Tuần tin khoa học 500 (10-16/10/2016)

Akira Tanaka, nhà sinh lý học đầu tiên của IRRI đã qua đời

 Nguồn: IRRI, September 30, 2016

Dr. Akira Tanaka, nhà sinh lý học đầu tiên của IRRI (Viện Lúa Quốc Tế), đã qua đời vào ngày 28-8-2016 tại Nhật Bản. Ông đã đến làm việc tại IRRI vào ngày 1-4-1962 với cương vị Trưởng bộ môn Sinh Lý của Viện. Các nhà khoa học Nhật Bản bấy giớ, như Tanaka, đã giữ vai trò quan trọng tại IRRI trong giai đoạn đầu tiên của cuộc cách mang xanh – theo bài viết của Robert Chandler, Tổng Giám Đốc đầu tiên IRRI viết về Tanaka trong quyển sách “An adventure in applied science”. “Tanaka đã phát triển một chương trình nghiên cứu sinh lý đầu tiên mang tính chất kinh điển và mang đến IRRI một sự hưng thịnh của kiến thức Nhật bản cũng như trãi nghiệm quí báu, những thứ đó là những thành quả vĩ đại cho Viện nghiên cứu lúa gạo còn non trẻ của chúng ta thời bấy giờ.”

Theo Dr. Peter Jennings, nhà chọn giống lúa đầu tiên của IRRI, người ta bạn thân và đồng nghiệp của Tanaka, Ông ấy là nhà khoa học có nhiều kinh nghiệm nhất của IRRI vào thời điểm bấy giờ. Hình ảnh ghi nhận Dr. Tanaka (bên trái), thảo luận với Dr. Jennings (bên phải) trong giai đoạn đầu của thập niên 1960s. “Tanaka’ rất thích nghiên cứu dinh dưỡng khoáng, đặc biệt là  sự thiếu dinh dưỡng của cây lúa, nhưng công việc của ông tại IRRI thời đó phải nghiên cứu cây lúa nhiệt đới, phân tích kiến trúc thân, lá của giống lúa cải tiến," Jennings đã nói như vậy.

“Ông ấy có tất cả những kinh nghiệm và sự đóng góp của Tanaka vào sự phát triển giống lúa thần kỳ IR8 y hệt như một nhà chọn giống. Ông ấy đã giúp hoàn thiện công việc cải tiến giống này bằng cách riêng của ông. Nếu không có Tanaka, tôi nghĩ rằng IRRI sẽ mất nhiều thời gian dài hơn trong phát triển giống lúa nửa lùn đầu tiên này của thế giới. Ông ấy sống mãi trong tâm trí của tôi như một nhà khoa học ưu tú, người đã có những ảnh hưởng vô giá trong phát triển giống lúa nửa lùn đóng góp vang dội vào cuộc cách mạng xanh của thế giới.”

Tháng 11 của năm nay, IRRI sẽ tổ chức kỷ niệm 50 năm phát triển giống lúa kỳ diệu IR8 và ghi nhận công ơn của các nhà khoa học đã công hiến cuộc đời mình cho vai trò phát triển giống lúa này”. Xem http://news.irri.org/2016/09/akira-tanaka-irris-first-physiologist.html

Giống bắp chuyển gen Bt không ảnh hưởng đến quần thể vi khuẩn nội sinh

Các nhà khoa học  thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học Nông Nghiệp Trung Quốc (CAAS) đã ghi nhận rằng giống bắp chuyển gen Bt “cry1Ah” không gây ảnh hưởng bất lợi đế động thái phát triển của quần thể vi khuẩn Bacillus subtilis chủng nòi B916-gfp. Kết quả nghiên cứu này được đăng trên tạp chí Microbiology Open. Quần cư của vi khuẩn nội sinh (endophytic) rất sống động làm tăng cường sự phát triển của cây và ngăn ngừa bệnh hại cây. Tuy nhiên, thông tin về sự hoạt động của quần thể vi khuẩn như vậy rất hạn chế  trong mô thực vật và đất xung quan vùng rễ, đặc biệt là của cây trồng transgenic. Chiongsi Sun và ctv. thuộc CAAS đã nghiên cứu về quần cư của vi khuẩn Bacillus subtilis chủng nòi B916-gfp trong cây bắp biến đổi gen, ở mô thực vật và ở trong đất. Họ đã chủng B916-gfp vào cây bắp chuyển gen Bt và cây bắp không chuyển gen thông qua ngâm ủ hạt giống, hoặc thông qua nghiệm thức tưới vào rễ trongb điều kiện thí nghiệm ở nhà kính và trên đồng ruộng. Kết quả cho thấy chủng nòi vi khuẩn B916-gfp định cư trên cả cây bắp “Bt” và “non-Bt”. Không có khác biệt đáng kể xét theo qui mô quần thể vi khuẩn B916-gfp trên cây bắp Bt và không-Bt, trừ một đến hai thời điểm ở rễ và thân không nằm giai đoạn xem xét. Trổng bắp Bt không ảnh hưởng đến số dân cư chủng nòi vi khuẩn B916-gfp trong mẫu đất ở cả hai điều kiện phòng thí nghiệm và ngoài đồng. Xem Microbiology Open.

Gen OsLPR có chức năng duy trì phosphate (theo cơ chế homeostasis) trong cây lúa

 Homeostasis hoaặc homoeostasis là tính chất của một hệ thống, trong đó, có một biến thể nào đó (ví dụ như hàm lượng của một cơ chất trong dung môi hoặc nhiệt độ của nó) được điều tiết một cách tích cực để duy trì hàm lượng ấy một cách bền vững. Lân là yếu tố hạn chế trong dinh dưỡng cây trồng ở trong đất. Lân ảnh hưởng đến tăng trưởng và phát triển cây trồng. Đối với Arabidopsis thaliana, các gen Low Phosphate Root1 và 2 (LPR1 và LPR2) mã hóa “multicopper oxidases” (MCOs). Protein này điều hòa phản ứng của sinh mô (meristem)  trong hệ thống rễ cây khi có sự thiếu dinh dưỡng lân xảy ra. Tuy nhiên, vai trò của nó trong việc duy trì “Pi homeostasis” của cây lúa, chưa được người ta nghiên cứu nhiều. Một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Đại Học Nông nghiệp Nanjing, đứng đầu là Yue Cao, đã xác định và nghiên cứu những đồng dạng của gen LPR1/2 trong cây lúa. Có năm thể đồng dạng (homologs) liên quan đến gen OsLPR1 cho đến 5, đã được phân lập thành công. Phân tích cho thấy mức độ thể hiện rất cao của gen OsLPR3, 4, và 5 trong rễ lúa và gen OsLPR2 trong chồi thân. Những thiếu hụt dinh dưỡng đối với các chất dinh dưỡng khác nhau đã ảnh hưởng đến mức độ thể hiện này của họ gen OsLPR rất khác biệt nhau, có ảnh hưởng trùng lấp lên nhau. Thiếu lân kích hoạt  sự tăng lên đáng kể mức độ thể hiện của OsLPR3 và 5. Phân tích sấu hơn cho thấy sự thể hiện của gen OsLPR3 và 5 tương quan nghịch với sự thể hiện của OsPHR2. OsLPR3 và 5 có liên quan đến sự duy trì phosphate trên cơ sở chức năng sinh lý “homeostasis”của cây lúa. Xem BMC Plant Biology.

“Germ-line-Specific CRISPR-Cas9” – là những hệ thống cải tiến việc sản sinh ra đột biến gen di truyền trong cây Arabidopsis

CRISPR/Cas9 được sử dụng rộng rãi trong nội dung cải biên gen đích của thực vật. Hệ thống này có hai hợp phần, một phân tử sgRNA (single-guide RNA) đối với sự ghi nhận DNA mục tiêu và protein 9 kết hợp với CRISPR (Cas9) đối với sự cắt DNA mục tiêu ấy. Tuy nhiên, trong khi hệ thống CRISPR/Cas9 thể hiện ở khắp mọi nơi (UC) phát sinh ra sự kiện cải biên gen với hiệu quả cao, thì chỉ có những GSC được sản sinh ra trong tế bào sinh dục có khả năng di truyền cho đời sau. Yanfei Mao và ctv. thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học Trung Quốc báo cáo rằng cách thiết kế và tính chất của một “germ-line-specific Cas9 system (GSC)” trong sự cải biên gen của cây Arabidopsis ở giao tử đực (male gametocytes). Hai gen được xác định mục tiêu cụ thể trong cả hai hệ thống nói trên, hệ thống UC và GSC, để phân tích. Những đột biến phát sinh trong hệ thống GSC rất hiếm gặp ở thế hệ T1, nhưng rất dồi dào trong thế hệ T2. Đa số mutant của T2 được phát sinh trong hệ thống UC trở nên khảm (chimeras); trong khi chỉ có 29% khảm  xảy ra trong hệ thống GSC. Phân tích sâu hơn T2 cho thấy những đột biến gen di truyền được chiếm 37% cao hơn trong hệ thống GSC so với hệ thống UC. Xem Plant Biotechnology Journal.

Hình 1: Sơ đồ qui trình tác động được thiết kế để phát hiện gen đích bị đột biến trong cây Arabidopsis, quần thể T1.

Sự thay chổ của gen và sự chèn vào đoạn gen của cây lúa thông qua kỹ thuật “Intron-Targeting CRISPR”

“Sequence-specific nucleases” là những enzyme được khai thác để sáng tạo ra “knockouts” gen đích của nhiều loài cây khác nhau. Tuy nhiên, việc thay thế một đoạn phân tử và ngay cả khi chèn một đoạn phân tử vào gen đích tại những loci đặc biệt trong bộ genome thực vật vẫn còn là thách thức lớn cho nhân loại. Các nhà khoa học thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học Trung Quốc, đứng đầu là Jun Li, cùng với các nhà khoa học khác, mô tả một kỹ thuật khá hiệu quả, đó là “intron-mediated site-specific gene replacement” và chèn đoạn để sáng tạo ra những đột biến sử dụng NHEJ (non-homologous end joining) thông qua CRISPR/Cas9. Người ta sử dụng cặp phân tử sgRNA (single guide RNAs) định vị trí mục tiêu của những introns liền kề nhau và một dây nền của “donor DNA” có cả một cặp rất giống những “sgRNA sites” nói trên. Nhóm nghiên cứu đã thu hoạch được kết quả “gene replacements” trong hệ gen cây lúa 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) với tần suất là 2,0%. Nhóm nghiên cứu còn lấy được các phân đoạn chèn vào gen đích với tần suất 2,2% sử dụng kỹ thuật xác định vị trí mục tiêu của sgRNA tại một intron và một dây nền “donor DNA” có cả “sgRNA site” giống nhau. Cây lúa  mang gen OsEPSPS  với sự thay vào chổ trống mong muốn  được tìm thấy có đặc điểm kháng với thuốc cỏ glyphosate. Hơn nữa, sự thay vào gen có tính chất ở vị trí đặc biệt nào đó và sự chèn vào gen đích đều có tính chất di truyền cho thế hệ sau. Những cách tiếp cận mới ấy có thể được áp dụng để thay đế đoạn gen đích và chèn vào trình tự DNA tại các vị trí đặc biệt trong hệ gen cây lúa và cây trồng khác. Xem Nature Plants.

Giải trình bộ genome của ruồi đục quả Địa Trung Hải

 Bộ genome đầy đủ của ruồi đục quả Địa Trung Hải (Mediterranean fruit fly, tên khoa học là Ceratitis capitata) đã được giải trình tự thông qua một công trình khoa học của nhóm nghiên cứu quốc tế gồm 25 tổ chức đứng đầu là Bộ Nông Nghiệp Hoa Kỳ (USDA) và Đại Học Justus-Liebig-University Giessen, CHLB Đức.  Ruồi đục quả Địa Trung hải (còn được gọi là medfly) tấn công và gây hại trên 260 loài rau quả, cây có hạt vỏ cứng (nut crops) trên thế giới, làm thiệt hai hàng tỷ USD mỗi năm. Bộ genome ruồi đục quả này có kích thước 479 Mb đã được chạy trình tự của ruồi trưởng thành, cận giao, đối với 20 thế hệ. Tác giả đã tìm thấy những gen đặc biệt gắn liền với khả năng gây hại, chống chịu được những pathogens, tìm kiếm cây chủ, và phả hủy những toxin của môi trường.  Họ hoạch định một chương trình tìm kiếm mõ alen của bộ genome ruồi (allele mining) để có thông tin đầy đủ hơn nhằm cải thiện hiệu quả của kỹ thuật đang áp dụng trong quản lý ruồi, đó là kỹ thuật SIT (Sterile Insect Technique), đang triển khai trên toàn thế giới, làm cho trứng ruồi không thể nở bình thường.  Xem USDA Agricultural Research Service website.