Gen của khoai tây hoang dại  Commerson có liên quan đến tính chống chịu khô hạn và lạnh giá của cây Arabidopsis

 Khoai tây (Solanum tuberosum) là cây trồng rất nhạy cảm với lạnh giá và khô hạn, không thích nghi tốt với nhiệt độ lạnh. Khoai tay hoang dại Commerson (Solanum commersonii) (hình) là loài hoang dại cho củ giống như khoai tây trồng trọt, chống chịu lạnh giá tốt hơn rất nhiều và kháng hạn hơn khoai tây trồng trọt. Protein đóng vai trò yếu tố phiên mã CBF/DREB có chức năng quan trọng trong khoai tây, giúp cây phản ứng với những stresses phi sinh học bao gồm khô hạn và băng giá. Để khai thác tốt chức năng khác nhau giữa CBF1 (StCBF1) của khoai tây trồng và CBF1 (ScCBF1) của khoai tây hoang dại Commerson, nhóm nghiên cứu của Jian Li thuộc Shandong Agricultural University đã cho thể hiện thành công hai gen này trong cây Arabidopsis với hai dòng khác nhau. Tất cả cây transgenic ấy đều thể hiện kiểu hình lùn, trổ bông muộn, lá dầy hơn và điểm những chấm hồng. Tuy nhiên, dòng chuyển gen ScCBF1 thể hiện sự chống chịu đáng kể đối với lạnh giá và khô hạn hơn dòng chuyển gen StCBF1. Mức độ thể hiện của nhiều gen liên quan đến chịu lạnh và phát triển, bao gồm các gen ức chế cây tăng trưởng và trổ bông muộn, cũng cao hơn trong tất cả các cây transgenic. Kết quả cho thấyhai gen CBF1 có vai trò quan trọng trong phản ứng của cây đối với stress phi sinh học, tăng trưởng và phát triển. Tuy nhiên, ScCBF1 có chức năng rõ hơn StCBF1. Xem Plant Science.

VviAGL11 điều hòa hình thái hạt của cây nho

Nho không hạt là một trong những tính trạng mục tiêu của nhà chọn giống. Trong một nghiên cứu trước đây, gen VviAGL11 được người ta xác định là gen chính điều khiển tính trạng này. Jaiana Malabarba thuộc Federal University of Rio Grande do Sul in Brazil, đã nghiên cứu với mục đích tìm kiếm chức năng của gen này trong cây nho. Họ phát triển hai tập đoàn giống nho không hạt và nho có hạt, một thể hiện gen VviAGL11 trong khi bộ giống còn lại có gen VviAGL11 bị câm. Sau đó, họ tiến hành phân tích trong quả nho, lá, thân và hạt nho của những cây transgenic ấy. Giống nho không hạt thể hiện mạnh mẽ gen VviAGL11 biểu thị bằng hạt rất bé so sánh với đối chứng. Nho chín của giống nho không hạt có gen VviAGL11 bị câm, đã thể hiện sự giảm số hạt trong một quả và tăng các vết tích của hạt. Gen VviAGL11 là một regulator chủ lực trong hình thái học hạt nho. Xem Plant Science.

Chỉnh sửa gen đồng thời tại hai loci lặp đoạn trong hệ gen cây đậu nành

Hệ thống CRISPR-Cas9 là công cụ rất mạnh phục vụ nội dung đột biến gen có chủ đích của giống cây trồng. Nhóm nghiên cứu của Yuhei Kanazashi thuộc Đại Học Hokkaido, Nhật Bản,  đã hoàn thiện qui trình đột biến gen có chủ đích đồn thời tại hai loci có tính chất tương đồng (homoeologous loci) của cây đậu nành (Glycine max), gen GmPPD1 và gen GmPPD2.

Hai gen này đồng dạng (orthologs) với gen PEAPOD (PPD)  của cây Arabidopsis thaliana. Hầu hết cây T₁ có những đột biến tại ít nhất một trong hai loci mong muốn. Phân tích thế hệ T₁ cho thấy những đột biến này đã được kích thích từ cây T₀ rồi di truyền sang cây thế hệ T₁. Họ đã kích hoạt được những đột biến mới trong cây T₁, sau đó, người ta còn ghi nhận trên cây T₂. Kết quả cho thấy sự kích thích liên tục những đột biến trong suốt thời kỳ phát triển của cây T₁ đều có thể làm gia tăng sự xuất hiện của đột biến ấy trong tế bào mầm (germ cells).  Những đột biến trên cả hai loci GmPPD cũng đã được xác định ít nhất 33% trong hạt của T₂. Những dòng đột biến như vậy đối với cả hai gen GmPPD1 và GmPPD2 thể hiện kiểu hình cây đậu nành với lá có ba thùy, quả đậu cực xoắn, ít hạt.  Như vậy, kích thích liên tục những đột biến trong các thế hệ nối tiếp nhau đối với cây được chỉnh sửa hệ gen có thể gia tăng hiệu quả đột biến có chủ đích các loci lặp đoạn (duplicated loci) trong cây đậu nành. Xem Plant Cell Reports.

Protein “papain” là “inhibitor” sự xâm nhiễm của nấm Phytophthora palmivora trong cây đu đủ

Đu đủ là loài cây trồng giàu chất papain, một “cysteine protease” được người ta biết đến như chất giúp cây tự bảo vệ đối với các pathogens và côn trùng. Tuy nhiên, nấm gây bệnh Phytophthora palmivora  lây nhiễm ở tất cả các bộ phận của cây đu đủ, cho thấy có sự tiến hóa của cysteine protease – là những inhibitors chống lại papain và cho phép lây nhiễm bệnh xảy ra. Ngoài những “inhibitors” như  “cystatin-like cysteine protease” từ nấm P. palmivora, PpalEPIC8 là chất độc nhất vô nhị đối với P. palmivora và được kích hoạt cao trong suốt thời kỳ lây nhiễm bệnh trên cây đu đủ. PpalEPIC8 ức chế mạnh mẽ hoạt tính của enzyme “papain”, cho thấy rằng nó là một chất ức chế của cysteine protease. Các thể nấm đột biến Phytophthora palmivora kiểu “knocked-out” PpalEPIC8 được người ta tạo ra thông qua hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9. Các chủng nòi (strains) đột biến này thể hiện sự nhạy cảm với papain rất cao in vitro và làm suy giảm phát sinh bệnh trong suốt quá trình lây nhiễm bệnh trên trái đu đủ so với chủng nấm nguyên thủy. Như vậy PpalEPIC8 có vai trò quan trọng ức chế độc tính của nấm P. palmivora bằng cách ức chế papain. Đây là kết quả minh chứng rằng pathogens có thể tiết ra được chất cystatins để xâm nhiễm bệnh vào cây trồng. Người ta có thể vận dụng kỹ thuật “gene-editing” để kiểm soát sự lây nhiễm bệnh của nấm P. palmivora thông qua hệ thống CRISPR-Cas9. Xem Molecular Plant-Microbe Interactions.

Dòng đột biến Arabidopsis GGAT1 thông qua kỹ thuật CRISPR

Glutamate:glyoxylate aminotransferase 1 (GGAT1) là một enzyme chủ chốt trong thực vật, đặc biệt trong chu trình quang hô hấp. Tuy nhiên, cơ chế điều tiết của gen này chưa được rõ ràng. Người ta phát sinh ra thể đột biến ggat1 từ nền tảng di truyền Col-0, gen đột biến ggat1 từ nền tảng di truyền Ler là nguồn vật liệu hữu dụng trong nghiên cứu GGAT1. Tuy nhiên, kết quả sau đó là gì vẫn chưa được rõ ràng. Nhóm nghiên cứu của Yaping Liang thuộc South-China Agricultural University đã sử dụng CRISPR-Cas9 để phát sinh ra thể đột biến ggat1 từ nền tảng di truyền Ler. Họ đã thiết kế hai phân tử sgRNAs (single-guide RNAs) chỉ ra vị trí điểm đến GGAT1. Sau đó người ta chèn nó vào cây mô hình Arabidopsis – những cây Ler thông qua biến nạp gián tiếp qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Mười ba cây T₁ có GGAT1 được tái sinh thành công từ cây chuyển nạp. Từ thế hệ cây T1, hai cây đột biến T2 đồng hợp tử được tạo ra. Những đột biến như vậy có tính chất ổn định qua nhiều thế hệ. Hơn nữa, phân ly di truyền của những đột biến ấy tuân thủ theo luật Mendel, không có những đột biến ngoài chủ đích xảy ra. Hai dòng đột biến độc lập ggat1 có cùng một kiểu hình về quang hô hấp (photorespiration) và điều tiết theo kiểu DOWN khi mã hóa hoạt tính của enzyme GGAT. CRISPR-Cas9 thành công trong việc tạo ra đột biến “ggat1 Ler mutants” trên cây Arabidopsis. Xem Transgenic Research.

Hệ gen bọ cánh cứng (Colorado Potato Beetle) trên khoai tây & kiến thức về sự thích nghi của côn trùng

Một nhóm nghiên cứu quốc tế đứng đầu là nhà côn trùng học Sean Schoville thuộc Đại Học Wisconsin–Madison đã giải trình tự toàn bộ hệ gen của bọ cánh cứng “Colorado potato beetle” [tên khoa học: Leptinotarsa decemlineata (Say)] để tìm hiểu về tính thích nghi đáng ngạc nhiên của chúng đối với môi trường mới và thuốc trừ sâu. Họ phát hiện có một hệ thống gen rất lớn, rất đa dạng đã được chúng sử dụng để để tiêu hóa những proteins thực vật, giúp bọ cánh cứng phát triển nhanh trên ký chủ của chúng. Bọ cánh chứng này có thể phát triển số gen nhạy cảm đối với các vị đắng, tính ưa thích của chúng giống với họ côn trùng ăn đêm, đặc biệt trên khoai tây. Điều đáng ngạc nhiên trong nghiên cứu của họ là hệ gen của bọ cánh cứng “Colorado potato beetle” rất giống với họ hàng của chúng có mức chịu đứng kém hơn. Họ chưa tìm thấy gen mới có liên quan đến tính kháng để giải thích sự kiện “ gan lì” này của côn trùng (insect's tenaciousness). Một trăm hệ gen khác với hệ gen của bọ cánh cứng Colorado này và những quan hệ di truyền huyết thống gần gủi cũng đang được giải trình tự để tiếp tục nghiên cứu tính chất chống chịu (hardiness) và thích nghi của chúng mà điều này đã hấp dẫn nhiều nhà khoa học suốt 150 năm qua. Xem University of Wisconsin–Madison News.

Đột biến “knockout” nhiều gen trong hệ gen thỏ thông qua CRISPR-Cas9

Hệ thống CRISPR-Cas9 đã và đang được áp dụng phổ biến để đột biến có chủ địch một hoặc nhiều gen trong hàng loạt sinh vật. Đột phá nhiều gen đồng hợp, mà chúng có cùng trình tự DNA và cùng chức năng, đòi hỏi một nghiên cứu nghiêm túc về kiểu hình mong muốn. Muốn trắc nghiệm hệ thống CRISPR-Cas9 này trên cơ sở đột biến nhiều gen đồng hợp (multiple homologous genes); nhóm nghiên cứu của  Huan Liu thuộc Đại Học Jilin, Trung Quốc đã thiết kế một phân tử sgRNA (single guide RNA) đánh dấu điểm đến của ba gen mã hóa fucosyltransferase, đó là gen FUT1, FUT2 và SEC1 trong con thỏ (rabbit: Oryctolagus cuniculus). Họ đã thành công thực hiện đột biến cả ba gen FUT1, FUT2 và SEC1 đồng thời thông qua sgRNA để hỗ trợ cho hệ thống CRISPR-Cas9. Rất có ý nghĩa khi người ta làm giảm được hoạt tính của “serum fucosyltransferases enzyme” trong con thỏ có tính chất “triple mutation” như vậy. Nghiên cứu này cho thấy một minh chứng lần đầu tiên về sự kiện “knockout” nhiều gen đồng hợp cùng một lúc thông qua hệ thống CRISPR-Cas9 đối với lớp động vật có vú. Đây sẽ là phương tiện để đánh giá kiểu gen thực sự hỗ trộ cho cải thiện kiểu hình trong các gen “homologous”. Xem Gene.