Tuần tin khoa hoc 560 (11-17/12/2017)

Gen Elongator của Arabidopsis tăng cường tính kháng bệnh cho cây dâu tây

“Elongator” là một phức protein đa chức năng có trong nhiều tiến trình sinh học của tế bào, có trong quá trình cải biên histone, methyl hóa DNA, và cải biên tRNA. Gần đây, protein Elongator xuất hiện như một “regulator” quan trọng trong phản ứng miễn nhiễm của thực vật. Tuy nhiên, bản chất của chức năng miễn nhiễm thực vật như vậy chỉ được quan sát trên cây mô hình Arabidopsis thaliana. Do vậy, người ta vẫn không rõ sự miễn nhiễm trong thực vật có thực sự được bảo tồn trong thực vật bậc cao hay không. Nhóm nghiên cứu của Katchen Julliany P. Silva thuộc Đại Học Florida đã định tính cây dâu tây transgenic (tên tiếng Anh là “woodland strawberry”, tên khoa học là Fragaria vesca L.; thể hiện mạnh mẽ hai gen của Arabidopsis thuộc họ gen Elongator (AtELP), đó là gen AtELP3 và gen AtELP4. Người ta đã xác định cây dâu tây mang gen Elongator chức năng. Sự thể hiện mạnh mẽ gen AtELP3 và AtELP4 trong cây dâu tây đã làm tăng cường tính kháng bệnh thán thư (anthracnose crown rot), bệnh phấn trắng (powdery mildew), và bệnh đốm lá (angular leaf spot). Phân tích sâu hơn cho thấy hệ gen cây dâu tây có sáu tiểu đơn vị (subunit) của protein Elongator, đó là FvELP4 subunit, nó được mã hóa bởi hai gen tương đồng. Gen FvELP4–1 thể hiện trong cây Arabidopsis đột biến chứng minh rằng FvELP4 có chức năng sinh học. Gen Elongator là họ gen đầy tiềm năng làm giảm sự nguy hại của bệnh cây và giúp người ta giảm phun thuốc trị nấm trong ngành sản xuất dâu tây. Xem BMC Plant Biology.

miR172c và NNC1 điều khiển sự phát triển rễ cây đậu nành khi phản ứng với stress mặn

Rễ cây trồng cực kỳ nhạy cảm với mặn và rất linh hoạt. Tuy nhiên, cơ chế phân tử của chúng về điều tiết của gen theo kiểu nào vẫn chưa được biết rõ ràng, khi rễ phát triển trong đất. Những nghiên cứu trước đây đã ghi nhận gen miR172c và NNC1 có vai trò quan trọng trong sự cộng sinh của cây đậu nành với vi khuẩn cố định đạm. Vì promoter của gen miR172c có rất nhiều nguyên tố liên quan đến stress, miR172c có thể có một vai trò đối với stress phi sinh học. Zulfiqar Ali Sahito và Lixiang Wang thuộc Đại Học Nông Nghiệp Huazhong, Trung Quốc đã nghiên cứu miR172c nhằm xác định cơ chế linh hoạt  phát triển rễ (root developmental flexibility). Họ thấy rằng miR172c bị kích hoạt mạnh khi có stress mặn xảy ra trong cây đậu nành (Glycine max).Sự thể hiện mạnh mẽ của gen miR172c đã làm tăng phản ứng nhạy cảm rễ đậu nành với stress mặn. Trái lại khi làm “knockdown” hoạt động của gen miR172c cho kết quả mức độ nhạy cảm này giảm đi đối với stress mặn. Bên cạnh đó, gen đích của miR172c, là NNC1 (Nodule Number Control 1), điều tiết theo kiểu DOWN  trong điều kiện bị stress mặn. Rễ cây đậu nành chuyển gen (transgenic) hoặc biểu hiện mạnh mẽ, hoặc bị “knocked-down” thể hiện gen NNC1. Chúng thể hiện sự biến đổi độ nhạy cảm của rễ đối với stress mặn. Kết quả nghiên cứu này chứng ming rằng “module”  miR172c-NNC1 giúp rễ cây đậu nành chống chịu stress mặn tốt hơn. Xem BMC Plant Biology.

CRISPR-Cas9 và TALENs tạo đột biến có chủ đích trong nghiên cứu phân tử sRNA của loài cây trồng họ Đậu

Tiến trình phát sinh ra phân tử tạo nên dây kép RNA (precursors) rất cần thiết cho sự thể hiện của gen điều tiết, khi cây phát triển và phản ứng với  stress. Phân tử có tên là  “Small RNA” (sRNA) khi sinh ra cần có hoạt động  của một nhóm có tính chất đa dạng nhiều hợp phần khác nhau. Tuy nhiên, trong hầu hết các loài thực vật, chúng không có đầy đủ nguồn vật liệu đột biến để người ta nghiên cứu từng hợp phần như vậy. Nhóm nghiên cứu của Shaun J. Curtin thuộc Đại Học Minnesota đã tạo ra các dòng cây họ Đậu đột biến, đặc trưng cho mỗi loci mang tiến trình sinh ra phân tử sRNA của cây đậu nành (Glycine max) và cây cỏ linh lăng hay còn gọi là cỏ alfalfa (Medicago truncatula) thông qua hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 và TALENs. CRISPR-Cas9 được sử dụng để tạo ra đột biến có tính chất “bi-allelic” kép đối với hai “paralogs” của cây đậu nành đối với đột biến gen Double-stranded RNA-binding2 (Gmdrb2ab mutant). Trong khi đó, CRISPR-Cas9 được sử dụng tạo dòng alfalfa đột biến không có gen Hua enhancer1 (MtHen1). Tất cả đột biến ấy được thấy có tính chất di  truyền lại cho thế hệ sau (transmissible). Mặt khác, TALENs được áp dụng để tạo ra đột biến trong gen cây đậu nành Dicer-like2. Đột biến chủ đích bởi CRISPR-Cas9 trong gen cây đậu nành Dicer-like3 và gen GmHen1a được người ta quan sát và ghi nhận, nhưng chúng không di truyền lại cho thế hệ sau. Sau cùng, một set các tổ hợp dòng đột biến được hình thành bởi tập hợp các cây đột biến trước đó với dòng đột biến kép Gmdrb2ab (double mutant). Kết quả đã chứng minh được việc sử dụng thành công kỹ thuật hệ gen để tạo ra tập đoàn dòng đột biến hữu dụng phục vụ nghiên cứu chuyên sâu phân tử “small RNA” của cây họ Đậu. Xem Plant Biotechnology Journal.

Lúa Vàng ở Bangladesh

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại Học Wageningen đã báo cáo rằng giống Lúa Vàng (Golden Rice) có thể giúp người dân ở Bangladesh giảm thiểu bệnh khiếm dưỡng do thiếu vi lượng quan trọng trong hạt gạo, đặc biệt là tiền chất của vitamin A. Họ chứng minh lúa Vàng đã làm gia tăng đáng kể tiền chất của vit. A, dưới dạng “beta carotenoid” trong nội nhũ hạt gạo, mà không có tác dụng phụ có hại nào xảy ra. Cây lúa chuyển gen ấy có tên là GR2 R BRRI dhan29 đạt năng suất cao, tăng10% so với giống đối chứng trong khảo nghiệm đồng ruộng, và phẩm chất dinh dưỡng tăng gấp nhiều lần, rất có lợi cho người dân Bangladesh. Với những tiện ích như vậy, các nhà khoa học đã khuyến cáo chúng ta nên chấp nhận giống Lúa Vàng phát triển ở Bangladesh nói riêng và trên thế giới nói chung. Xem research article.

Hình 1:  Cấu trúc của T-DNAs được thiết kế chuyển nạp vào cây lúa transgenic. Thiết kế này bao gồm glutelin promoter (Glu), intron đầu tiên của gen “catalase” lấy từ cây thầu dầu (castor bean) (I), Pantoea ananatis crtI, hoạt động với lục lạp của đậu Hà Lan “pea RUBISCO” transit peptide (SSUcrtI) và gen phytoene synthase psy của cây “daffodil” (Narcissus pseudonarcissus), một nos terminator, một marker chọn lọc (selectable marker cassette) từ polyubiquitin (Ubi1) promoter của cây bắp, intron, kháng hygromycin (hpt) và nos terminator (Paine, Shipton, Chaggar, Howells, & Kennedy, 2004).

Hình 2: Cấu trúc T-DNA, vector pSYN12424.

Hình 3 : So sánh hạt gạo giữa hai giống lúa vàng GR1 và GR2 với giống gốc (wild type) (Paine, Shipton, Chaggar, Howells, & Kennedy, 2004)

Bảng 1: Kết quả phân tích vi dưỡng chất trong hạt gạo