Tuần tin khoa học 497 (19-25/09/2016)

Protein cây dương xỉ biểu hiện trong cây bông vải giúp cây ngăn ngừa sự tấn công của ruồi trắng

Ruồi trắng (whitefly: Bemisia tabaci) là đối tượng gây hại nổi tiếng cho cây trồng. Ruồi trắng còn là vec tơ của những bệnh do virus gây ra. Hiện nay, chưa có cây trồng biến đổi gen nào  có tính trạng kháng ruồi trắng. Do vậy, các nhà khoa học thuộc tổ chức “Council of Scientific and Industrial Research” và các Viện nghiên cứu khác của Ấn Độ đã nghiên cứu phát triển cây bông vải biến đổi gen kháng với ruồi trắng. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Biotechnology. Các nhà nghiên cứu đã xác định một protein có tên gọi là Tma12 mà protein này có trong tự nhiên trên loài dương xỉ ăn được Tectaria macrodonta. Tma12 có tính chất diệt côn trùng đối với ruồi trắng ở hàm lượng gây chết là 1,49 μg/ml. Protein này can thiệp vào chu kỳ sống của ruồi trắng ở các liều lượng dưới ngững gây chết (sublethal). Protein thể hiện trong cây bông vải transgenic, cho thấy cây kháng được sự xâm nhiễm của ruồi trắng trong các thí nghiệm ngoài đồng, mà không làm giảm năng suất bông. Các dòng bông transgenic còn biểu hiện tính kháng với bệnh virus gây xoăn lá (leaf curl viral disease), được truyền đi bởi ruồi trắng. Bên cạnh đó, chuột ăn thức ăn có Tma12 không biểu hiện bất cứ những thay đổi nào về mô học và sinh hóa học. Theo nghiên cứu này, protein Tma12 có thể được sử dụng để phát triển cây trồng GM kháng với ruồi trắng và ngăn ngừa sự lây truyền bệnh virus. Xem Nature Biotechnology.

Tìm thấy yếu tố phiên mã liên quan đến khô hạn của đậu Hà Lan

Khô hạn là một trong những strss rất quan trọng ảnh hưởng đến năng suất cây đậu Hà Lan (Phaseolus vulgaris L.). Họ protein có domain NAM, ATAF1/2 và CUC2 (NAC)  là những phân tử TF (transcription factors) mang tính chất kinh điển liên quan đến rất nhiều stress phi sinh học, đặc biệt là khô hạn. Tuy nhiên, NAC transcription factors trong cây đậu Hà Lan chưa được nghiên cứu nhiều. Các nhà khoa học thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học Nông Nghiệp Trung Quốc, đứng đầu là Jing Wu, đã phân lập được 86 protein giả định NAC TF từ bộ genome cây đậu Hà Lan. Những proteins này được xếp nhóm thành 8 subfamilies tùy thuộc vào kiến trúc gen và thành phần của motif “protein”. Điều này cho thấy NACs có cùng subfamily có thể sẽ có cùng chức năng. Sau đó họ đã xác định 22 NAC TF liên quan đến khô hạn trên cơ sở dữ liệu giống đậu Hà Lan nhiễm và chống chịu khô hạn. Kết quả cung cấp thông tin chức năng  của các gen NAC trong cây đậu Hà Lan cũng như nguồn gen chống chịu stress do khô hạn. Xem BMC Plant Biology.

Hình 1: Vị trí trên NST các gen NAC của cây đậu Hà Lan. Có tất cả 85 NAC gen được lập bản đồ di truyền trên 11 NST (Ch1-Ch11), Trong khi đó, gen NAC-sc định vị trên “unassembled scaffold_229”. Mũi tên chỉ hướng phiên mã. Vị trí của mỗi gen có thể được ước tính theo thang chuẩn bên tay trái

Thực hiện kỹ thuật Genome Editing trên cơ sở Geminivirus để thao tác  trong cây khoai tây với trình tự của những nuclease đặc biệt

Genome editing với SSNs (sequence-specific nucleases), ví dụ như zinc finger nucleases (ZFNs), TALENs, và CRISPR/Cas đang cải thiện nhanh chóng kỹ thuật di truyền trong cây trồng. Trong khi NHEJ (non-homologous end-joining) đã và đang được thao tác trên cặp DNA ưa thích nào đó trong cây trồng, thì công việc “gene targeting” thông qua kỹ thuật HR (homologous recombination) có vẻ chính xác hơn rất nhiều và cho phép chèn vào trình tự mục tiêu chuỗi trình tự mới nào đó.

HR có thể là một công cụ mạnh mẽ đối với việc sửa lỗi DNA một cách trực tiếp. Nhóm nghiên cứu của Nathaniel M. Butler thuộc ĐH Michigan State đã sử dụng GVR (geminivirus replicon) để phóng thích được SSNs mục tiêu vào cây khoai tây với gen ACETOLACTATE SYNTHASE1 (ALS1) và sửa lại các dây nền (templates) đã được thiết kế để thêm vào các đột biếm điểm ức chế hoạt động của thuốc diệt cỏ tại locus ALS1. Họ đã sử dụng một “geminivirus replicon” tùy theo khả năng sản sinh ra một “DNA replicon” của nó; mà replicon này có thể hoạt động như một dây nền đã được sửa lỗi, cũng như nó có thể thực hiện khả năng của nó một cách tương đối rộng. Các sự kiện biến nạp gen với GVRs giúp cho các đột biến điểm có thể hỗ trợ tính trạng làm giảm hiệu lực thuốc diệt cỏ, trong khi đó, cây được cải biên di truyền với T-DNAs truyền thống rất giống với cây nguyên thủy (wild-types). Tái sinh các cây sự kiện chuyển nạp gen đã cải tiến sự tìm kiếm các đột biến điểm mà chúng đã làm cho tính kháng thuốc cỏ mạnh hơn. Kết quả khẳng định mức hiệu quả của geminiviruses trong công nghệ “genome editing”, và mô tả một cách tiếp cận mới trong khi xác định gen mục tiêu đối với các loài thực vật nhân giống bằng kỹ thuật vô tính thông qua giâm ghép cành. Xem Frontiers in Plant Science.

Công nghệ di truyền tạo giống Arabidopsis kháng Potyvirus bằng CRISPR/Cas9

Trong những nghiên cứu trước đây, thành viên trong họ gen eukaryotic translation initiation factor (eIF), gồm có gen eIF(iso)4E của cây Arabidopsis, đã được phân lập như những alen lặn kháng  với potyviruses. Tuy nhiên, sự du nhập các alen này vào những loài cây trồng khác khá hạn chế. Nhóm nghiên cứu của Douglas E. Pyott thuộc ĐH Edinburgh, Anh Quốc đã sử dụng kỹ thuật CRISPR/Cas9 để du nhập những đột biến điểm mất đoạn với chuỗi trình tự đặc hiệu tại locus eIF(iso)4E trong cây Arabidopsis thaliana để thao tác di truyền có được tính kháng hoàn toàn với Turnip mosaic virus (TuMV), một pathogen chính trong cây rau. Bằng phân ly thể đột biến của transgene CRISPR/Cas9, nghiên cứu đã hình thành nên một khung nền tạo ra những đột biến di truyền được trong thế hệ T₂ không có transgene đối với các loài cây trồng tự thụ phấn. Phân tích bốn dòng T₃ độc lập được phát triển từ chuyển nạp gen này cho thấy không có khác biệt những cây này với cây nguyên thủy (wild-type), khẳng định rằng các đột biến của gene IF(iso)4E không ảnh hưởng đến cường lực tăng trưởng. Công nghệ CRISPR/Cas9 cho chúng ta một phương pháp mới đối với nội dung cải biên cây trồng bằng những alen kháng Potyvirus.  Xem Molecular Plant Pathology.

Trehalase là gen điều hòa sự thể hiện của sinh tổng hợp chitin của mọt đỏ

 Phân tử RNA can thiệp  là một trong cách tiếp cận hiệu quả trong nghiên cứu chức năng của gen. Nó có thể được sử dụng để kiểm soát côn trùng gây hại. Trehalase là gen chủ chốt trong sinh tổng hợp chitin của côn trùng. Các nhà nghiên cứu của ĐH Hangzhou Normal đứng đầu là Bin Tang, đã nghiên cứu 5 gen trehalase (TcTre1-1, TcTre1-2, TcTre1-3, TcTre1-4 và TcTre2) của con bọ cánh cứng: mọt đỏ (tên tiếng Anh là red flour beetle, tên khoa học là Tribolium castaneum) bằng kỹ thuật RNAi, với chức năng của trehalases trong kiểm soát côn trủng gây hại. Sự thể hiện của những gen khác liên quan đến sinh tổng hợp chitin đã giảm có ý nghĩa khi khi sự thể hiện của gen TcTre2 bị ức chế.  Kết quả còn cho thấy những kiểu hình khác nhau bất thường và tỷ lệ chết của mọt đỏ 17 - 42% sau khi ức chế một trong năm gen trehalase. Điều này khẳng định sự câm gen trehalase, đặc biệt là TcTre2, có thể dẫn đến sự biến dạng và dẫn đến cái chết thông qua điều tiết sự thể hiện gen trong sinh tổng hợp chitin. Xem BMC Biotechnology.

Hình 1: Phân tích 5 phân tử transcript TcTre trong mô khác nhau của ấu trùng tuổi cuối cùng bằng RT-PCR (semi-quantitative PCR). Phân tử RNA tổng số  được tách ciết từ nhiều mô khác nhau: fat body (Fb), midgut (Mg), cuticle (Cu) và Malpighian tubules (Mt). Sự thể hiện Tcβ-actin trong bốn mô này được áp dụng để chuẩn hóa những mức độ thể hiện tương đối của năm gen TcTre genes. CK đại diện cho sản phẩm PCR mà không có một “template” nào làm đối chứng.