Tuần tin khoa hoc 549 (25/09-01/10/2017)

Gen của cây nho hoang dại kháng bệnh phấn trắng được chuyển vào cây nho biến đổi gen

Sự phân rả protein thành amino acid bởi hệ enzyme (ubiquitination) có vai trò quan trọng trong tính kháng bệnh của cây. Lingmin Dai và ctv. thuộc Đại Học “Northwest A&F”, Trung Quốc đã phân lập và định tính gen mã hóa enzyme “RING-type ubiquitin ligase”, VpUR9, từ mẫu giống nho hoang dại Trung Quốc kháng bệnh phấn trắng (powdery mildew) (Vitis pseudoreticulata). Kết quả được công bố trên tạp chí Plant Cell Tissue and Organ Culture. Gen này được tìm thấy bị kích thích khi có bệnh phấn trắng tấn công và nghiệm thức xử lý salicylic acid (SA). Gen VpUR9 đã được dòng hóa (cloned) và được chuyển nạp vào giống nho trồng nhiễm bệnh phấn trắng (Vitis vinifera L.) – giống nho Red Globe. Mười hai dòng nho transgenic có chưa gen này được tạo ra, không có dòng nào nhiễm bệnh phấn trắng. Bên cạnh đó, sự thể hiện của những gen có liên quan đến tính kháng bệnh trong giống nho Red Globe chuyển gen cũng giảm so với cây nguyên thủy khi chủng nấm gây bệnh phấn trắng và khi xử lý salicylic acid. Kết quả cho thấy rằng gen VpUR9 có thể điều tiết một cách tiêu cực tính kháng của giống nho Red Globe chuyển gen đối với bệnh phấn trắng thông qua sự biến đổi chu trình tự vệ tùy thuộc vào SA và tùy thuộc vào MeJA. Xem Plant Cell Tissue and Organ Culture.

MsmiR156 tăng cường sự phát triển rễ và sự cố định đạm trong cây cỏ Alfalfa

MicroRNA156 (miR156) điều hòa hệ thống các gen có ảnh hưởng đến tăng trưởng và phát triển của cây. Những nghiên cứu trước đây đã tạo ra cây cỏ ba lá “alfalfa” (Medicago sativa) thể hiện mạnh mẽ phân tử tương đồng “homologous miR156” (MsmiR156OE). Phân tử RNA này khi thể hiện đã làm tăng năng suất sinh khối, kéo dài thời gian trổ bông, và làm cho rễ cây dài hơn. Một nhóm các nhà khoa học thuộc “Agriculture and Agri-Food Canada”, đứng đầu là Banyar Aung đã nghiên cứu và giải thích được ảnh hưởng của miR156 trên hệ thống rễ cỏ ba lá, bao gồm ảnh hưởng tạo nốt sần và sự cố định đạm. Họ nhận thấy sự thể hiện mạnh mẽ của MsmiR156 làm tăng sự tái sinh rễ cây alfalfa, nhưng có rất ít ảnh hưởng đến sinh khối rễ ở giai đoạn đầu khi rễ phát triển. MsmiR156 còn tăng cường hoạt động cố định đạm thông qua sự điều tiết theo kiểu UP đối với thể hiện gen mã hóa enzyme “nitrogenase”, ví dụ như gen FixK, NifA, và RpoH trong hệ rễ được chủng Sinorrhizobium meliloti. Phân tích sâu hơn rễ cây alfalfa có phân tử MsmiR156OE khẳng định các gen được thể hiện ra rất khác biệt nhau, tùy theo mức độ biểu thọ chức năng khác nhau, bao gồm cấu trúc thành tế bào và chức năng phản ứng lại stress khô hạn. Phân tích còn cho thấy ảnh hưởng của miR156 đối với các gen có chức năng tạo nốt sần, phát triển rễ, và sinh tổng hợp phytohormone. Như vậy, miR156 điều tiết sự phát triển rễ và hoạt động cố định đạm. Nội dung này có thể được áp dụng để cải tiến giống cỏ ba lá phục vụ sản xuất. xem Transgenic Research.

Cry1Ac trong cây cà chua điều khiển tính kháng sâu vẽ bùa (leaf miner) trên lá

Sâu vẽ bùa trên lá cà chua (tomato leaf miner: Tuta absoluta) là đối tượng gây thiệt hại nghiêm trọng trên ruộng trồng cà chua. Côn trùng này ăn  từng phần của cây, làm cây chết. Bên cạnh đó, nó rất khó kiểm soát bằng thuốc hóa học. Các nhà nghiên cứu thuộc “Izmir Institute of Technology” và Đại Học Akdeniz, Thổ Nhĩ Kỳ  đã chuyển nạp thành công gen cải biên của vi khuẩn Bacillus thuringiensis cry1Ac vào cây cà chua thông qua phương pháp chuyển nạp gián tiến bằng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Bốn dòng transgenic biểu hiện transgene Cry1Ac được người ta tạo ra thành công. Sự thể hiện của protein Cry1Ac trong cây cà chua làm cho sâu T. absoluta chết với mật số cao (38–100%). Hơn nữa, người ta thấy rằng một bản sao chép của gen này trong điều kiện “hemizygous” (chỉ có một bản sao thay vì hai bản sao) là đủ để giết sâu T. absoluta. Đây là công trình nghiên cứu cây cà chua biến đổi gen có khả năng thương mại hóa giống mới kháng sâu vẽ bùa. Xem Plant Cell, Tissue and Organ Culture.

CRISPR-Cas9 được sử dụng để tạo ra giống lúa chống chịu lạnh

Lúa (Oryza sativa) ở giai đoạn mạ rất nhạy cảm với nhiệt độ lạnh. Do đó, người ta tập trung cải tiến tính chống chịu giá rét ở giai đoạn mạ của cây lúa để làm tăng chất lượng và năng suất. Nhóm các nhà khoa học đứng đầu là Huang Xiao Zhen thuộc Guizhou University, Trung Quốc đã phân lập được một protein đóng vai trò yếu tố phiên mã, TIFY1b, nó có thể có chức năng chống chịu lạnh của cây lúa. Muốn khai thác chức năng của gen TIFY1b và gen tương đồng với nó TIFY1a, người ta sử dụng hệ thống chỉnh sử hệ gen CRISPR-Cas9. Giống lúa Nipponbare được chuyển nạp gen chỉnh sửa theo hệ thống CRISPR-Cas9. Phân tích các dòng lúa transgenic thế hệ T₀ cho thấy đốy biến phát sinh có tần suất biến thiến từ 60% đến 87.5%. Kết quả cho thấy CRISPR-Cas9 có thể rất hiệu quả tại nơi có chủ đích trong hệ gen cây lúa. Phân tích protein cho thấy đột biến này có tính chất mất chức năng (loss-function) của các gen TIFY1a hoặc TIFY1b ở thế hệ T₀. Những đột biến như vậy ó thể di truyền cho thế hệ sau một cách ổn định. Hàng loạt các dòng đột biến tify1 được thu thập thành công làm nguồn vật liệu để nghiên cứu vai trò của gen TIFY1 giúp cây lúa thích ứng với nhiệt độ giá lạnh. Đây có thể là một pathway thích ứng với nhiệt độ lạnh của cây lúa và giúp các nhà chọn giống tạo ra giống lúa mới chịu lạnh tốt. Xem Journal of Agricultural Biotechnology.

CRISPR và đột phá năng suất cây trồng

Các nhà khoa học thuộc tổ chức Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) đã thực hiện việc chỉnh sửa hệ gen để cải tiến năng suất cây trồng nông nghiệp. Họ đã ứng dụng kỹ thuật này trên cây cà chua, với hệ thống CRISPR-Cas9 nhanh chóng tạo ra rất nhiểu biến chủng (variants) của cây cà chua với tính trạng được cải tiến theo mong muốn là: kích cỡ trái, cấu trúc phân nhánh của cây (branching architecture), và dạng hình tổng thể của cây (overall plant shape) mà những tính trạng ấy quyết định năng suất quả cà chua. Phương pháp cải tiến nhằm vào 3 chữ “food, feed, and fuel” (lương thực, thực phẩm và nhiên liệu), bao gồm loài cây trồng chủ lực của thế giới là lúa, bắp, cao lương và lúa mì. Họ đã sử dụng công cụ “CRISPR scissors" để tạo ra nhiều lát cắt trong ba chuỗi trình tự hệ gen cây cà chua được biết như những promoters, khu vực DNA gần với trình tự mang mật mã của gen. Điều ấy giúp người ta biết được điều tiết khi nào, ở đâu,  và với mức độ nào mà các gen qui định năng suất trở nên tích cực nhất trong giai đoạn tăng trưởng của cây cà chua. Họ có thể kích hoạt một khung ảnh hưởng rất rộng trên sự thay đổi của mỗi một trong ba vùng trình tự đích này. Khi sử dụng CRISPR để tạo đột biến có chủ đích trên trình tự gen nói trên, nhóm nghiên cứu CSHL đã thấy rằng có một tác động vô cùng tinh tế đối với tính trạng di truyền số lượng có thể xảy ra theo mong muốn. Sự thể hiện gen có tính chất “fine-tuning” nhiều hơn là tính chất “deleting” hoặc làm bất hoạt những protein - kết quả mã hóa của gen điều khiển những tính trạng nông học có giá trị kính tế, bởi vì tính chất linh hoạt của biến thiên di truyền như vậy giúp người ta cải tiến năng suất tốt hơn  rất nhiều.  Giáo sư Professor Zachary Lippman của nhóm CSHL, nói rằng "Chọn tạo giống truyền thống cần thời gian công sức rất lớn và nổ lực để có thể thích ứng được với những biến chủng (variants) có ích của các gen mong muốn, đối với giống cây trồng tốt nhất, giống ấy phải được cải thiện liên tục mỗi năm. Phương pháp tiếp cận mới của chúng tôi có thể giúp cho họ rút ngắn hơn thòi gian, khắc phục những trở ngại do variants bằng cách trực tiếp tạo ra những variants mong muốn nhất, chọn lọc chúng với hoạt động của gen điều khiển tính trạng mà đột biến tự nhiên đã từng xảy ra giúp việc chọn giống thuận lợi nhất. Bây giờ chúng tôi có thể nghiên cứu với phân tử “native DNA” (DNA tại chổ) và tăng cường cái mà tự nhiên đã cho chúng ta, chúng tôi tin tưởng có thể giúp cho mục tiêu đột phá được trần năng suất hiện nay." Xem CSHL News and Features.

Giải mã trình tự hệ gen cây phong lan Apostasia shenzhenica

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã và đang giải trình tự hệ gen cây phong lan Apostasia shenzhenica, loại hình phong lan của miền Nam Trung Quốc. Họ đã sử dụng “10x genomic scaffolding” để thực hiện chạy trình tự cả hai “short-read” và “long-read” để phát triển toàn bộ chuỗi trình tự của hệ gen loài này. Họ đã tiến hành so sánh chuỗi trình tự này với các trình tự của loài phong lan khác nhằm mục đích xác định các phần có cùng “versus” trong cơ sở bộ dữ liệu “transcriptome” để tham chiếu. Họ thấy rằng A. shenzhenica thuộc họ phong lan, và phần lớn hệ gen của nó là những bảo sao chép có tính chất “ảo” (virtual copies) từ các loại hình phong lan khác nhau. Họ ghi nhận “split off” của loài phong lan có hàng triệu năm trước đây, rất gần với loài phong lan lần đầu tiên có mặt trên trái đất này. Họ còn tìm thấy phong lan khắc phục được  một giai đoạn chính của tuyệt chủng (major extinction period) sau khi cây phân hóa chức năng và thực hiện quá trình tiến hóa qua thời gian rất dài chia ra thành 5 subfamilies. Đặc điểm của giai đoạn này là sự phát triển của cánh môi (hoa tự) rất nổi tiếng. Xem Nature.

Tăng cường thể hiện gen FSH làm giảm sự thụ tinh của lợn nái transgenic

FSH viết tắt từ chữ “follicle-stimulating hormone” điều tiết sinh dục trong lớp động vật có vú. Sự thể hiện mạnh mẽ gen ngoại sinh FSHα/β của giống lợn Trung Quốc “Erhualian” đã cải tiến được tính hữu thụ của chuột cái biến đổi gen và khả năng tạo tinh trùng của của heo nọc transgenic “Large White”. Nhóm các nhà khoa học thuộc Kai Jiang, ĐH Nông Nghiệp Jiangxi đã nghiên cứu tác động của gen ngoại sinh FSHα/β đối với hiệu quả thụ tinh của lợn nái “Large White”. Lợn nái con (gilts) biến đổi gen có hàm lượng protein “serum FSH và FSHβ” cao  trong tuyến yên (pituitary). Lợn nái con biến đổi gen rất khỏe mạnh và tăng trưởng bình thường không khác biệt có ý nghĩa so với lợn “wild types”. Tuy nhiên, những con transgenics này đẻ ít lơn con hơn dòng “wild type half sibs”. Mức độ thể hiện các gen FSHR, LHR, ESR1, và ESR2 thấp hơn đáng kể trong con transgenics so với con wild type gilts ở giai đoạn 300 ngày tuổi.  Nghiên cứu cho thấy sự thể hiện mạnh mẽ những transgenes FSHα/β có thể gây ra sự rối loạn trong thụ tinh của lợn nái Large White, làm xáo trộn sự thể hiện của các gen nội sinh có liên quan đến tập tính sinh dục của lớn nái. Xem Transgenic Research.