Tuần tin khoa học 570 (19-25/02/2018)

An toàn của vi khuẩn Pseudomonas như một nguồn gen phục vụ cho cây trồng GM

Các nhà khoa học của DuPont Pioneer, Hoa Kỳ, đã nghiên cứu tính an toàn của vi khuẩn Pseudomonas chlororaphis như một nguồn gen cho cây trồng biến đổi gen. Kết quả được in ấn trên tạp chí Transgenic Research trực tuyến. Cây trồng GM phải trải qua một sự thẩm định vô cùng khắt khe để xác định sự an toàn của chúng về mặt lương thực, thực phẩm và môi trường trước khi chúng được thương mại hóa. Tiến trình đánh giá an toàn như vậy bao gồm nhiều bước khác nhau; đánh giá từng tính trạng được du nhập vào giống, bao gồm sinh vật khởi nguồn, đề phấn tích bất cứ ảnh hưởng nào không mong muốn. Các nhà khoa học ghi nhận các loài của chi vi khuẩn Pseudomonas khá an toàn khi áp dụng chúng vào nông nghiệp, một vài loài có những gen điều khiển độc tố giết chết côn trùng. Đặc biệt, vi khuẩn P. chlororaphis có một gen ipd072Aa, thể hiện ra protein có liên quan đến tính bảo vệ chống lại côn trùng thuộc bộ cánh cứng (Coleoptera) trong cây bắp. Theo công trình khoa học này, P. chlororaphis khá phổ cập trong môi trường canh tác và không có độc tính hoặc chất gây dị ứng trên kết quả những đánh giá trước đây. Nó có quan hệ khá xa với pathogens tấn công người và thực vật, nhưng có lịch sử rất lâu dài về tính chất an toàn khi sử dụng. Đây là ứng cử viên sáng giá về các gen khi người ta muốn phát triển cây trồng GM kháng sâu hại. XemTransgenic Research.

RTD1 trong sinh tổng hợp Tocopherol và phát triển của cây lúa

Tocopherols là một trong những chất antioxidants quan trọng nhất với nhiều vai trò trong sinh vật. Chức năng của tocopherols đã được người ta định tính trong động vật và trong các màng nhân tạo. Tuy nhiên, chức năng về di truyền và phân tử của tocopherols trong thực vật vẫn chưa được biết nhiều. Nhóm nghiên cứu của Yunhui Zhang thuộc Jiangsu Academy of Agricultural Sciences đã tiến hành nghiên cứu cây lúa đột biến thiếu tocopherol, rtd1. Đột biến rtd1 biểu hiện sự chậm phát triển của cây trong giai đoạn tăng trưởng. Hầu hết các tính trạng nông học đều bị tác động xấu bởi rtd1. Phân tích cho thấy gen trội RTD1 mã hóa protein có tên là “homogentisate phytyltransferase”, một enzyme xúc tác chủ lực trong sinh tổng hợp chất tocopherol. Gen RTD1 thể hiện làm mô lá xanh hơn, và protein của nó định vị trong lục lạp. Tính chống chịu lạnh được ghi nhận giảm đi trong dòng đột biến rtd1. Đột biến rtd1 biểu hiện tính trạng phản ứng với GA (gibberellin) giảm đáng kể. Tuy nhiên, hàm lượng GA vẫn không thay đổi, cho thấy rằng có sự điều tiết trong phiên mã của gen SLR1. Như vậy, tocopherols có vai trò quan trọng trong điều hòa sự tăng trưởng và phát triển của cây lúa. Xem Plant Cell Reports.

Chỉnh sửa gen bằng CRISPR-Cas9 trên cây đan sâm Salvia miltiorrhiza (Red Sage)

Cây đan sâm (Salvia miltiorrhiza) đã được chỉnh sửa hệ gen thành công thông qua hệ thống CRISPR-Cas9. Đan sâm là một dược thảo nổi tiếng của Trung Quốc. Muốn xét nghiệm tính hiệu quả của CRISPR-Cas9 trên đan sâm, nhóm nghiên cứu của Zheng Zhou thuộc Second Military Medical University, Trung Quốc đã tập trung vào gen mục tiêu “rosmarinic acid synthase” (SmRAS) của cây đan sâm.

Phân tử sgRNA (single guide RNA) được người ta thiết kế để chỉnh sửa genSmRAS. Năm dòng đột biến có tính chất “biallelic”, hai dòng đột biến có tính chất đồng hợp tử và một dòng đột biến dị hợp tử được thí nghiệm. Kết quả phân tích cho thấy rằng acid phenolic, bao gồm acid rosmarinic và sự thể hiện của genSmRAS bị giảm xuống trong các dòng con lai bị chỉnh sửa gen này, đặc biệt là trong các dòng đột biến đồng hợp tử. Hơn nữa, mức độ tiền chất của acid rosmarinic gia tăng rõ ràng nhất. Như vậy hệ thống CRISPR-Cas9 có thể được sử dụng để xác định những gen quan trọng. Công nghệ chỉnh sửa gen này là công cụ rất hiệu quả đối với cây đan sâm (red sage). Xem Phytochemistry.

OsPKS2 điều khiển tính hữu dụng đực của cây lúa thông qua điều hòa sự tạo ra vách hạt phấn

Vách hạt phấn (pollen wall) bảo vệ giao tử đực với nhiều loại hình stress của môi trường khác nhau và bảo vệ khỏi sự tấn công của nguồn vi sinh gây bệnh, cũng như phát triển sự nẩy mầm của hạt phấn. Việc tạo ra những “sporopollenin” vô cùng quan trọng cho sự hình thành vách hạt phấn. Gần đây, cơ chế biến dưỡng chất “sporopollenin” đã và đang được nghiên cứu trong phát triển vách hạt phấn của cây Arabidopsis. Tuy nhiên, người ta biết rất ít về sự tổng hợp chất sporopollenin này trong hình thành vách hạt phấn của cây lúa (Oryza sativa). Nhóm nghiên cứu của Ting Zou thuộc Sichuan Agricultural University, Trung Quốc đã xác định được một đột biến điểm của gen OsPKS2, gen mã hóa “polyketide synthase”. Gen này có thể gây ra bất dục đực cây lúa bằng cách ảnh hưởng lên tiến trình thông thường của sự hình thành vách hạt phấn. Họ đã sử dụng CRISPR-Cas9 để phát triển ra những cây đột biến “allelic” tại vị trí đích của gen OsPKS2. Người ta quan sát những dòng này với tính bất dục đực hoàn toàn. Kết quả chứng minh rằng gen OsPKS2 điều khiển tính hữu dục đực của cây lúa và đó là điều rất cần thiết cho việc hình thành vách hạt phấn. Xem Plant Cell Reports.

Chỉnh sửa hệ gen theo hệ thống TALENs trên cây khoai tây

Một trắc nghiệm nhanh và một hệ thống dẫn xuất hiệu quả cho việc du nhập TALENs vào cây trồng sẽ trở nên vô cùng cần thiết để có được đột biến có chủ đích như mong muốn. TALENs đã được trắc nghiệm trong hệ gen cây khoai tây thông qua protoplasts hoặcđược du nhập vào cây bằng những vector “virus”. Tuy nhiên, sự tái sinh cây khoai tây từ protoplast có thể có mức độ tin cậy thấp. Những vector “virus” không phải lúc nào cũng sẵn sàng, việc chỉnh sửa hệ gen cây trồng những những vectors như vậy đòi hỏi phải có hiện tượng “virus elimination” (sự loại trừ virus ngay sau đó). Jin Ma thuộc Fredericton Research and Development Centre, Canada đã sử dụng hệ thống không có virus, chuyển nạp thông qua vi khuẩn Agrobacterium, tiếp cận phương pháp “transient expression approach”, để phục vụ mục tiêu nghiên cứu này, cả trắc nghiệm nhanh và dẫn xuất hiệu quả hệ thống TALENs vào hai giống khoai tây được nhân giống vô tính (Solanum tuberosum). Hai hệ thống TALENs thể hiện hai gen mục tiêu, gen thứ nhất điều khiển enzyme phân nhánh tinh bột, và gen thứ hai điều khiển “acid invertase”, chuyển vào lá khoai tây thông qua kỹ thuật “agroinfiltration”. Phân tử DNA của lá DNA được phân tích và chứng minh rằng hai TALENs này thực hiện “agroinfiltrated” thành công; tạo được đột biến có chủ đích tại hai loci nói trên. Xem Plant Biotechnology Reports.

Chức năng của OsPT4 trong việc hấp thu arsenic trong cây lúa

Arsenic (As) là chất độc cho cơ thể sinh vật, sự tích tụ hàm lượng As tăng trong hạt lúa (Oryza sativa) là vấn đề nghiêm trọng cho sức khỏe, gây nhiều rủi ra cho loài người. Dạng khởi thủy của As có trong đất dưới điều kiện hảo khí là As(V). Rễ lúa hấp thu As(V) bởi nguyên tố “transporters” là phosphate (Pi), ví dụ OsPT1 và OsPT8. Ying Ye thuộc Huazhong Agricultural University, Trung Quốc đã nghiên cứu sự đóng góp của gen OsPT4 trong cây lúa hấp thu As(V) và vận chuyển nó như thế nào. Nhóm nghiên cứu của Ying đã xác định rằng số lượng phân tử mRNA của gen OsPTs có trong cây mạ, và sự thể hiện của gen OsPT1, OsPT4, OsPT8 điều tiết theo kiểu UP trong điều kiện có As(V). Sự thể hiện mạnh mẽ gen OsPT4 được quan sát để xác định sự vận chuyển của As(V) trong cây lúa. Cây lúa transgenic cho thấy vô cùng nhạy cảm với stress do As(V) làm cây lúa chậm tăng trưởng và rễ bị cằn lại. Họ đã sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9 và đánh dấu gen đích OsPT4, phát triển dòng đột biến “knockout”. Các dòng đột biến này có kiểu hình đối nghịch lại các dòng lúa biểu hiện mạnh mẽ gen nói trên. Nghiên cứu cho thấy OsPT4 có chức năng trong hấp thu As(V) và vận chuyển. Nó có thể là gen ứng cử viển khá tốt tạo ra cây lúa có tích tụ thấp hàm lượng độc tố As trong hạt thóc. Xem Frontiers in Plant Science.