Tuần tin khoa hoc 561(18-24/12/2017)

Làm câm gen DND1 trong hệ gen cây khoai tây, cây cà chua liên quan đến tính kháng bệnh do nấm Botrytis cinerea

Nấm Botrytis cinerea gây bệnh cho nhiều loài cây trồng như khoai tây, cà chua. Những gen chủ lực điều khiển tính kháng bệnh mốc xanh do nấm B. cinerea gây ra, hiện chưa được biết rõ ràng, mặc dù đã có một vài QTL (quantitative trait loci) đã và đang được mô tả trong hệ gen cây cà chua. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh đột biến mất chức năng (loss of function) của những gen nhiễm bệnh đặc biết nào đó (S) có thể tạo ra được tính kháng bệnh do nấm B. cinerea trên cây Arabidopsis. Nhóm nghiên cứu của “Kaile Sun Wageningen University & Research” đã sử dụng kỹ thuật RNAi làm câm những gen đồng dạng (orthologs) của họ gen nhiễm (S) trong cây Arabidopsis: gen DND1, DMR6, DMR1 và PMR4 trong cây khoai tây, phân tử “DND1 ortholog” trong cây cà chua. Gen DND1 bị câm trong cây khoai tây và cây cà chua đã làm giảm đáng kể vết bệnh của nấm mốc xanh B. cinerea so với cây đối chứng. Vết bệnh suy giảm đáng kể ấy được quan sát trên lá cây khoai tây có gen DMR6 bị câm nhưng chỉ 3 ngày sau khi chủng bệnh. Mặt khác, gen bị xử lý câm của DMR1 và PMR4 trong cây khoai tây biến nạp gen vẫn còn nhiễm bệnh do B. cinerea so với cây đối chứng. Phân tích vi phẩu thuật  lá cây  cây khoai tây có gen DND1 bị câm và lá cây cà chua cho thấy số bào tử (conidia) của nấm B. cinerea đã giảm đi đáng kể. Bên cạnh đó, tăng trưởng của khuẩn ty (hyphae) cũng bị ức chế. Làm câm gen DND1 dẫn đến kết quả làm giảm đi tính nhiễm bệnh đối với nấm Botrytis, có liên quan đến sự ức chế sự nẩy mầm của bào tử, gắn liền với tăng trưởng của khuẩn ty. Đây là kiến thức mới có liên quan đến việc sử dụng gen nhiễm S trong cải tiến giống kháng bệnh. Xem BMC Plant Biology.

Gen ThPP1 trong cây lúa biến nạp gen tăng cường tính chống chịu stress kiềm (alkali)

Enzyme “pyrophosphorylase” vô cơ vô cùng cần thiết trong sự phân giải nước của pyrophosphate đối với phosphate vô cơ trong suốt quá trình tăng trưởng của cây. Các nhà khoa học Trung Quốc, đứng đầu là Rui He thuộc ĐH Nông Nghiệp Shenyang  và Viện Hàn Lâm Khoa Học Nông Nghiệp, đã nghiên cứu cây lúa chuyển gen thể hiện mạnh mẽ gen mã hóa pyrophosphatase hòa tan có tính chất vô cơ, gen ThPP1, từ cây “salt cress” – tên khoa học là Thellungiella halophila (hình), đáp ứng với stress kiềm (alkaline stress; viết tắt là AS). Phân tích cho thấy các dòng lúa transgenic tăng cường tính chống chịu với AS khi so sánh với cây lúa nguyên thủy. Tổng cộng có 379 gen thể hiện hết sức khác nhau được tìm thấy có tính chất điều tiết theo kiểu UP trên lá cây lúa transgenic. Phân tích sâu hơn cho thấy tính kháng mạnh mẽ này của cây lúa transgenic đối với AS dường như kết hợp với sự điều tiết kiểu UP của những gen điều khiển hoạt động điều hòa áp suất thẩm thấu. Gen ThPP1 có vai trò quan trọng trong điều tiết khi cây lúa chống chịu lại AS, và đây là một gen ứng cử viên trong cải tiến giống lúa cũng như giống cây trồng khác, chống chịu lạ kiềm. Xem Plant Cell Reports.

Gen AtGOLS1 của cây Arabidopsis điều tiết thụ động hoạt động nẩy mầm của hạt

Hạt nẩy mầm bắt đầu pha tăng trưởng của thực vật, tốc độ nẩy mầm tùy thuộc vào hormone tăng trưởng, ví dụ như abscisic acid (ABA), gibberellin (GA) và brassinosteroids (BRs), cũng như tùy thuộc vào các yếu tố ngoại cảnh khác. Nhóm nghiên cứu của Ji-Hye Jang thuộc Sookmyung Women's University, Hàn Quốc, đã tìm thấy những hoạt chất bổ sung có thể ảnh hưởng đến sự nẩy mầm của hạt, thông qua sử dụng đột biến gen det2-1 và ga1-3, mà những gen đột biến ấy làm giảm sự nẩy mầm của hạt do sự tổng hợp lỗi BR hoặc GA, theo thứ tự. Nhóm nghiên cứu này nhận thấy: dithiothreitol (DTT) đặc biệt tăng cường hạt nẩy mầm của cây đột biến gen det2-1. Họ đã phân lập gen và tập trung nghiên cứu gen AtGOLS1 của cây Arabidopsis, xem xét gen thể hiện ra làm sao giữa các cây mutants này và chúng được xử lý bằng DTT (dithiothreitol). Gen AtGOLS1 mã hóa “galactinol synthase”, enzyme này rất cần cho tổng hợp oligosaccharide trong suốt thời kỳ chín hạt. Sự thể hiện gen AtGOLS1 giảm trong điều kiện thuận lợi cho hạt nẩy mầm. Bên cạnh đó, tốc độ hạt nẩy mầm trở nên nhanh hơn trong dòng đột biến knockout AtGOLS1 so sánh với cây bình thường. Như vậy, gen AtGOLS1 hoạt động như một “regulator” tiêu cực trong sự nẩy mầm hạt cây Arabidopsis. Xem Plant Science.

Các nhà khoa học Ấn Độ chỉnh sửa hệ gen cây chuối bằng CRISPR-Cas9

CRISPR-Cas9 được ghi nhận trong cải biên hệ gen của nhiều loài cây trồng khá chính xác. Tuy nhiên, điều này chưa được ghi nhận trên cây chuối. Muốn chứng minh điều ấy, các nhà khoa học thuộc “National Agri-Food Biotechnology Institute”, Ấn Độ, đã tiến hành nghiên cứu nhằm mục đích tạo ra được đột biến có chủ đích thành công đối với gen phytoene desaturase (RAS-PDS) trong giống chuối Rasthali, bằng hệ thống CRISPR-Cas9. Hai gen PDS, đó là RAS-PDS1 và RAS-PDS2, được phân lập từ giống chuối Rasthali< được mang đi phân tích. Người ta xác định rằng cả hai PDS đều có motifs rất bảo thủ đối với hoạt động của enzyme. Một phân tử “single guide RNA” (sgRNA) được thiết kế để đánh dấu đích đến  vùng rất bảo thủ ấy của hai gen RAS-PDS; rồi tiến hành chuyển nạp với Cas9 trong môi trường treo có mô phôi (embryogenic cell suspension: môi trường ECS). Kiểu hình cây hoàn toàn bạch tạng và cây biến dạng được quan sát trong cây con tái sinh. Trình tự DNA của 13 cây được giải để xác định các “indels” với tần suất đột biến 59% của RAS-PDS. Hàm lượng diệp lục và hoàn lượng carotenoid tổng số suy giảm được tìm thấy trong dòng chuối đột biến, nói lên sự đột phá chức năng của cả hai gen RAS-PDS. Kết quả chứng minh kỹ thuật chỉnh sửa gen thông qua hệ thống CRISPR-Cas9 có thể áp dụng để cải biên thành công trên genome cây chuối. Xem Functional & Integrative Genomics.

Lignin giảm đi trong cỏ “switchgrass” thông qua CRISPR

Lignin, một thành phần quan trọng của thành tế bào thực vật, được xem như điểm nghẽn trong công nghệ sàn xuất nhiên liệu sinh học, khi người ta khai thác loài cỏ switchgrass (tên khoa học là Panicum virgatum) (xem hình). Những thành tựu của công nghệ chỉnh sửa hệ gen cây trồng mang đến cho chúng ta nhiều cơ hội hơn để cải tiến giống có switchgrass, đây là loài Hòa Thảo dị tứ bội (allotetraploidy với 2n = 4x =36) gây khá nhiều khó khăn trong thao tác kỹ thuật sinh học. Nhóm nghiên cứu của Jong-Jin Park thuộc Oak Ridge National Laboratory đã phát triển hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR-Cas9 của cây cỏ switchgrass với chuẩn đích đến là 4 - coumarate : coenzyme A ligase (4CL), một enzyme chủ lực trong các bước đầu tiên của tiến trình sinh tổng hợp monolignol, một thành phần của lignin. Trong ba gen 4CL này của cỏ switchgrass, phân tử transcript của gen Pv4CL1 xuất hiện nhiều nhất. Gen Pv4CL1 được người ta chọn lọc như một đối tượng chính trong hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 và một phân tử “guide RNA” được thiết kế để dẫn đến điểm đích. Trong 39 cây được chỉnh sửa hệ gen, có bốn cây được xác định là đột biến mang tính chất “tetra-allelic” đồng thời. Cây có gen knockout Pv4CL1 đã làm giảm chiều dày của thành tế bào, một sự suy giảm đáng kể hàm lượng lignin tổng số, một sự gia tăng glucose được phóng thích cũng như sự gia tăng xylose. Đây là kết quả nghiên cứu thành công hệ thống CRISPR-Cas9 trong hệ gen cây cỏ switchgrass. Hàm lượng lignin giảm đáng kể trong đồng cỏ chăn nuôi cung cấp “lignocellulosic feedstock”. Xem BMC Plant Biology.

Các nhà khoa học của Viện Salk sử dụng hệ thống CRISPR cải biên để xử lý bệnh

Các nhà khoa học thuộc tổ chức “Salk Institute for Biological Studies” đã phát triển một “version” mới về công nghệ chỉnh sửa hệ gen CRISPR-Cas9, cho phép kích hoạt các gen, mà không làm vở gãy phân tử DNA này. Kỹ thuật hiệu quả như vậy là tiềm năng trợ giúp loài người xử lý bệnh thông qua công cụ “gene editing”. Với hệ thống nguyên thủy của CRISPR-Cas9, tiến trình này phải sử dụng Cas9 enzyme, cùng với phân tử hướng dẫn “guide RNAs”, mà vị trí điểm đến chắc chắn sẽ là những đoạn đứt gãy của dây đôi - được tạo ra. Gần đây, các nhà khoa học đã đề xuất "dead version” của Cas9; nó xác định đích đến ở những vị trí đặc biệt trong genome, mà không cần phải cắt dài hơn phân tử DNA mục tiêu. Thật vậy, chính dCas9 này di chuyển với các nút bật tắt phân tử (molecular switches), chúng bật mở các gen mục tiêu theo lập trình. Tuy vậy, chính phân tử dCas9 này và hệ thống bật tắt của nó quá cỡ lớn, so với kích thước của virus được sử dụng để mang chúng đi vào tế bào của sinh vật sống. Nhóm nghiên cứu của Izpisua Belmonte thuộc tổ chức Salk, đã kết hợp Cas9/dCas9 với nhiều “activator switches” khác nhau nhằm tìm kiếm một tổ hợp công tác tích cực, khi những protein này không dung hợp được trong một sinh vật nào đó. Người ta hợp nhất Cas9 hoặc sCas9 vào trong một virus, và những “switches” của nó với phân tử hướng dẫn “guide RNAs” vào trong một con virus khác. Theo đó, việc áp dụng công nghệ mới này sẽ xử lý được nhiều bệnh tật một cách thành công, đó là bệnh đái tháo đường, bệnh suy thận cấp tính, và sự loạn dưỡng cơ bắp (muscular dystrophy) trong nghiên cứu hệ gen chuột mô hình. Xem video from Salk

Hình: Từ trái sang phải Hsin-Kai (Ken) Liao, Juan Carlos Izpisua Belmonte và Fumiyuki Hatanaka. Credit: Salk Institute