Lúa chỉnh sửa gene tạo ra sự tăng trưởng mạnh về năng suất

Nhóm nghiên cứu của Jian-Kang Zhu đã sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR / Cas9 để làm im lặng một dãy gen trong cây lúa, tạo ra  t giống có năng suất tăng thêm 31%. Credit: Purdue University.

Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Purdue và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 để phát triển một giống lúa đem lại năng suất cao hơn  25-31% mà hầu như không thể tạo ra thông qua các phương pháp nhân giống truyền thống.

Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Jian-Kang Zhu, một giáo sư nổi tiếng tại Khoa Kiến trúc và cảnh quan tại Purdue và giám đốc Trung tâm Sinh học Thực vật Trung Quốc Thượng Hải tại Học viện Khoa học Trung Quốc, đã đột biến 13 gen liên quan đến yếu tố điều hòa sinh trưởng acid abscisic, đóng vai trò trong khả năng chịu stress của cây trồng và ngăn chặn sự tăng trưởng. Trong một số giống được tạo ra, có một giống ít sự thay đổi trong khả năng chịu stress nhưng năng suất tăng thêm 25% trong một thử nghiệm tại Thượng Hải, Trung Quốc và tăng thêm 31% trong một thử nghiệm trên đảo Hải Nam của Trung Quốc.

Phát hiện của họ đã được công bố trên trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Nhóm nghiên cứu của Zhu, trong đó có Ray A. Bressan của Purdue, một giáo sư nổi tiếng tại Khoa Kiến trúc Cảnh quan và hoa viên, và các nhà nghiên cứu từ Học viện Khoa học Trung Quốc, đã làm im lặng các dãy gene kháng pyrabactin 1 (PYR1) / PYR1 (PYL) / thành phần quy định gen thụ thể ABA (ACAR), hoặc đơn giản là gen PYL. Những gen này làm tăng khả năng chịu đựng các  stress do yếu tố không phải sinh học gây ra, chẳng hạn như hạn hán, độ mặn của đất và các yếu tố môi trường khác, nhưng cũng ức chế sự tăng trưởng.

Kể từ khi thực vật đã phát triển các tính trạng đa gene tức là một tính trạng được quy định bởi nhiều gene, đặc biệt những tính trạng cần thiết cho sự sống, việc loại bỏ một gen trong họ PYL có thể không ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu stress hoặc tăng trưởng vì các gene liên kết khác có thể khởi động các chức năng tương tự. Tuy nhiên, việc tạo ra sự kết hợp loại bỏ trực tiếp dẫn đến cây trồng chỉ sử dụng những gene liên kết phù hợp để giữ các đặc tính chịu đựng stress của nó nhưng làm giảm sự ức chế tăng trưởng.

"Có rất nhiều bằng chứng thấy rằng mặc dù mỗi gen PYL có thể có một chức năng năng đặc biệt, và họ gene này cũng chia sẻ một số chức năng phổ biến," Zhu nói. "Khi bạn xóa một, những gene khác  sẽ hoạt động như một sự thay thế".

Công nghệ CRISPR / Cas9 cho phép các nhà nhân giống cây trồng nhanh chóng và chính xác cắt các phần DNA ra khỏi trình tự, chỉnh sửa mã DNA. Phương pháp này cho phép nhóm của Zhu sửa đổi nhiều gen cùng một lúc, điều mà các phương pháp truyền thống phải mất hàng thập kỷ để làm mà không đảm bảo rằng các cây trồng sẽ có các đặc tính mong muốn.

Bạn không thể nhắm mục tiêu các đột biến giống như  phương pháp  nhân giống truyền thống. Bressan nói: "Bạn sẽ  tạo  đột biến ngẫu nhiên và cố gắng sàng lọc những cái mà bạn không muốn", chúng ta phải sàn lọc  hàng triệu cây. Về cơ bản, nó không khả thi. Đây là một thành tựu thực sự không thể thực hiện được nếu không có CRISPR".

Các cây lúa cải tiến được tạo ra trong các thí nghiệm này đến từ một dòng nghiên cứu chung. Bước tiếp theo là sử dụng CRISPR / Cas9 để chỉnh sửa các gen tương tự trong các giống lúa ưu tú để xác định xem những gen đó cũng sẽ cho thấy năng suất được cải thiện tương tự.

Nếu điều này đúng đối với các giống mà nông dân hiện đang sử dụng, sự gia tăng sản lượng lớn này sẽ rất quan trọng", Zhu nói. "Nó thực sự sẽ giúp sản xuất nhiều lúa gạo cho nguồn dân số ngày càng tăng”.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org