với câu hỏi lâu nay về việc liệu các dấu hiệu histone như H3K4me3 có thực sự gây ra những thay đổi trong hoạt động của gen hay chỉ phản ánh chúng. Những tiến bộ trong 'chỉnh sửa biểu sinh' dựa trên CRISPR đã giúp chúng tôi có thể kiểm tra trực tiếp điều này, vì vậy chúng tôi đã xây dựng các công cụ để thực hiện chính xác điều đó trên thực vật".

“Chúng tôi đã thiết kế một hệ thống CRISPR SunTag dạng mô-đun, có khả năng tuyển chọn các enzyme có khả năng lắng đọng H3K4me3 tại các vị trí gen đã chọn. Sau đó, chúng tôi đo lường những thay đổi trong biểu hiện gen, khả năng kháng bệnh và tái tổ hợp bằng các phương pháp phân tử, di truyền và giải trình tự”.

"Nghiên cứu cho thấy H3K4me3 có thể kích hoạt trực tiếp các gen và thúc đẩy tái tổ hợp di truyền khi được đặt chính xác bằng các công cụ CRISPR. Nó chứng minh rằng sự biến đổi này có thể liên quan nhân quả đến các chức năng cơ bản của bộ gen thực vật", ông nói.

Mở ra cơ hội mới để đẩy nhanh việc nhân giống

Cộng tác viên chính của công trình này là giáo sư Ian Henderson  và nhóm Di truyền và Biểu sinh ở Thực vật của ông, những người cùng chia sẻ không gian phòng thí nghiệm với nhóm Harris. 

Harris cho biết: “Một trong những kết quả thú vị nhất trong bản thảo là về việc kích thích sự giao thoa”.

Việc tăng cường sự pha trộn gen ở những vùng của bộ gen hiếm khi tái tổ hợp hoặc xáo trộn có thể là chìa khóa để đẩy nhanh quá trình lai tạo nhằm cải thiện cây trồng trong tương lai. 

“Chúng tôi phải cảm ơn Ian Henderson và phòng thí nghiệm của ông vì điều này. Nếu không có Ian, chúng tôi thậm chí sẽ không bao giờ nghĩ đến việc thử nghiệm điều này và chắc chắn sẽ không thể thiết kế RNA hướng dẫn hoặc thử nghiệm chúng một cách phù hợp”. 

“Chúng tôi rất ngạc nhiên trước sức mạnh của sự biến đổi này trong việc kích thích tái tổ hợp. Chỉ với một RNA dẫn hướng duy nhất, chúng tôi có thể bao phủ toàn bộ các vùng trải dài megabase, bởi vì bản chất của chúng là lặp lại”.

Ông cho biết: "Điều này cho thấy các dấu vết chromatin có thể chủ động định hình bối cảnh bộ gen theo những cách mà trước đây chúng ta chưa từng đánh giá được".

Nỗ lực của nhóm dựa trên nghiên cứu trước đây

Harris muốn nhấn mạnh nỗ lực đáng kinh ngạc của nhóm đằng sau công trình này, đặc biệt là các tác giả đầu tiên, tiến sỹ Jenia Binenbaum và Vanda Adamkova, nghiên cứu sinh tiến sĩ – cả hai đều làm việc tại phòng thí nghiệm của Harris. 

Nghiên cứu này cũng dựa trên công trình điều hòa gen biểu sinh của phòng thí nghiệm Steve Jacobsen tại Đại học California, Los Angeles (UCLA), nơi Harris là nhà nghiên cứu sau tiến sỹ cho đến năm 2021. 

Những khám phá ban đầu cho công trình này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Steve Jacobsen khi tôi còn là nghiên cứu sinh sau tiến sỹ trong nhóm của ông. Họ phát hiện ra rằng phiên bản lắng đọng H3K4me3 của SunTag này có thể chuyển một reporter từ trạng thái im lặng sang trạng thái hoạt động – đây là một khám phá quan trọng.

“Khi tôi chuyển đến Cambridge, vì phòng thí nghiệm của tôi sẽ tập trung vào những loại dấu hiệu này, Steve đã tử tế cho phép tôi tiếp tục làm việc và phát triển những phương pháp này trong nhóm của mình”.

Về các bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể áp dụng một số hiểu biết này vào các loài cây trồng để kiểm tra xem liệu những hiệu ứng tương tự có thể đạt được trong các bộ gen quan trọng về mặt nông nghiệp hay không. 

“Về mặt nghiên cứu, chúng tôi đang khám phá các chất điều biến chromatin khác có thể hiệu quả hơn hoặc đặc hiệu hơn, cũng như các cách biểu hiện chúng trong các mô cụ thể hoặc theo yêu cầu. Đây là một thời điểm thú vị”, Harris nói.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Cambridge.