Tuần tin khoa học 593 (30/07-05/08/2018)

Sự thể hiện gen Bt tại những vị trí chích hút, cắn của côn trùng

Hầu hết giống bông vải kháng sâu hại nhờ sự biểu hiện gen có trên tất cả mô tế bào của cây bông. Nhóm nghiên cứu thuộc Đại Học Ankara, Thỗ Nhĩ Kỳ và các đối tác của họ đã phát triển thành công một vec tơ cấu trúc mang “triple-gene” thể hiện được gen chuyển nạp GNA, cry1Ac, và cp4 epsps tại những vị trí mà côn trùng chích hút, cắn của mô tế bào cây. Họ đã dòng hóa gen ấy tại “downstream” của promoter nhạy cảm với vết thương từ cây Asparagus officinalis (AoPR1). Thêm vào đó, để làm rộng hơn qui mô tính kháng, protein GNA – một lectin giết được rầy nâu, đã được điều khiển bởi promoter 35S để đối ứng với côn trùng chích hút nhựa cây ví dụ như rầy mềm (aphids) mà chúng được xem là đối tượng gây hại dữ dội nhất trên cây bông vải. Muốn chọn lựa các thể “transformants” trong khi người ta lựa chon trên môi trường và quan sát tính kháng thuốc cỏ glyphosate, gen cp4 epsps cùng có mặt với gen mã hóa GNA và cry1Ac. Như vậy, khi chuyển nạp gen cry1Ac và GNA vào cây bông, người ta ghi nhậ được tính kháng đối với sâu Spodoptera littoralis (thuật ngữ quốc tế gọi là African cotton leafworm) và rầy Aphis gossypii Glover (cotton aphid). Kết quả nghiên cứu cho thấy sự hạn chế của protein cry1Ac đối với côn trùng cắn phá so với protein là lectin  trong chiến lược quản lý sâu hại cây trồng. Xem Plant Biotechnology Reports.

Gen ứng cử viên mới của cà chua điều khiển tính kháng bệnh

Cà chua (Solanum lycopersicum) bị đe dọa thường xuyên bởi khá nhiều bệnh hại chính có mặt khắp thế giới. Các qui trình canh tác quản lý bệnh hại gặp rất nhiều khó khăn. Các nhà khoa học của Đại Học Florida, đứng đầu là Juliana Pereira, đã tiến hành nghiên cứu nhằm cải tiến tính kháng bệnh hại chính trên cà chua thông qua sự thể hiện các gen mã hóa “Elongator subunit” trong cây Arabidopsis thaliana, đó là gen AtELP3 và AtELP4. Sự thể hiện mạnh mẽ của gen AtELP3 và AtELP4 đã tăng cường tính kháng rất có ý nghĩa đối với bệnh héo vi khuẩn cà chua do  Pseudomonas syringae pv. tomato mà không có ảnh hưởng phụ ảnh hưởng đến tăng trưởng và phát triển. Thật thú vị, những cây transgenic chỉ thể hiện tính kháng vi khuẩn Pst khi người ta chủng vi khuẩn vào bằng cách phun sương trên lá, nhưng không xuyên thấm vào apoplast của lá (apoplast là không gian bên ngoài của màng plasma, trong đó vật chất có thể tự do khuếch tán). Kết quả phân tích sâu hơn cho thấy: có một nhóm gen với chức năng tự vệ bị kích thích cực kỳ mạnh mẽ sau khi vi khuẩn xâm nhiễm vào cây cà chua chuyển gen AtELP4 so với cây đối chứng. Điều ấy cho thấy tính kháng đã được tăng cường trong cây transgenic, để thực hiện chức năng bảo vệ cây. Hơn nữa, hệ gen cây cà chua có chứa những gen có bản sao chép đơn (single-copy genes) mã hóa tất cả protein thuộc họ “six Elongator subunits” (SlELPs), mà chúng chia sẻ tính chất tương đồng với các gen AtELP. Gen SlELP3 và SlELP4 còn có thể bổ sung giúp các gen Atelp3 và Atelp4 trong cây Arabidopsis, ở trạng thái “knock-out mutants”, theo thứ tự. Như vậy, gen AtELP và SlELP có chức năng giống nhau. Đây là những gen ứng cử viên trong công nghệ di truyền  nhằm cải tiến tính kháng bệnh hại chính trên cây cà chua. Xem Frontiers in Plant Science.

Hình 1: Bản chất phân tử và hình thái của dòng cà chua chuyển gen thể hiện mạnh mẽ AtELP3 và AtELP4.

Chỉnh sửa gen trong cà chua bằng CRISPR làm giảm ethylene

Những tiến bộ hiện nay trong chỉnh sửa hệ gen đã và đang được mở rộng trên những đại lộc mới trong nghiên cứu di truyền ngược (reverse genetics) của cây trồng.

Một trong những hệ thống đó chính là CRISPR-Cas9, nó được người ta sử dụng để kích thích ra những đột biến có chủ đích cho một giống cây nào đó. Nhóm nghiên cứu thuộc Hankyong National University đã thiết kế một đột biến có chủ đích với CRISPR-Cas9 của Agrobacterium vào cây cà chua. Hệ thống mới này sử dụng vec tơ là vi khuẩn Agrobacterium và ba phân tử “guide RNAs” phục vụ đánh dấu đích đến của một gen mục tiêu nào đó. Đứng đầu nhóm nghiên cứu là Yu Jin Jung, họ đã đánh giá hệ thống này phục vụ tạo ra đột biến với tần suất cao và kết quả di truyền được thẩm định bằng gen LeMADS-RIN của cây cà chua. Từng cây “events” mang những đột biến có chủ đích của gen LeMADS-RIN xuất hiện với tần suất 10,6%. So sánh với cây nguyên thủy (wildtype), những đột biến đã được chỉnh sửa ấy  biểu hiện nhiều quả chín không hoàn toàn (chín xanh) hơn và cho ra sản phẩm ethylene thấp hơn. Phân tích còn cho thấy rằng: những alen đột biến mong muốn có thể di truyền được  qua nhiều thế hệ con lai. Xem Korean Journal of Horticultural Science & Technology.

Gen điều khiển phân bào đẳng nhiễm megaspore trong cây Arabidopsis

Giao tử cái rất quan trọng giúp cây thực hiện phát dục trong thực vật bậc cao. Tuy nhiên, người ta chưa biết nhiều cơ chế phân tử của sự kiện ấy trong giai đoạn phát triển của cây. Nhóm nghiên cứu của Lin-Xiao Li thuộc China Agricultural University vừa nghiên cứu các gen trên cây Arabidopsis thaliana là NOP10 (AtNOP10), sự hình thành vai trò của giao tử cái. Phân tích cho thấy: protein AtNOP10 thể hiện trong mô cây non và mô cây ở giai đoạn phát dục. Có một mức độ rất cao sự tương đồng của chuỗi trình tự amino acid  với trình tự của nấm men Saccharomyces cerevisiae NOP10 (ScNOP10). Muốn nghiên cứu vai trò của nó, họ đã phát triển hệ thống chỉnh sửa gen  CRISPR tạo dòng đột biến “knocked out” gen AtNOP10. Đột biến  knock-out như vậy tạo ra sự xáo trộn quá trình phân bào đẳng nghiễm (mitosis) của megaspore có chức năng, ở vào giai đoạn phát triển đầu tiên. Nó cũng ngăn ngừa sự dung hợp “nhân ở cực (polar nuclear fusion) trong túi phôi. Gen AtNOP10 được tìm thấy có ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bào đẳng nhiễm trong megaspore và vùng dung hợp phân cực hạt nhân trong suốt quá trình hình thành “gametophyte” của cây Arabidopsis. Xem  Journal of Integrative Plant Biology.

FZP điều khiển sự hình thành võ trấu lemma (võ trấu trên) của hạt lúa

Trong họ Hòa Thảo, hoa (spikelet) là một kiến trúc hoa tự độc đáo trực tiếp tạo thành hạt. Người ta nghiên cứu khá nhiều với những công trình đồ sộ, nhưng cơ chế đằng sau sự phát triển hoa lúa (spikelet) vẫn còn là điều bí ẩn. Nhóm nghiên cứu của Deyong Ren thuộc China National Rice Research Institute, đã nghiên cứu gen FZP và làm thế nào mà kích cỡ hạt lúa và võ trấu “sterile lemma” được xác định trong cây lúa (Oryza sativa). Võ trấu dưới có thuật ngữ là palea, trấu trên là lemme. Đột biến gen FZP làm cho hạt lúa nhỏ hơn và làm thoái hóa “sterile lemmas”. Phân tích cho thấy hạt bé của cây lúa đột biến fzp-12 là do sự giảm đi số  tế bào và giảm kích thước của trấu. Thật thú vị là võ trấu trên chuyển dạng sang mày trấu (rudimentary glume) trong cây đột biến. Trong khi đó, võ trấu trên vẫn có dạng cũ trong cây thể hiện mạnh mẽ gen FZP. Để xác định giả thuyết này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR-Cas9 để cải biên gen FZP, tạo nên các dòng lúa có kiểu hình giống nhau đối với đột biến fzp. Như vậy gen FZP có thể có trong sự điều tiết của những gen “downstream” . Kết quả cho thấy FZP có vai trò điều tiết hình dạng kích cỡ của hạt thóc. Xem  Journal of Experimental Botany.

Các tổ chức, các lãnh đạo khoa học gửi thư cho chủ tích Cộng Đồng Châu Âu về công nghệ chỉnh sửa hệ gen

Có trên 60 tổ chức quốc tế, bao gồm các cơ sở nghiên cứu của chính phủ và tư nhân, trường đại học viện hàm lâm, viện kỹ thuật, và những tổ chức nông nghiệp chuyên ngành, các lãnh đạo khoa học từ nhiều nước châu Âu đã kêu gọi một sáng kiến châu Âu có tên tiếng Anh là  "European Initiative for plant genome editing". Trong thư gửi cho “European Commission President Jean-Claude Juncker”, họ đã ký tên tập thể nhấn mạnh rằng Cộng Đồng châu Âu không nên bỏ qua cơ hội này để chấp nhận công nghệ chỉnh sửa hệ gen (genome editing) cho thực vật. Nội dung thư đề xuất có ba nội dung hành động nhanh chóng của tổ chức chính phủ và tư nhân  đối với sự cách tân của ngành chọn giống này, mà nhưng người tiêu dùng, nông dân, nhà môi trường và công nghệ rất lý thú về kết quả của nóXem toàn bộ lá thư viết bằng tiến Anh, Pháp và Đức (English, French, or German).

Hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 đối với Ralstonia eutropha

Ralstonia eutropha là một loài vi khuẩn quan trọng để giúp chúng ta nghiên cứu sự tổng hợp của polyhydroxyalkanoate (PHA) và sự cố định CO₂, tạo ra một củng nòi (strain) vi khuẩn có tiềm năng phục vụ công nghiệp sản xuất PHA và sự chuyển hóa thành CO₂. Tuy nhiên, những phương pháp hiện nay của “genome editing” đối với vi khuẩn không có hiệu quả. Do đó, sự phát triển phương pháp hiệu quả hơn đối với hệ gen con R. eutropha vô cùng cần thiết. Nhóm nghiên cứu của Bin Xiong thuộc University of Chinese Academy of Sciences, đã phát triển thành công một phương pháp chỉnh sửa hệ gen vi khuẩn R. eutropha sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9 trên cơ sở mở lỗ bằng xung điện (electroporation). Sử dụng pp mới này, năm gen của R. eutropha đã được chỉnh sửa thành công thông qua tái tổ hợp đồng dạng, với mức độ hiệu quả là 78,3 đến 100%. Nhóm nghiên cứu còn tìm ra fructose có thể làm suy giảm sự thể hiện của promoter “arabinose-inducible pBAD”, mà promoter ấy được sử dụng để tối ưu hóa sự thể hiện của cas9. Hệ thống CRISPR-Cpf1 và cơ chế kết nối ở đầu mang tính chất không đồng dạng (non-homologous end joining) cũng được nghiên cứu và phân tích, nhưng thất bại không cho kết quả tốt về những chủng nòi vi khuẩn mong muốn. Đây là phương pháp chỉnh sửa gen đầu tiên trên hệ gen vi khuẩn R. eutropha sử dụng xung điện trong chuyển nạp kết quả đột biến qua hệ thống CRISPR-Cas9. Điều này sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu được nhiều hơn việc ứng dụng vi khuẩn R. eutropha trong sản xuất PHA và chuyển hóa thành CO₂. Xem Biotechnology for Biofuels.

THÔNG BÁO

ĐẠI HỘI GENOMICS THỰC VẬT & CHỈNH SỬA GEN

Plant Genomics & Gene Editing Congress của Hoa Kỳ, được tổ chức tại Hilton Philadelphia City Avenue, Philadelphia, USA, vào ngày 12 tháng 10 năm 2018.

Xem  Congress website.

Quỹ Randy Hautea

(ISAAA to Launch Randy A. Hautea Memorial Fund)

Dr. Randy Hautea, điều phối viên ISAAA Global và SEAsiaCenter dành hết thời gian cống hiến của ông qua hai thập niên cho ISAAA, với mục tiêu giảm đói nghèo cho nhân loại, chia sẻ kiến thức cho cộng đồng thế giới, chuyển gia tiến bộ kỹ thuật cho các nước đang phát triển. Sự ra đi đột ngột của ông để lại một sự khiếm khuyết quá lớn cho cộng đồng công nghệ sinh học trên toàn thế giới. Tuy nhiên, những nỗ lực đầy tâm huyết của ông để hoàn thành mọi nhiệm cụa củal ISAAA không phải là không vô nghĩa. ISAAA sẽ phát động Quỹ mang tên “Randy A. Hautea Memorial Fund” nhằm mục đích kêu gọi sự đóng góp, sự giúp đỡ đối với nhiều sáng kiến CNSH ví dụ như nghiên cứu khoa học, chia sẻ kiến thức, chuyển giao công nghệ. Liên hệ Memorial Fund, e-mail to donate@isaaa.org.

Dr. Randy Hautea đã mất tại Philippines vào ngày 19-7-2018

Hình: Tiến Sĩ Randy Hautea, Điều phối viên ISAAA (1956-2018)