Tuần tin khoa học 604 (15-21/10/2018)

Giống khoai tây chuyển gen tăng cường phẩm chất củ và  chống chịu stress

Năng suất, chất lượng, giá trị thương mại của khoai tây, cây lương thực quan trọng thứ ba của thế giới, đang bị đe dọa bởi mặn và khô hạn. Do đó, các nhà khoa học thuộc National Scientific and Technical Research Council, Argentina, đã phát triển thành công giống khoai tây biến đổi gen, sử dụng gen ABF4 để cải tiến năng suất củ và phẩm chất củ, đồng thời tăng cường tính chống chịu stress của khoai tây. Protein ABF là những yếu tố phiên mã (TFs) có trong chu trình truyền tín hiệu abscisic acid khi có stress xảy ra. Protein này rất quan trọng trong sự kích thích ra củ. Gen ABF4 được người ta kết luận rằng rất quan trọng trong năng suất củ. Theo kết quả nghiên cứu, các nhà khoa học này đã tạo ra giống khoai tây chuyển gen ABF4 thông qua vi khuẩn Agrobacterium. Họ xác định hàm lượng chất khô, tinh bột và đường, tập tính đâm mắt chồi củ, sự mất nước trong lá, hàm lượng nước tương đối của những cây khoai tây transgenic. Trong nghiệm thức xử lý mặn và khô hạn, họ còn đánh giá các tính trạng nông học, hàm lượng proline, mức độ ô xi hóa protein, sự trao đổi gas, và hàm lượng diệp lục của cây khoai tây transgenic. Kết quả là cây chống chịu mặn  và khô hạn tốt hơn, cây gia tăng năng suất củ trong điều kiện bình thường và điều kiện bị stress. Khoai tây còn có khả năng tồn trữ mà không bị nẩy mầm và phẩm chất tốt phục vụ chế biến. Xem Plant Molecular Biology.

Gen bông vải giúp cây ít mẫn cảm với stress ở giai đoạn cây con

Hình: Thể hiện gen GhPLATZ1 thông qua phân tích qRT-PCR. a GhPLATZ1 thể hiện ở tuổi cây 20 ngày được xử lý giữa có và không có 200 mM NaCl, 300 mM mannitol, 50 μM GA hoặc 50 μM ABA for 6 h. b GhPLATZ1 thể hiện ở tuổi cây 2.5 ngày trong dung dịch Hoagland với có hoặc không có 200 mM NaCl, 300 mM mannitol, 50 μM GA hoặc 50 μM ABA xử lý 6 và 12 giờ. Mức độ phân tử transcript trở lại bình thường GhUBI (EU604080). Giá trị trung bình ± SD với 3 lần lập lại. c GhPLATZ1 thể hiện trong hạt, rễ, thân, lá mầm hoặc lá thường ở tuổi cây 20 ngày.

Sự nẩy mầm và tăng trưởng cây non của bông vải - cây cho sợi và dầu quan trọng nhất trên thế giới, bị tổn thương bởi những stress phi sinh học. Protein PLATZ là yếu tố phiên mã “zinc-finger” có trong phản ứng của cây khi có stress phi sinh học xảy ra. Protein này có mặt trong cây bông, tuy nhiên, các nghiên cứu về protein ấy rất ít. các nhà khoa học thuộc Shandong Agricultural University, Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu các chức năng sinh học và sinh lý học của gen có trong bông vải là GhPLATZ thông qua sự thể hiện của nó trong cây mô hình Arabidopsis thông qua kỹ thuật chuyển nạp gen gián tiến qua vi khuẩn Agrobacterium. Họ đã xác định được sự thể hiện của transgene này và tiến hành phân tích giai đoạn hạt nẩy mầm, giai đoạn lá mầm xanh và hàm lượng abscisic acid (ABA). Kết quả cho thấy với sự thể hiện càng mạnh của gen trong cây transgenic, thì sự nẩy mầm hạt sẽ nhanh hơn, sự hình thành hạt tốt hơn dưới điều kiện bị mặn hoặc xử lý mannitol stress. Sự thể hiện gen được xem như có tác động trung gian của ABA, gibberellin, và chu trình ethylene. Xem BMC Plant Biology.

Chức năng của gen Galactinol Synthase của đậu nành khi bị stress

Protein “Galactinol synthase” (GolS) có vai trò quan trọng trong sinh tổng hợp raffinose nhờ phản ứng xúc tác hình thành nên galactinol. Họ gen GolS gần đây đã được xác định trong nhiều loài thực vật. Trong số đó, có nhiều gen cá thể GolS được người ta ghi nhận có chức năng trong phản ứng chống chịu với stress. Các nhà nghiên cứu này đã ghi nhận cấu trúc của gen thể hiện mạnh mẽ trong cây Arabidopsis chuyển nạp gen GolS của đậu nành, đó là gen GolS2. Không khác biệt có ý nghĩa về kiểu hình của cây transgenic và cây đối chứng trong những điều kiện sinh lý bình thường. Hiệu quả của cây transgenic được người ta đánh giá thông qua các điều kiện xử lý stress khác nhau so sánh với cây đối chứng. Kết quả cho thấy rằng sự thể hiện mạnh mẽ gen GmGolS2 trong cây Arabidopsis đã cải tiến được tính chống chịu của cây với stress mặn, nhưng không bảo vệ được cây chống lại kim loại nặng và thuốc cỏ paraquat. Nghiên cứu cho thấy gen GolS của đậu nành có thể được xem như một gen ứng cử viên đầy tiềm năng cho công nghệ di truyền nhằm cải thiện giống chống chịu với stress phi sinh học. Xem Vietnam Journal of Science, Technology, and Engineering.

Chỉnh sửa hệ gen cây bông vải

Hệ thống CRISPR-Cas9 đã và đang trỡ nên phổ biến trong nội dung cải tiến giống cây trồng. Nhiều nghiên cứu đã được ứng dụng thành công kỹ thuật này trong cây trồng, ví dụ cây lúa. Không giống như cây lúa lưỡng bội, cây bông vải là một loài dị tứ bội (allotetraploid), mà độ bội thể của nó có nghĩa là gấp bốn lần cơ hội gen thể hiện trong một cây. Đặc điểm này làm phức tạp hơn gấp nhiều lần trong áp dụng chỉnh sửa hệ gen. Để cung cấp những kiến thức cần thiết trong sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9 vào cây bông vải, Shuangxia Jin và ctv. thuộc Huazhong Agricultural University đã xác định được tính chất chuyên biệt của công nghệ này  thông qua phương pháp chạy trình tự toàn bộ genome (whole genome sequencing). Họ đánh dấu đích đến của ba gen trong cây bông, sử dụng CRISPR-Cas9 và đánh giá phần trăm đột biến không chủ đích (off-targets), sau khi sử dụng 14 cây đã được chỉnh sửa gen và ba cây nguyên thủy để chạy trình tự. Kết quả cho thấy rằng biến thiên di truyền trong các chuỗi trình tự ấy hầu hết đều do biến thiên tự nhiên và ảnh hưởng của nuôi cấy mô không phải “off-targets”. Hệ thống CRISPR-Cas9 rất chuyên biệt cho cây bông vải và có thể được sử dụng để cải thiện giống bông. Xem Plant Biotechnology. 

Thanh lọc bằng mắt thường dâu tây và đậu nành chỉnh sửa gen

Cheng Dai và ctv. thuộc Huazhong Agricultural University phát triển một phương pháp thanh lọc cây chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR với cách nhận biết bằng mắt thường. Trước đây, nhóm nghiên cứu này đã tiến hành chỉnh sửa gen cây cải dầu (rapeseed), một loài cây trồng quan trọng để lấy dầu canola, nhưng tốn kém quá mức về công sức cũng như phương pháp thanh lọc cây được chỉnh sửa không hiệu quả. Trong nghiên cứu mới này, họ đã chèn vào vector gốc, thể đánh dấu có tính chất huỳnh quang (fluorescence tag) mà họ đã chỉnh sửa gen trên cây cải dầu. Vector mới ấy được xét nghiệm trên nhiều loài hai lá mầm khác, bao gồm cải dầu, đậu nành, Arabidopsis, và dâu tây. tần suất cao “editing” được quan sát trên cây dâu tây là 95% và d8a65u nành là 75%. Phương pháp này là công cụ hữu hiệu để xác định cây transformants dương tính trên diện rộng của loài cây hai lá mầm. Xem Frontiers in Plant Science.

Thiết kế vector làm “toolkit” áp dụng chỉnh sửa hệ gen cây lúa

Vectors được người ta sử dụng phổ biến trong nhiều thí nghiệm khác nhau, ví dụ như “gene-editing”, thể hiện mạnh mẽ gen đích, và tương tác “protein-protein” nhằm định tính những gen hoặc sáng tạo ra tính trạng mới cho cây trồng. Vector kinh điển pCAMBIA đã được sử dụng bởi các nhà khoa học trong hơn 20 năm qua. Những vectors khác như TA và Gateway cũng còn được sử dụng trong các phòng thí nghiệm, nhưng những vectors ấy có những hạn chế, bao gồm sự khó khăn trong vận chuyển trình tự DNA giữa các vectors. Guo-Liang Wang và ctv. thuộc Chinese Academy of Agricultural Sciences, đã phát triển một “vector toolkit”, bao gồm 42 vectors phục vụ “transient” và thể hiện ổn định cho cây lúa. Họ đã phân tích vị trí xác định (recognition sites) trong trình tự mang mật mã của cây lúa và phát triển “multiple cloning site” có tính chất toàn cầu, mà người ta có thể áp dụng cho hơn 99% các trình tự mang mật mã của cây lúa. Họ đã trắc nghiệm những vectors ấy trong nhiều nghiệm thức khác nhau ví dụ như hệ thống CRISPR-Cas9 để chỉnh sửa hệ gen cây lúa và ghi nhận được hiệu qua chỉnh sửa cao. Xem Rice. Hình: Sơ đồ của những vectors.

Gen điều khiển màu sắc bông của cây hoa mõm chó

Hoa mõm chó (snapdragons, tên khoa học Antirrhinum spp.) là cây cao, dễ thương, hoa có màu sặc sở, sáng bóng. Tuy nhiên, màu hoa cây mõm chó không hòa trộn với nhau được, ngay cả khi người ta trồng chúng với nhau đại trà, đây là thách thức cho các nhà khoa học một thời gian dài. các nhà khoa học thuộc Institute of Science and Technology Austria (IST) Austria và John Innes Center in Norwich, UK, đã so sánh trình tự hệ gen của 50 cây  snapdragons mà mỗi cây là một màu, rồi phân tích có nhiều nhiêu mức độ đa dạng của trình tự DNA như vậy giữa quần thể mõm chó có  màu “magenta” (đỏ tía) và quần thể có màu “yellow” (vàng). Họ đã tìm thấy cái gọi là "islands" trong genome này, nó đa dạng hơn bất cứ nơi nào giữa màu vàng và đỏ tía so với hệ gen còn lại. Chính những islands như vậy tương ứng với những gen có chức năng tạo ra màu sắc của hoa . Họ thấy rằng có hai lý do tại sao quần thể cây hoa mõm chó hết sức đa dạng ở khía cạnh gen điều khiển màu sắc cánh hoa. Trước tiên, việc chọn lọc đã ưu ái cho những variants mới tại các gen “color genes”, làm cho hoa hấp dẫn hơn đối với ong, làm cho những gen này  bị “sweep” (quét ra khỏi) quần thể, dẫn đến một tín hiệu sắc sảo hơn trong những trình tự DNA. Hai là, Những “flower genes” trở thành vật chướng ngại (barriers) để gen có thể trao đổi với nhau. Những gen định vị gần với các “flower genes” không thể bị quét một cách dễ dàng giữa những quần thể, vùng của hệ gen xung quanh các gen này xác định màu hoa trở nên đa dạng vô cùng (divergent). xem chi tiết trong IST Austria.

25 loài của Anh Quốc được giải trình tự hệ gen

Các nhà khoa học thuộc Wellcome Sanger Institute và những tổ chức hợp tác với họ đã tiến hành giải trình tự (full genomes) của 25 loài (species) thuộc Vương Quốc Anh lần đầu tiên. Trình tự DNA này của thực vật và động vật, bao gồm loài chim, cá, và côn trùng sẽ giúp cho các nhà sinh học và bảo tồn học hiểu được nhiều hơn về đời dống của chúng và biết cách nào để bảo vệ chúng. Các hệ gen “high-quality” sẽ được thực hiện phục vụ cho các nhà khoa học. Theo Sanger Institute, những genomes lần đầu tiên được giải trình tự sẽ có thể phục vụ cho nhà khoa họctrong nghiên cứu ví dụ làm sao cá hồi “brown trout” di cư được ra đại dương rộng lớn, trong khi loài cá còn lại thì không, hoặc nghiên cứu ở mức độ “magneto receptors” trong mắt chim cổ đỏ châu Âu (robins: Erithacus rubercula) mà điều này cho phép chúng thấy được “trường điện từ” (magnetic fields) của quả đất chúng ta. Các hệ gen này có thể giúp người ta hiểu được tại sao sóc đỏ (red squirrels) dễ bị tổn thương với virus có thuật ngữ chuyên môn là “squirrel pox virus”, sóc xám (grey squirrels) có thể mang virus này và làm lan rộng quần thể virus ấy mà sóc xám không hề mắc bệnh. Dự án có thề “25 Genomes Project” thuộc về công trình chào mừng 25 năm thành lập Viện. Dự án 25 genomes này đặc trưng cho năm lĩnh vực trọng điểm của “đa dạng sinh học” Anh Quốc.

Xem danh sách của 25 loài này tại news release hoặc

https://www.sanger.ac.uk/news/view/25-uk-species-genomes-sequenced-first-time

The Wellcome Sanger Institute and its collaborators have sequenced the full genomes of 25 UK species for the first time. The DNA code of these animals, birds, fish, insects and plants will help biologists and conservationists understand more about how they live and how to protect them.