Tuần tin khoa học 524 (03-09/04/2017)

Đại Học Nagoya tìm thấy hệ thống tín hiệu phân tử từ chồi thân đến rễ khi cây có hiện tượng đói đạm

Hình: CEPD polypeptides bật mở phản ứng truyền tín hiệu từ chồi thân đến rễ khi có sự kiện đói đạm của cây. © Yoshikatsu Matsubayashi

Các nhà khoa học thuộc Đại học Nagoya tìm ra cơ chế phân tử xảy ra khi cây có triệu chứng đói đạm. Kết quả này được công bố trên tạp chí Nature Plants. Nitrogen là đại dưỡng chất của thực vật để tăng trưởng, nó hiện diện trong đất ở dạng lốm đốm (patches). Khi cây thiếu đạm rễ cây sẽ tiết ra một hormone thực vật có tính chất di động (CEP)> Hormone này di chuyển đến chồi thân, rồi truyền tín hiệu hấp thu đạm có tính chất bù trừ (compensatory) của rễ, hấp thu đạm từ đất nơi có hàm lượng N cao. Tín hiệu của CEP được nhận biết bởi một protein có trong lá cây, nhưng các phân tử này hoạt động theo xu hướng phản ứng từ chồi thân đến rễ, với cơ chế chưa được biết rõ ràng. Các nhà nghiên cứu thuộc ĐH Nagoya đã minh chứng  rằng có những polypeptides đặc biệt của mô li be bật công tắc hoạt động khi nhận ra tín hiệu CEP, dẫn đến sự kiện thể hiện của gen  mã hóa “nitrate transporter”, khi nitrate hiện diện trong đất xung quanh vùng rễ. Những ta tìm thấy những polypeptides ấy hình thành nên trong rễ cây, tuy nhiên các gen nói trên mã hóa protein ấy chỉ có thể biểu hiện trong chồi thân. Do đó, các polypeptides hoạt động như những tín hiệu di động từ chồi thân đến rễ. Hệ thống truyền tín hiệu khá rắc rối ấy chứng tỏ rằng thực vật có đầy đủ những cơ chế nhằm đảm bảo sự hấp thu dinh dưỡng một cách tối ưu. Đây là công trình nghiên cứu cho thấy khả năng dụng phân bón hiệu quả cũng như khả năng cải thiện năng suất cây trồng. Xem Nagoya University và Nature Plants.

Thể hiện mạnh mẽ gen Del từ cây hoa mõm chó (snapdragon: Antirrhinum) cải tiến sự tích tụ chất anthocyanin và chống chịu stress phi sinh học của cây thuốc lá

Đồng thể hiện gen Rosea1 (Ros1) và Delila (Del) sẽ điều khiển sự tích tụ chất anthocyanin trong hoa cây mõm chó (Antirrhinum sp.) (hình). Trong cây cà chua, sự thể hiện mạnh mẽ như vậy đã kích thích rất mãnh liệt sự tích tụ chất anthocyanin. Các nhà khoa học Hàn Quốc đứng đầu là Aung Htay Naing thuộc ĐH quốc gia Kyungpook đã tiến hành nghiên cứu làm thế nào sự thể hiện gen Del một mình có thể ảnh hưởng đến sự tích tụ của anthocyanin. Trong cây thuốc lá, sự thể hiện gen Del tăng cường sản sinh anthocyanin ở lá và hoa thông qua sự điều tiết của gen NtCHS, NtCHI, NtF3H, NtDFR, và NtANS trên cơ sở mức độ phân tử transcript. Các dòng transgenic biểu hiện mạnh mẽ gen như vậy cho ra nhiều màu sắc anthocyanin khác nhau, phản ánh mức độ biến thiên của các phân tử transcript trong sinh tổng hợp. Trong điều kiện xử lý stress mặn, thế hệ T2 có hàm lượng polyphenol tổng số cao hơn đối chứng, hoạt động mạnh mẽ, thể hiện các gen có liên quan đến “antioxidant”, chống chịu mặn và khô hạn tốt hơn cây đối chứng (wildtype). Điều này cho thấy sự thể hiện mạnh mẽ gen Del làm tăng số phân tử transcript trong sinh tổng hợp anthocyanin và làm tăng số gen có liên quan đến “antioxidant”, dẫn đến sự hoạt động của anthocyanin tăng, cải tiến tính chống chịu stress phiu sinh học. Xem  BMC Plant Biology.

Phát triển giống lúa mạch có gen đột phá ENGase thông qua CRISPR-Cas9

Công nghệ chỉnh sửa genome có chủ đích bằng hệ thống CRISPR-Cas9 đã và đang được áp dụng rộng rải nhằm gây đột biến chủ đích các gen của thực vật. Các nhà khoa học thuộc ĐH “Natural Resources and Life Sciences”, Áo, đứng đầu là Eszter Kapusi, đã sử dụng CRISPR/Cas9 để đột phá gen trong cây lúa mạch (Hordeum vulgare) - gen endo-N-acetyl-β-D-glucosaminidase (ENGase). Năm phân tử “single guide RNAs” (sgRNAs) được thiết kế để đánh dấu các vị trí chủ đích khác nhau tại vùng “upstream” của đoạn phân tử mật mã ENGase. Đánh giá kiểu gen được tiến hành trên các thể “transformants” sơ cấp và những dòng con của chúng để xác định sự hiện diện của các đột biến mất đoạn ngắn ở vị trí đặc biệt và đoạn phân tử chèn vào (indels) và các đoạn phân tử genomic bị mất giữa các cặp tại vùng chủ đích. Những đột biến ấy được quan sát chiếm 78% bộ gen cây, với hiệu quả cao hơn báo cáo trước đây trên cây lúa mạch. Những phân tử indels có tính chất kích hoạt và những đoạn bị mất di truyền sang thế hệ T1, cộng thêm sự knockout “transgene” đồng hợp tử ENGase được người ta quan sát  trong cây T1. Điều đó chứng minh rằng các dòng lúa mạch đột biến với gen ENGase có tính chất đột phá sẽ có thể được tạo ra một cách có hiệu quả khi sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9. Xem Frontiers in Plant Science.

Methyl hóa DNA ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống TALEN trong chỉnh sửa genome của cây lúa

Hệ thống TALENs (Transcription activator-like effector nucleases) là một trong những SSNs  có khả năng cung cấp tính chuyên biệt tại vùng chủ đích cao hơn hết. Tuy nhiên, chúng rất nhạy cảm với cytosine bị methyl hóa thường xảy ra trong những “transposons” và trong những gen hoạt động của thực vật. Trong tế bào động vật có vú, sự nhạy cảm với methyl hóa  của TALENs có thể được khắc phục bằng kỹ thuật sử dụng module có tên là “base-recognition module” (N^∗) với ưu thế riêng cho gốc cytosine bị methyl hóa. Tuy vậy, hiệu quả của N^∗ module trong thực vật vẫn còn chưa được khai thác nhiều. Các nhà khoa học thuộc National Agriculture and Food Research Organization, Nhật Bản đã thiết kế hệ thống TALENs có hoặc không có N^∗ modules và xem xét hiệu quả của chúng trong chỉnh sửa genome vùng bị methyl hóa của bộ genome cây lúa. Cho dù có sự cải tiến trong chỉnh sửa genome được thấy với hệ thống N^∗-TALENs thiết kế riêng cho vùng đích bị methyl hóa khá bền vững, nhưng các vị trí chủ đích khác mang cytosines với nhiều mức độ methyl hóa khác nhau cho thấy tính kháng đối với TALENs bình thường và N^∗-TALENs. Xem Frontiers in Plant Science.

Các nhà khoa học thuộc ĐH Wageningen cung cấp bản đồ di truyền chi tiết của cây hoa hồng

Nhóm nghiên cứu di truyền và chọn giống của ĐH Wageningen đã hoàn thành dữ liệu chi tiết về bản đồ di truyền của cây hoa hồng. Cây hoa hồng là thực vật tứ bội thể và rất không rõ ràng  để biết làm thế nào 4n bắt cặp trong quá trình phân bào, một tiến trình quan trọng xác định các gen chức năng có thể di truyền cho thế hệ sau, khi tiến hành lai hai giống hoa hồng với nhau.  Nhóm nghiên cứu này đã phát triển một phần mềm mới có khả năng tạo ra một bản đồ di truyền tốt. Hơn 25.000 chỉ thị phân tử di truyền có thể được tìm thấy trên bản đồ di truyền mới này  của cây hoa hồng, phân chia đều nhau trên 4 x 7 nhiễm sắc thể. Thông qua công cụ phần mềm mới ấy, họ đã tìm thấy cách thức cây bông hồng cho phép bộ nhiễm sắc thể bắt cặp như thế nào trong gián phân giảm nhiễm khá phức tạp. Sự bắt cặp ấy mang tính chất ngẫu nhiên, nhưng ở bất cứ vị trí nào trên nhiễm sắc thể đều giống nhau của hai nhiễm sắc thể tương đồng – luôn luôn hoặc hầu như luôn luôn phải bắt cặp kiểu như vậy. Xem Wageningen University & Research website.

Gen của cây thanh hao hoa vàng (Artemisia annua) làm tăng gấp đôi hàm lượng artemisinin

Cây thanh hao hoa vàng có tên khoa học là  Artemisia annua đã được người ta sử dụng trên 2.000 năm qua như một thảo dược tại Trung Quốc để trị bệnh sốt rét. Phân tử artemisinin có hoạt tính được tổng hợp từ trong cây này tại những trichomes – là dược phẩm chính trong chữa bệnh sốt rét của toàn thế giới. Nhưng hàm lượng chất này thường rất thấp nên giá thành dược phẩm cao làm cho thuốc trở nên quý hiếm. Một nhóm các nhà khoa học quốc tế thuộc Centre for Research in Agricultural Genomics (CRAG) và Sequentia Biotech S.L. đã có thể thu thập nhiều hơn dược phẩm này thông qua công nghệ di truyền, làm cho cây Artemisia annua có thể sản sinh ra gấp đôi số lượng artemisinin so với đối chứng. Họ đã phân lập một gen có trong sự hình thành nên “plant trichomes” (hệ lông tơ) và tổng hợp chất terpenes, điển hình là artemisinin. Gen AaMYB1 có một chức năng kép: vừa kích hoạt tạo hệ lông tơ trên lá (Leaf trichome); vừa tổng hợp ra artemisinin ở trong những trichomes này. Soraya Pelaz, nhà khoa học của CRAG và là tác giả chính của công trình nghiên cứu này đã nói rằng, "Thao tác gen AaMYB1 chúng tôi đã quản lý được cách trồng cây thanh hao hoa vàng, sản sinh ra gấp đôi lượng artemisinin so với cây đối chứng." Các nhà nghiên cứu của CRAG đã thiết kế thành công những cây transgenic có khả năng thể hiện mạnh mẽ gen AaMYB1 và thấy rằng chúng tích tụ với hàm lượng lớn chất artemisinin hơn nhiều so với cây không chuyển gen. Họ đã tiến hành thực hiện trên cây mô hình Arabidopsis thaliana và tìm được gen AtMYB61.  Xem CRAG News.