Tuần tin khoa học 525 (10-16/04/2017)

Gen chitinase liên quan đến tính kháng bệnh đốm vằn của cây lúa

Bệnh đốm vằn (ShB) do nấm Rhizoctonia solani gây ra, là một trong những bệnh hại lúa (Oryza sativa L.) rất nghiêm trọng, làm thiệt hại lớn đến năng suất. Các nhà khoa học, đứng đầu là Richa Kamboj thuộc Trung Tâm Nghiên cứu Quốc gia về Công nghệ Sinh Học Thực Vật, đã dòng hóa được gen chitinase của cây lúa LOC_Os11g47510 từ các dòng kháng bệnh đốm vằn R. solani- trong quần thể lúa Tẻ Tép, sau đó họ đã chèn gen này vào giống lúa japonica nhiễm bệnh ShB , cụ thể là dòng lúa Taipei 309 (TP309). Phân tích đã xác định sự hiện diện của transgene trong cây lúa chuyển gen. Phân tích sâu hơn những cây lúa chuyển gen này cho thấy có sự tương quan chặt chẽ giữa sự thể hiện của transgene và tính kháng bệnh đốm vằn của những dòng lúa  transformants. Xét nghiệm sinh học cho thấy sự hiệu quả của gen chitinase kháng bệnh đốm vằn trong tất cả cây lúa TP309 được chuyển gen. Gen chitinase mới này sẽ là ứng dụng có ý nghĩa trong chương trình cải tiến giống bằng kỹ thuật phân tử nhằm phát triển giống lúa kháng bệnh đốm vằn. Xem Frontiers in Plant Science.

Gm1-MMP tăng cường tính chống chịu  nhiệt độ nóng và ẩm độ cao của cây Arabidopsis

Matrix metalloproteinases (MMPs) là họ protein có tên gọi là endopeptidases. Gen Gm1-MMP của cây đậu nành (Glycine max) được người ta tìm thấy có vai trò quan trọng trong tái mô phỏng mô khi lá cây phát triển. Các nhà khoa học thuộc Đại Học Nanjing, đứng đầu là Sushuang Liu, đã phân lập và định tính gen Gm1-MMP. Phân tích cho thấy gen này mã hóa protein có tên là “plasma membrane protein”. Gen Gm1-MMP có mức thể hiện rất cao ở lá già, lá trưởng thành đầy đủ, ở võ đậu, và ở hạt trưởng thành. Người ta còn tìm thấy nó có vai trò trong sự phát triển của hạt đậu nành. Phân tích sâu hơn cho thấy gen này thể hiện khi cây phản ứng với điều kiện stress do nhiệt độ nóng và ẩm độ cao (HTH: high temperature and humidity) ở lá đậu nành và hạt đậu nành. Sự thể hiện mạnh mẽ gen Gm1-MMP trong cây Arabidopsis chuyển gen đã làm tăng cường sự chống chịu stress HTH của lá và hạt cải và cải thiện được sức sống của hạt. Hàm lượng hydrogen peroxide và reactive oxygen species (ROS) trong hạt cây Arabidopsis chuyển gen đều thấp hơn hạt của cây wild-type trong xử lý stress HTH. Kết quả cho thấy gen Gm1-MMP có vai trò quan trọng trong tăng trưởng và phát triển lá, hạt cũng như tính chống chịu stress HTH. Xem Plant Science.

Cải tiến nhanh giống nhanh giống cà chua trinh sản thông qua hệ thống CRISPR-Cas9

Hiện tượng trinh sản (parthenocarpy) trong loài cây trồng là một tính trạng quan trọng có giá trị nông nghiệp cao đối với nhiều mục tiêu công nghiệp hóa nông sản cũng như chất lượng nông sản. Nhóm nghiên cứu Risa Ueta thuộc Đại Học Tokushima, Nhật Bản, đã chứng minh  một kỹ thuật mới cải tiến giống để tạo ra giống cà chua trinh sản (Lycopersicum esculenta) thông qua hệ thống CRISPR-Cas9. Họ đã thiết kế hệ thống CRISPR-Cas9 nhằm tạo ra các  đột biến sô ma một cách hiệu quả, đối với gen SlIAA9, một gen chủ chốt điều khiển quá trình hình thành trinh sản, làm cho tỷ lệ cây đột biến cao 100% ở thế hệ T₀. Phân tích các dạng đột biến không chủ đích cho thấy những phân tử sgRNAs có tính chất tùy biến, không phải là những đột biến mong muốn trong bộ genome cây chủ. Các thể đột biến được tái sinh đã biểu hiện ra những thay đổi hình thái học theo dạng lá và có những quả không hạt, một đặc điểm của cà chua trinh sản. Thế hệ T_{1 tiếp} theo đó có kiểu hình liên quan đến bộ genome đồng hợp tử của đột biến. Hệ thống đang thảo luận trong bài viết này có thể được vận dụng để sản sinh ra giống cà chua trinh sản phục vụ sản xuất đại trà, cũng như những loài cây trồng khác của nghề vườn (horticulture). Xem Nature.

CRISPR-Cas9 và -Cpf1 sửa chữa  gen phát triển khí khổng của cây lúa

Sự du nhập và ứng dụng ngành sinh học hệ thống (systems biology) đã xác định được khá nhiều gen  tham gia vào giai đoạn đầu của phát triển cây trồng. Với kiến thức như vậy, một công cụ thích ứng ra đời nhằm minh chứng rõ hơn chức năng của những gen ứng cử viên. Sự phát triển của hệ thống CRISPR-Cas9/Cpf1 đã và đang cung cấp cho chúng ta một công cụ đầy sức mạnh để sáng tạo ra các đột biến “loss of function” khi nghiên cứu gen mong muốn nào đó. Các nhà khoa học của Viện Lúa Quốc Tế (IRRI), hợp tác với các nhà khoa học của ĐH Sheffield, Anh Quốc, ĐH North Carolina, Chapel Hill, Hoa Kỳ và ĐH Quốc Gia Autónoma de Mexico Cuernavaca, Mexico, đã sử dụng công nghệ CRISPR-Cas9 và CRISPR-Cpf1 để thực hiện “knock out” gen phát triển sớm OsEPFL9 (Epidermal Patterning Factor like-9), một gen đồng dạng (ortholog) của cây lúa so sánh với cây Arabidopsis trong điều khiển phát triển của khí khổng. Những mutants ấy đã chứng minh công nghệ chỉnh sửa genome mà kết quả di truyền sang thế hệ T₂ và những thể đột biến đồng hợp tử đã được thu nhận. Các cây đột biến đồng hợp tử này  bểu hiện  800% suy giảm mật độ khí khổng  trên bề mặt lá lúa, mọc xa trục (abaxial leaf). Phân tích cho thấy không có đột biến không chủ đích biểu hiện đáng kể. Họ đã sử dụng CRISPR-LbCpf1 (Lachnospiracae bacterium Cpf1) để xác định gen OsEPFL9 và tìm thấy Cpf1 có khả năng trong công nghệ “genome editing”. Nó chỉnh sửa và di truyền qua nhiều thế hệ có những kiểu hình đã thay đổi được quan sát bằng mắt thường với CRISPR-Cas9. Hiệu quả của CRISPR-Cas9 và Cpf1 rõ ràng là đánh trúng các vị trí trong bộ genome và phát triển ra những thể đồng hợp tử di truyền được sau khi chỉnh sửa gen. Xem Plant Cell Reports.

Các nhà khoa học của Bộ Nông Nghiệp Hoa Kỳ (USDA) sử dụng công cụ biotech nhằm cải tiến cây Guayule (họ Cúc) như nguồn cao su tự nhiên

Cao su thường được tạo ra từ sản phẩm dầu hỏa hoặc từ cây cao su trồng ở Châu Á. Nhưng cao su còn có thể được sản xuất từ cây guayule (Parthenium argentatum – họ Cúc), một loài cây mọc thành bụi trên sa mạc, trồng tại Tây Nam Hoa Kỳ, người ta xem đây là nguồng nguyên liệu cho ra cao su tự nhiên (natural rubber latex), sản xuất ra resins hữu cơ, và là nhiên liệu sinh học có năng lượng cao, là cây thức ăn gia súc.  Các nhà khoa học thuộc USDA, Hoa Kỳ đã phát triển một giống cây guayule cải tiến như một loài cao su bổ sung trong tự nhiên. Cây cao su cải tiến ấy có những cải biên DNA độc nhất vô nhị mà nhờ sự cải biên này, nó có thể dịch mã thành cao su có năng suất và sinh khối cao. Có hơn 2.000 cây guayule thí nghiệm trong nội dung nghiên cứu này tại Bridgestone Americas, phục vụ khảo nghiệm đồng ruộng. Năm 2013, Bridgestone Americas và USDA's Agricultural Research Service (ARS), ở Albany, California bắt đầu xây dựng qui trình đánh giá cây guayule cải biên ấy của ARS về mặt di truyền. Sự cải biên như vậy đã làm tăng hàm lượng cao su của cây đáng kể trong những thí nghiệm ngoài đồng và phỏng thí nghiệm. Một dự án khác của Đại Học Cornell, nhóm nghiên cứu này đã tìm kiếm những dạng hình cây guayule mà nó đã không có trong bộ sưu tập của ARS trước đây. Một nguồn quần thể cây được thu thập tại National Park Service's Manzanar Historic Site, ở California, đã được thu thập, lai, chọn thành giống trồng trọt và chế biến thành cao su thiên nhiên. Công viên ấy cung cấp hạt giống từ những cây gia truyền của dân địa phương (heirloom plants). Xem USDA AgResearch Magazine.

Sự biểu hiện mạnh mẽ gen  AtSHN1 trong cây dâu tằm làm giảm thất thoát nước trong lá dâu, sau thu hoạch

Lá cây dâu tằm (Morus species) là thức ăn chính của tằm (silkworms: Bombyx mori). Các stress phi sinh học làm giảm đáng kể năng suất lá dâu  và hàm lượng nước trong lá sau khi thu hoạch, khiến cho tăng trưởng của con tằm giảm, dẫn đến năng suất kén tằm cũng giảm. Đặc điểm của mặt lá dâu giúp cây điều hòa sự mất nước thông qua lớp biểu bì lá. Các nhà khoa học Ấn Độ, đứng đầu là R. S. Sajeevan thuộc Đại Học Khoa Học Nông Nghiệp, đã cho biểu hiện mạnh mẽ gen AtSHN1, một gen liên quan đến sinh tổng hợp chất sáp biểu bì lá cây Arabidopsis, vào bề mặt lá dâu với hàm lượng sáp tăng lên đáng kể. Cây dâu biến đổi gen ấy biểu hiện lá xanh đâm, sáng bóng, chất sáp trên bề mặt lá tăng. Phân tích cho thấy có sự thay đổi thành phần chất sáp trên bề mặt lá cũng như thay đổi đánh kể thành phần của chất sáp ấy của cây dâu chuyển gen. Hàm lượng sáp tăng làm thay đổi đặc điểm của bề mặt lá dâu, có một sự cải thiện đáng kể về ẩm độ lá (khả năng duy trì ẩm độ lá). Xét nghiệm sinh học con tằm, người ta không phát hiện bất cứ ảnh hưởng không mong muốn nào trên tăng trưởng của sâu non và năng suất kén tằm. Nghiên cứu đã chứng minh rằng sự thể hiện mạnh mẽ gen AtSHN1 có thể làm giảm sự mất nước lá tằm sau khi thu hoạch nhờ sự cải biên lớp sáp trên bề mặt lá. Xem Frontiers in Plant Science.