Tuần tin khoa học 598 (03-09/09/2018)

Xác định QTLs trong hệ gen cây bắp qui định việc chọn đồng thời tính trạng rễ và tính trạng nông học cần thiết

Rễ đóng vai trò quan trọng ở giai đoạn đầu của cây tăng trưởng và phát triển, rễ cònđược gho nhận trong phản ứng chống chịu với stress cũng như hấp thu nước & dinh dưỡng. Các nhà khoa học lần đầu tiên đã xác định được những trình tự DNA liên quan đến tính trạng rễ, những các chuỗi trình tự ấy vẫn chưa được sử dụng trong các chương trình cải tiến giống. Chuanli Ju và đồng nghiệp thuộc National Maize Improvement Center, Trung Quốc, đã xác định được 36 QTLs giả định kết hợp với các tính trạng của rễ bắp, bao gồm chiều dài rễ sơ cấp, tổng số rễ sơ cấp, thứ cấp, rễ chùm, rễ ngang, tổng số đầu rễ, chiều dài tổng số, diện tích rễ, thể tích rễ, và đường kính rễ trung bình. Họ đã phân tích các tính trạng rễ tại ba thời điểm khác nhau sau khi hạt nẩy mầm, sử dụng quần thể cận giao tái tổ hợp (RIL) từ cặp lai Zong3 x Yu87-1. Theo đó, họ đã tìm thấy những QTLs có tính chất “pleiotropic” (đa tính trạng) kết hợp với nhiều hơn một tính trạng của rễ. Một vài QTLs còn kết hợp với những tính trạng nông học quan trọng như  năng suất hạt, chiều cao cây, phản ứng với stress. Tất cả đều được phân tích trong quần thể RILs này, trước đây. Những tính trạng như vậy tương quan chặt với những QTLs này. Như vậy các QTLs ấy sẽ vô cùng hữu dụng phục vụ nội dụng chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) cây bắp cùng một lúc chọn lọc được tính trạng rễ bắp và tính trọng nông học cần thiết. Xem BMC Plant Biology.

 Hình: Kiểu hình rễ bắp trong quần thể cận giao tái tổ hợp (RIL) của tổ hợp lai Zong3 x Yu87–1 vào giai đoạn cây con  4 dag [ngày sau khi nẩy mầm] (a), 9 dag (b), và 14 dag (c), với Zong3 bên trái và Yu87–1 bên phải

CRISPR-Cas9 áp dụng trong việc thay thế gen đích và kỹ thuật “knockin” trong hệ gen cây Arabidopsis

Kỹ thuật HDR (Homology-directed gene repair), trong đó, gen đ1ich được tiến hành thao tác “knock-in” trong hệ gen hoặc được thao tác nội dung “thay thế” đối với một trình tự DNA nào đó mà chúng ta không mong muốn. Đây là kỹ thuật rất tiềm năng trong hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9. Tuy nhiên, kỹ thuật này khá hạn chế trong các loài cây trồng bậc cao, mặc dù nó đang được áp dụng cho nấm men (yeast), chuột và ruồi giấm. Các nhà khoa học thuộc Shanghai Center for Plant Stress Biology và Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, đã phát triển chiến lược nghiên cứu xác định gen đích bằng "sequential transformation" tại những gen nội sinh mã hóa “glycosylase ROS1 và DME” của hệ gen cây Arabidopsis. Lần đầu tiên họ đã xét nghiệm việc áp dụng phương pháp này vào nội dung “knocking” gen ROS1-GFP và thấy rằng chiến lược này có thể làm ra kết quả ổn định tại một locus có độ lớn 1,6 kb. Để xét nghiệm có chiều sâu phương pháp này, họ đã “knock-in” GFP tại đầu 5′ và tại đầu 3′ của DME và thấy rằng gen đã được chuyển vào ổn định. Họ đã xét nghiệmsự thay thế vào của amino acid trong vùng bảo thủ của DME, Họ đã thấy rằng sự thayvào như vậy (substitution) khá ổn định và có tính chất di truyền cho thế hệ sau. Họ còn tiến hành nghiên cứu trạng thái của sự methyl hóa trong những vùng được chỉnh sửa hệ gen. Họ thấy rằng sự methyl hóa DNA không bị ảnh hưởng của locus chứa gen đích trong hệ gen. Kết quả được dễ dàng xác định bằng PCR. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng: nghiên cứu có chiều sâu hơn phải được thực hiện nhằm hiểu rõ hơn và cải tiến được gen đích thông qua HDR, sao cho phương pháp này có thể được áp dụng vào loài cây trồng khác. Xem Nature Communications.

Kiểm soát sự thể hiện gen bằng hệ thống chỉnh sửa hệ gen của loài cây trồng

Sử dụng uORFs (upstream open reading frames) là những trình tự DNA đặc trưng cho trình tự gen chủ yếu, đã được người ta khuyến cáo. Những nghiên cứu trước đây cho thấy khung đọc mã (ORFs) đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết sự thể hiện gen, đặc biệt là trong việc điều khiển số lượng protein được sinh tổng hợp từ một gen cụ thể nào đó. Huawei Zhang và đồng nghiệp thuộc State Key Laboratory of Plant Cell and Chromosome Engineering, Trung Quốc, sử dụng phương pháp chỉnh sửa hệ gen để điều khiển sự thể hiện của bốn gen trong sự kiện phát triển và sinh tổng hợp chất “antioxidant” trong thực vật. Họ đã xác định đích đến là uORFs của bốn gen ấy bằng phân tử “single-guide RNA” để sản sinh ra nhiều loại hình đột biến khác nhau. Sau kh chỉnh sửa uORF, họ d0ã quan sát sự biến động của nhiều proteins được mã hóa từ bốn gen đích ấy. Đặc biệt là, họ đã ghi nhận sự chỉnh sửa hệ gen tại uORF của LsGGP2, một gen mã hóa một enzyme then chốt trong sinh tổng hợp vitamin C của cây xà lách, kết quả là làm tăng sự chống chịu stress do oxy hóa gây ra (oxidation stress) và làm tăng hàm lượng ascorbate. Nghiên cứu này nhấn mạnh rằng tính hữu hiệu của chỉnh sửa hệ gen là khả thi trong khám phá những cơ chế sinh học và cải tiến giống cây trồng. Xem  Nature Biotechnology.

CRISPR-Cas9 được ứng dụng trong việc làm giảm triệu chứng của bệnh virus gây sọc nâu trên cây sắn

Bệnh CBSD (Cassava Brown Streak Disease) do virus gây ra. Virus này có tên là  Cassava brown streak virus và Ugandan brown streak virus, làm cho sản lượng sắn tại châu Phi (vùng phía đông và trung Phi) bị thất thoát rất lớn. Bệnh do sự tương tác giữa virus này - protein của hệ gen virus VPg (viral genome-linked protein) và thể isoforms của cây chủ (cây sắn) có tên khoa học là elF4E (eukaryotic translation initiation factor 4E). Các nhà khoa học đứng đầu là Michael Gomez thuộc University of California, Berkeley đã thực hiện nghiên cứu nhằm đóng góp vào nội dung làm giảm tính trầm trọng của vấn đề này bằng cách xác định đích đến của nCBP-1 (novel cap-binding proteins) và nCBP-2 thông qua hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR-Cas9. Những proteins như vậy có trong elF4E isoforms của triệu chứng bệnh CBSD. Họ đãquan sát các triệu chứng làm chậm lại và tiết chế CBSD hảo khí, làm giảm mức độ nghiêm trọng và sự hoại sinh rễ sắn. Đó là một trong những triệu chứng của bệnh siêu vi CBSV khi xâm nhiễm, trong những cây đột biến CRISPR. Hệ thống CRISPR-Cas9 là công cụ hữu hiệu làm tăng tính chống chịu bệnh virus sọc nâu trên cây sắn. Ảnh hưởng khác đối với elF4E isoforms trên CBSD giúp thiết kế một chiến lược cải tiến giống sắn chống chịu bệnh virus sọc nâu tốt hơn. Xem Plant Biotechnology Journal.

Tiếp cận phương pháp “Environmental DNA” để điều tra sâu hại cây trồng (Agri Pest)

Các nhà khoa học đã vay mượn những kỹ thuật trong nghiên cứu thủy sản để làm chặn đứng  sự xâm hại của bọ cánh nửa “brown marmorated stinkbug” (tên khoa học là Halyomorpha halys, Hemiptera, phổ biến ở Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan) tấn công táo, đào lông, cà chua, và cây trồng khác thuộc Bắc Mỹ. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Frontiers in Ecology and the Environment. Người ta ghi nhận rằng: khoa học gia có thể theo dõi được dấu vết của DNA con bọ này trong nước, thông qua việc áp dụng của nông dân khi rửa nông sản của họ. Mẫu DNA này phản ánh sự có mặt khá bí ẩn của bọ cánh nửa Halys tại nông trại của nông dân, ngay cả trước khi họ đặt bẩy côn trùng. Rafael Valentin, nhà khoa học nông nghiệp làm việc tại Rutgers University và là tác giả chính của bài báo khoa học này, đã nói rằng: nội dung chủ yếu để ngăn chận sự đe dọa của côn trùng gây hại ấy chính là sự phát hiện sớm. Họ đề ra giải pháp từ trải nghiệm của nông dân. Các nhà khoa học thu thập nước rửa trái cây mà nông dân đã làm với nông sản của họ rồi khám phá DNA của bọ Halys trươc khi đặt bẩy. Theo đó, phương pháp mới này có thể là một cách mạng trong nông nghiệp về điều tra diễn biến của sâu hại trên đồng ruộng. Xem Scientific American.

Hầu hết người Mỹ chấp nhận động vật GE để nghiên cứu sức khỏe người

Sự chấp nhận động vật chuyển nạp gen (GE: genetically engineered) để nghiên cứu sức khỏe người, bao gồm muỗi biến đổi gen để ngăn ngừa sự phát tán rộng rải bệnh hại do vec tơ là muỗi, theo kết quả điều tra của Pew Research Center. Điều tra này đã được thực hiện từ ngày 23 tháng Tư đến ngày 6 tháng Năm, năm 2018; trên 2.537 công dân Hoa Kỳ trưởng thành để biết sự chấp thuận của công chúng đối với động vật GE. Kết quả có 70% người được phỏng vấn trả lời tin tưởng muỗi GE là ứng dụng tương thích trong công nghệ sinh học nhằm ngăn ngừa sự lan rộng của các bệnh do muỗi truyền đi. Đa số (57%) cho rằng  sử dụng động vật GE để phát triển cơ quan hoặc mô người phục vụ cho cấy ghép nội tạng là hợp lý. Tuy nhiên, những ứng dụng khác về động vật biotech rất ít được công chúng chấp nhận, ví dụ phát triển thị giàu dinh dưỡng hơn phục vụ người tiêu dùng, phục hồi các loài động vật có nguy cơ tuyệt chủng từ loài có quan hệ gần về di truyền, như phục hồi cá “glow fish” (cá phát huỳnh quang). Theo kết quả điều tra này, hầu hết người Mỹ thích sử dụng động vật  GE phục vụ sức khỏe con người, không cho mục đích khác. Xem báo cáo của Pew Research Center.