Nền tảng công nghệ tân tiến và khả năng ứng dụng phạm vi rộng cho phép sự tiến hóa có định hướng trong tế bào thực vật

Biểu đồ minh họa GRAPE và các ứng dụng liên quan Nguồn: Gao Caixia.

Tiến hóa có định hướng là một kỹ thuật phòng thí nghiệm mô phỏng chọn lọc tự nhiên và cho phép các nhà khoa học phát triển tiến hóa gen và protein mà chúng mã hóa. Theo truyền thống, kỹ thuật này được sử dụng trên vi khuẩn, tế bào động vật bật cao hoặc trong ống nghiệm.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu do giáo sư Gao Caixia từ Viện Di truyền học và Sinh học Phát triển (IGDB) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) và giáo sư Qiu Jinlong từ Viện Vi sinh vật học của CAS dẫn đầu đã phát triển một hệ thống mới cho phép tiến hóa có định hướng, nhanh chóng và có thể mở rộng quy mô của nhiều gen khác nhau trực tiếp trong tế bào thực vật.

Nền tảng mới này, được gọi là Geminivirus Replicon-Assisted in Planta Directed Evolution (GRAPE), đã được báo cáo trên tạp chí Science .

Sản xuất nông nghiệp hiện đại đòi hỏi nguồn tài nguyên di truyền dồi dào. Tiến hóa có định hướng có thể nhanh chóng tạo ra các biến thể di truyền với những đặc tính mới và được cải tiến. Tuy nhiên, vẫn còn thiếu những nền tảng hiệu quả để thực hiện quá trình tiến hóa này trực tiếp trong tế bào thực vật.

Một thách thức chính là tốc độ phân chia tế bào chậm ở thực vật, hạn chế tốc độ của chu kỳ chọn lọc và sự làm giàu các biến thể chức năng.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng geminivirus - loại virus DNA thực vật có khả năng sao chép DNA nhanh chóng trong tế bào thực vật thông qua quá trình sao chép vòng tròn lăn (RCR), một cách sao chép DNA dạng vòng nhanh chóng.

Cụ thể, họ đã liên kết sự sao chép của các replicon geminivirus nhân tạo (DNA dạng vòng có khả năng sao chép thông qua RCR) với các chức năng mục tiêu của các biến thể gen trong tế bào thực vật. Các biến thể sở hữu một chức năng mục tiêu sẽ thúc đẩy replicon sao chép, tạo ra nhiều bản sao DNA hơn, từ đó khuếch đại các biến thể đó một cách chọn lọc.

Dựa trên phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã phát triển GRAPE. Trong nền tảng này, các gen quan tâm (GOI) đầu tiên được đột biến in vitro và các biến thể thu được được đưa vào các bản sao geminivirus nhân tạo. Các thư viện bản sao này sau đó được đưa vào lá cây Nicotiana benthamiana, nơi hoạt động gen mong muốn được liên kết với sự nhân lên của virus.

Các biến thể thúc đẩy sự nhân lên được làm giàu, trong khi các biến thể ức chế sự nhân lên bị cạn kiệt. Một chu kỳ chọn lọc đầy đủ có thể được hoàn thành trên một lá duy nhất trong vòng bốn ngày.

Sử dụng GRAPE, các nhà nghiên cứu đã phát triển thụ thể miễn dịch chứa đoạn lặp giàu leucine (NLR) NRC3 có miền liên kết nucleotide để tránh sự ức chế của tác nhân gây bệnh giun tròn SPRYSEC15 trong khi vẫn duy trì hoạt động miễn dịch của nó.

Sự tiến hóa lặp đi lặp lại của thụ thể miễn dịch NLR Pikm-1 ở lúa đã tạo ra các biến thể phản ứng với sáu alen của tác nhân AVR-Pik ở lúa Magnaporthe oryzae, mở rộng đáng kể phạm vi nhận diện của nó. Chiến lược này cho phép phát triển các nguồn gen quý giá để lai tạo cây trồng kháng bệnh.

So với các hệ thống dựa trên vi khuẩn trước đây, GRAPE mang lại những lợi thế riêng biệt: Hệ thống này vượt trội trong việc phát triển các GOI chịu trách nhiệm cho kiểu hình đặc trưng của thực vật (chẳng hạn như khả năng kháng bệnh) hoặc yêu cầu điều chỉnh đặc trưng của thực vật.

Hơn nữa, nó hoạt động trực tiếp bên trong tế bào thực vật, loại bỏ nhu cầu tối ưu hóa lại. GRAPE có khả năng tiến hóa bất kỳ gen nào được liên kết chức năng với RCR. Ngoài sinh học thực vật , GRAPE còn hứa hẹn những ứng dụng rộng rãi hơn, chẳng hạn như phát triển protease để phân cắt các mục tiêu cụ thể cho nghiên cứu thực vật và dược phẩm.

GRAPE cung cấp một nền tảng nhanh chóng, hiệu quả và linh hoạt có thể đẩy nhanh quá trình sinh học tổng hợp thực vật và lai tạo phân tử, mở ra hướng đi mới cho kỹ thuật trồng trọt và tăng cường tính bền vững của nông nghiệp.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org