Tuần tin khoa hoc 566 (22-28/01/2018)

Các nhà khoa học Việt Nam phân tích chức năng gen ERF8 của Arabidopsis, thể hiện trong vi khuẩn E. coli

 ERF8 (ethylene-responsive factor 8), là một thành viên của họ gen “AP2/ERF” (superfamily), nó mã hóa protein TF (transcription factors) có trong sự kiện ức chế sự hóa già của lá cây. Sự hóa già của lá (Leaf senescence) là giai đoạn cuối của chu trình phát triển lá, bao gồm sự chuyển vị các chất dinh dưỡng từ lá già sang lá non với các mô mới được phát triển. Sự điều tiết nội dung hóa già lá cây tùy thuộc vào tình trạng phát triển theo tuổi cây, nó còn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố ngoại cảnh khác nữa. Nghiên cứu này cho thấy có sự đáp ứng của ERF8 và ERF4 là sự kiện chính trong chu trình truyền tín hiệu có liên quan đến sự vận hành lá hóa già. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào được tiến hành một cách đặc biệt về ERF8. Do vậy, nghiên cứu chức năng của nó và sự tương tác của ERF8 được xem như một chiến lược nghiên cứu hiệu quả để kiểm soát tính kháng của cây đối với các yếu tố của stress. Nguyen Thanh Huyen và đồng sự đã tiến hành nghiên cứu này, ERF8 được khuếch đại từ phân tử cDNA của cây Arabidopsis thaliana bằng kỹ thuật PCR, rồi dòng hóa nó trong vector pTZ257R/T. Gen này được tiến hành “subcloned” trong vector pGEX-5X và cho thể hiện trong vi khuẩn Escherichia coli chuẩn nòi số BL21. Họ đã phân tích các yếu tố ấy và xác định được điều kiện tối ưu cho protein ERF8 thể hiện ra trong vi khuẩn E. coli chủng nòi BL21 (ở điều kiện 30^oC sau 3 giờ kích hoạt với 0.5 mM IPTG). Cuối cùng, protein tái tổ hợp ERF8 được tinh sạch bởi sắc ký có ái lực cao (affinity chromatography) để nghiên cứu sâu hơn. Xem bài viết tiếng Việt.

http://www.tapchikhoahocnongnghiep.vn/uploads/news/2017_12/25.pdf

Sắn giàu vitamin A trong chiến lược “biofortification” hàm lượng beta-carotene

Một nghiên cứu mới ở vùng cận Sahara, châu Phi cho thấy chiến lược “biofortification” hàm lượng beta-carotene trong củ sắn đã làm gia tăng đáng kể provitamin A trong những giống sắn được cải tiến này. Đây là sự kiện đánh dấu cột mốc quan trọng trong việc ứng phó với thách thức của vùng cận Sahara như vậy với vấn đề khiếm dưỡng vitamin A. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Plant Biotechnology Journal. FAO báo cáo rằng sự khiếm dưỡng vitamin A ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của hơn 47% trẻ em tại khu vực cận Sahara này. Sự khiếm dưỡng ấy làm tăng trẻ em bị mù mắt và ức chế tính miễn dịch dẫn đến tử vong. Củ sắn dự trữ của ba dòng sắn chuyển gen được thu hoạch từ cây sắn ấy trong điều kiện nhà kính  đã tích tụ được hàm lượng carotenoids từ 40 đến 60 μg/g chất khô, tăng gấp  20 đến 30 lần so sánh với củ sắn của cây đối chứng (không chuyển gen). Nghiên cứu phát hiện rằng 85 – 90 %  hàm lượng carotenoids này tích tụ ở trạng thái “all-trans-β-carotene”, đó là dạng carotenoid có hiệu quả dinh dưỡng cao nhất. Đặc biệt là, họ đã thấy sự tích lũy carotenoids cùng đồng hành với sự suy giảm gấp 5 lần các phản ứng phân giải sinh lý vào giai đoạn sau thu hoạch – khi tồn trữ củ sắn trong kho; như vậy, kết quả còn duy trì và làm tăng carotenoid trong cả chu trình sống và tồn trữ củ sắn. Nghiên cứu cho thấy chiến lược “biofortification” cây sắn làm tăng hàm lượng đường hòa tan  và hàm lượng triacylglycerols nhưng làm giảm hàm lượng tinh bột trong củ sắn.

Xem http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.12862/full

Hình: (a) Sắn lát được tồn trữ 12 tuần của giống sắn trồng ở nhà kính, giống 60444 (WT) và giống chuyển gen crtB phytoene synthase, gen “Arabidopsis deoxy-d-xylulose 5-phosphate synthase (DXS//PS), crtB phytoene synthase (PS) và gen “cauliflower Orange” (OR).

Tạo ra RNA Virus trong cây trồng bằng hệ thống “CRISPR Immune”

 Hệ thống CRISPR-Cas đã và đang được áp dụng để phát triển cây trồng kháng với sự lây nhiễm của DNA virus. Tuy nhiên, không có phương pháp nào kiểm soát được RNA virus khi áp dụng hệ thống CRISPR-Cas để xác định điểm đích trong hệ gen con virus một cách trực tiếp. Nhóm nghiên cứu của Tong Zhang thuộc D0H Nông Nghiệp Nam Trung Quốc đã tái lập trình  hệ thống CRISPR-Cas9 từ vi khuẩn Francisella novicida (hình) có liên quan đến tính miễn dịch ở mức độ phân tử chống lại RNA viruses trong cây thuốc lá (Nicotiana benthamiana) và cây Arabidopsis. Cây thể hiện FnCas9 và sgRNA rất đặc thù cho virus gây bệnh khảm dưa leo CMV (cucumber mosaic virus) hoặc virus gây bệnh khảm thuốc lá (TMV) đã thể hiện sự giảm xâm hại do virus một cách có ý và sự tích tụ “viral RNA” cũng giảm đáng kể. Hơn nữa, cây transgenic này biểu hiện tính kháng virus có tính chất di truyền cho thế hệ sau đó. Số liệu nghiên cứu cho thấy hệ thống CRISPR-Cas9 có thể được sử dụng để sản sinh ra cây trồng có tính kháng bền vững với RNA viruses, mở rộng nội dung ứng dụng của công nghệ chỉnh sửa gen để kiểm soát virus trên đồng ruộng. xem Plant Biotechnology Journal.

Phát triển giống lúa nếp thông qua hệ thống CRISPR-Cas9 - đột biến có chủ đích

Trong cây lúa (Oryza sativa), hàm lượng amylose được kiểm soát bởi một gen trội Waxy. Nhóm nghiên cứu của Jinshan Zhang thuộc Việ Hàn Lâm Khoa Học Trung Quốc đã sử dụng CRISPR-Cas9 để tạo ra một đột biến làm mất chức năng (loss-of-function mutation) gen Waxy trong hai giống lúa japonica trồng đại trà hiện nay. Đột biến với hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 đối với gen Waxy làm giảm hàm lượng amylase trong cây lúa tẻ, chuyển nó trở thành lúa nếp mà không làm ảnh hưởng gì đến tính trạng nông học mong muốn. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc chuyển những “transgenes” trong  thế hệ con lai của các dòng được chỉnh sửa gen. Thành công của hệ thống CRISPR-Cas9 trong phát sinh đột biến gen Waxy cây lúa có thể mang lại một chiến lược khá hiệu quả để cải thiện tính dính dẽo của những giống lúa cao sản ưu việt. Nghiên cứu còn cho thấy một mẫu hình trong cải tiến giống cây trồng có thể thương mại hóa, bởi động tác chỉnh sửa gen trực tiếp trong các giống lúa cao sản ưu việt. Xem Journal of Integrative Plant Biology.

Hình: hạt gạo nếp có nội nhũ đục hoàn toàn.

Nghiên cứu chức năng của FRUCTOKINASE-LIKE PROTEIN 1 của cây lúa thông qua CRISPR-Cas9

FRUCTOKINASE-LIKE PROTEINS (FLNs) là phosphofructokinase-B (PfkB)-type carbohydrate kinases, nó hoạt động như một phần của phức protein PEP (PEP complex), Đó là kết quả mã hóa của những gen “transcribe chloroplast”. Tuy nhiên, cơ chế như vậy chưa được người ta hiệu cặn kẽ với hoạt động của FLNs trong cây lúa vẫn còn rất mù mờ. Trước đây, Nhóm nghiên cứu của Lei He thuộc Viện nghiên cứu lúa gạo Trung Quốc đã nghiên cứu dòng đột biến bạch tạng nhạy cảm với nhiệt độ nóng, gen đột biến hsa1. Phân tích đột biến này cho thấy gen HSA1 mã hóa protein OsFLN2. Sử dụng công nghệ CRISPR-Cas9, họ muốn chứng minh kết quả knockdown gen OsFLN1, với gen đồng dạng HSA1/OsFLN2, sẽ tạo ra kết quả ức chế được sự phát sinh ra chloroplast. Đột biến gen fln1 knockout thể hiện kiểu hình bạch tạng và kiểu hình cây mạ chết. Kết quả còn chot hấy OsFLN1 định vị trong chloroplast và OsFLN1 cũng như HSA1/OsFLN2 proteins tương tác với THIOREDOXINZ (OsTRXz) để điều tiết sự phát triển của chloroplast. Muốn chứng minh điều ấy, Cây OsTRXz knockout đã được phát triển có bạch tạng y hệt như trên và kiểu hình “seedling lethal” cũng giống y như đột biến fln1. Như vậy OsFLN1 và HSA1/OsFLN2 có tham gia trong sự kiện phát sinh ra  chloroplast và sự tăng trưởng của cây. Xem Journal of Integrative Plant Biology.

Công cụ đo lường cây sử dụng nước như thế nào

Các nhà khoa học thuộc Iowa State University đã phát triển được một công cụ giá rẽ, dễ sản xuất,  đó là công cụ “sensors-on-tape” gắn trên cây để cung cấp số liệu cho nhà khao học và nông dân biết tình trạng sử dụng nước của cây. Người ta gọi nó là "plant tattoo sensor". Nhóm nghiên cứu của Liang Dong cho rằng  sensors này được sản xuất với “graphene oxide”, một nguồn vật liệu cực kỳ nhạy cảm với sự thoát hơi nước.Xem tạp chí của Iowa State University.

https://www.news.iastate.edu/news/2018/01/03/planttattoosensors

Phẩm nhuộm màu Indigo của vi khuẩn biến đổi gen

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Chemical Biology. Indigo được người ta sử dụng rộng rải với nền tảng là màu xanh dương, công nghệ này được khuyến khích để giảm sự tổn hại do phẩm màu hóa học. Indigo có tropng tự nhiên ở bất cứ loài thực vật nào và được người ta tách chiết dùng trong phẩm màu xanh trong hàng nghìn năm.

Tuy nhiên, nhu cầu hiện nay của con người cần hóa chất tổng hợp với qui mô công nghiệp hiện đại. Tiến trình này sử dụng nhiều công đoạn với mức nguy cơ cao của hóa chất, có thể làm tổn thương môi trường sống.  Thí dụ màu xanh lá cây được chế biến từ indigo, John Dueber và ctv,. Đã sử dụng vi khuẩn trong thao tác công nghệ di truyền cho ra sản phẩm “indoxyl”. Indoxyl bản thân nó không ổn định, nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một enzyme có thể ổn định indoxyl bằng cách liên kết nó với phân tử đường. Khi cho vào vi khuẩn, enzyme này sản sinh ra “indican”, mà nó có thể dễ dàng được phân lập và tồn trữ lâu dài. Sau đó, là giai đoạn nhuộm màu, một enzyme khác biến indican thành indigo thông thường mà ta có một cách trực tiếp trên vải nhuộm.

Xem Nature Asia (https://www.natureasia.com/en/chemistry/research/12319)