Tuần tin khoa học 617 (14-20/01/2019)

Giống khoai tây GM kháng bọ cánh cứng Leptinotarsa decemlineata (colorado beetle)

Một trong những giải pháp kháng lại côn trùng gây hại là sử dụng giống kháng có gen Bt. Nghiên cứu cho thấy chiến lược sử dụng phân tử RNA can thiệp (RNAi) có thể được áp dụng cho giống khoai tây kháng bọ cánh cứng “Colorado potato beetle” (CPB), tên khoa học: Leptinotarsa decemlineata. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Transgenic Research.

Nigde Omer Halisdemir và ctv. thuộc University in Turkey đã thực hiện nghiên cứu này để làm câm gen mã hóa receptor có tính chuyên biệt rất cao “Ecdysone receptor” (gen EcR) của bọ cánh cứng CPB bằng kỹ thuật RNAi. Giống khoai tây Agria và giống Lady Olympia được chuyển nạp gen EcR của bọ cánh cứng CPB gián tiếp thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Cây khoai tây transgenic được đánh giá hiệu quả kháng sâu non CPB. Kết quả ghi nhận 15-80% sâu non CPB chết. Hơn nữa, sâu non CPB khi cho phơi nhiễm trên cây khoai tây transgenic biểu hiện thấp phân tử transcript EcR, thực hiện chức năng của dsRNA EcR làm câm gen EcR không cho nó thể hiện. Xem Transgenic Research.

Giống bắp BT thể hiện một gen quy tụ CRY1AB/CRY1AC không làm tổn thương côn trùng ăn hạt phấn (pollen feeders)

Các nhà khoa học thuộc Hainan University hợp tác với nhiều nhà khoa học khác đã đánh giá tác động của hạt phấn giống bắp có quy tụ hai gen Cry1Ab/Cry1Ac đối với các loài sinh vật không chủ đích, sống nhờ việc ăn hạt phấn (pollen-feeding non-target species) trong phòng thí nghiệm. Các loài quan sát bao gồm bọ rùa ladybird (Propylea japonica), green lacewing (Chrysoperla nipponensis), và ong mật (Apis mellifera), đây là những côn trùng phổ biến trong tự nhiên ăn hạt phấn hoa của nhiều loài cây trồng khác nhau. Khi cho chúng sinh sống trong quần thể cây trồng chuyển gen Bt, chúng có thể bị ảnh hưởng trực tiếp bởi protein tinh thể BT. Do đó, những côn trùng này thường được người ta sử dụng để xét nghiệm sinh học đối với ảnh hưởng của cây Bt trên sinh vật không chủ đích. Kết quả cho thấy sự phát triển của nhộng (pupation rate) và côn trùng trưởng thành con đực “ladybird” có khối lượng tươi fresh gia tăng đáng kể khi cho chúng sống trong nghiệm thức ăn phấn hoa cây bắp Bt nhưng các thông số sinh trưởng khác như  mật độ sống sót, giai đoạn trước khi đẻ trứng, và tỷ lệ thụ tinh không chịu ảnh hưởng của nghiệm thức này. Đối với con “green lacewing” và ong mật, không khác biệt có ý nghĩa đối với những thông số về sinh trưởng giữa hai nghiệm thức: hạt phấn bắp có Bt và hạt phấn bắp không có Bt. Ba loài sinh vật ăn phấn hoa này không hề bị ảnh hưởng của protein Cry1Ab/Cry1Ac protein.Do đó giống bắp Bt sẽ không tạo ra sự rủi ro cho những sinh vật không chủ đích nói trên. Xem Toxins.

Chỉnh sửa gen bằng CRISPR-CAS9 để cải biên hình thái học của giống lúa mì

Chỉnh sửa hệ gen (genome editing) bằng hệ thống CRISPR-Cas9 có khả năng thúc đẩy nhanh chóng việc cải tiến giống lúa mì bằng cách làm rõ cơ sở phân tử của những tính trạng nông học và có khả năng cải biên việc điều khiển gen của những tính trạng mong muốn ấy. CRISPR-Cas9 dựa trên cơ sở phân tử gRNA tổng hợp (guide-RNA) trực tiếp trên enzyme “Cas9 nuclease” để tìm chính xác vùng đích trong hệ gen và sáng tạo ra DSB (double strand breaks). Những DSB này được sửa lỗi thông qua tiến trình được gọi là “error-prone non-homologous end joining”. Tiến trình ấy có thể tạo ra sự chèn đoạn và mất đoạn dẫn đến kết quả đột biến có tên là “loss-of-function mutations”. Các nhà nghiên cứu của Kansas State University, đứng đầu là Qianli Pan, đã ghi nhận hiệu quả chỉnh sửa hệ gen như vậy. các số liệu của phương pháp NGS (next-generation sequencing) đã được họ sử dụng để dự đoán hiệu quả của chỉnh sửa hệ gen với nhiều phân tử gRNAs khác nhau được áp dụng trong protoplast của cây lúa mì. Người ta tuyển chọn phân tử gRNAs có hiệu quả tốt nhất để phục vụ cho yêu cầu chuyển nạp gen. Áp dụng quy trình này trên năm gen đồng dạng của hệ gen lúa mì (wheat orthologs) tương đồng với gen qui định thành phần năng suất lúa nước, người ta ghi nhận rằng: kết quả đã và đang được xác định giống như trước đây. Những cây được chỉnh sửa gen thu nhận tất cả các gen ấy, chúng đã được minh chứng rõ ràng  và được quan sát cẩn thận với xu hướng rất giống với trường hợp đã thực hiện trên cây lúa. Đây là nội dung rất quan trọng cho cải tiến giống lúa mì. Xem K-State Research Exchange.

Định tính những đột biến CRISPR xác định đích đến các gen quy định sự thoài hóa pectin trong quả cà chua chín

  Thời gian bảo quản là một trong những tính trạng quan trọng về phẩm chất trái cà chua, liên quan đến việc cải biên những đặc tính quan trong của lớp cutin võ và mô phỏng lại các vách tế bào của trái cà chua. Những nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng có một nhóm quy tụ các enzyme có chức năng phân giải pectin có trong thành tế bào trái cà chua đã được mô phỏng lại (cell wall remodelling), mà sự mô phỏng lại ấy chỉ từ một gen duy nhất. Một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã báo cáo kết quả nghiên cứu của họ trên tạp chí Plant Physiology thế hệ mới khá thành công của những đột biến trên cơ sở CRISPR liên quan đến gen làm chín quả cà chua mã hóa enzyem phân giải chất pectin – “pectate lyase” (PL), “polygalacturonase 2a” (PG2a) và “β-galactanase” (TBG4). Khi họ so sánh những đặc điểm sinh lý của trái cà chua từ một nhóm với những dòng PL, PG2a và TBG4 CRISPR, đó chỉ là kết quả đột biến của PL mà thôi, từ giống cà chua có trái cứng hơn, cho dù những đột biến PG2a và TBG4 đều có ảnh hưởng đến màu trái cà chua và khối lượng trái. Nghiên cứu vị trí của pectin, sự phân bố pectin, và khả năng hóa tan của nó trong tế bào vỏ quả của giống cà chua đột biến CRISPR. Kết quả ghi nhận rằng trái cà chua đột biến có PL, PG2a và TBG4 hoạt động trên các domain của thành tế bào tách biệt nhau, họ còn ghi nhận rằng pectin có tầm quan trọng khi kết hợp với “cellulose microfibril” phản ánh kết quả nói trên của các dòng cà chua đột biến. Xem Plant Physiology.

Hiệu quả sử dụng nước của cây bắp được đo bằng carbon đồng vị phóng xạ

Thông điệp chính:

Một đoạn phân tử trên nhiễm sắc thể số 7 của hệ gen cây bắp có ảnh hưởng của carbon đồng vị phóng xạ, hiệu quả sử dụng nước, và mức nhạy cảm của lá tăng trưởng khi có khô hạn, có thể do tính chất của khí khổng gây ra.

Tóm tắt:

Biến đổi khí hậu sẽ làm cho khả năng nước tưới giảm đáng kể tại nhiều vùng nông nghiệp của thế giới. Do đó, cây trồng có khả năng cải biên sao cho tăng trưởng tốt trong điều kiện trong điều kiện thiếu nước là yêu cầu cấp thiết. Tác nhà nghiên cứu công trình khoa học này đã kết hợp những phương pháp tiếp cận với di truyền học, hiện tượng học, và sinh lý học để hiểu rõ tương quan giữa tăng trưởng, điều tiết của khí khổng, hiệu quả sử dụng nước, và thành phần carbon đồng vị phóng xạ xảy ra trong cây bắp (Zea mays L.). Họ xây dựng quần thể đẳng gen NILs  (near-isogenic lines) từ tập đoàn giống bắp du nhập, rồi phân tích các ảnh hưởng của một vùng trong hệ gen đã được xác định trước đó, nhờ ảnh hưởng của thành phần carbon đồng vị phóng xạ. Họ cho thấy được tính chất bền vững của sự thể hiện tính trạng qua nhiều năm trên thí nghiệm ngoài đồng ruộng; họ chứng minh được kiểu hình theo nền tảng Phenodyn mà từ một vùng phân tử giống nhau trên nhiễm sắc thể ấy cũng tạo ảnh hưởng đến sự nhạy cảm của sự tăng trưởng lá bắp đáp ứng tốt với yêu cầu thoát hơi nước và tiềm năng nước có trong đất. Kết quả của họ cho thấy rằng: nghiên cứu đoạn phân tử mục tiêu trong hệ gen cây bắp ảnh hưởng đến nội dung phân biệt thành phần carbon đồng vị phóng xạ, cũng như định vị QTL (quantitative trait loci) có vai trò vô cùng nhạy cảm với khô hạn của cây bắp thông qua tập tính của khí khổng và sự phát triển của khí khổng. Họ đề nghị rằng những kiểu hình quan sát được xuất phát từ sự đóng mở khí khổng đã bị thay đổi, th6ong qua abscisic acid. Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-018-3193-4

Hình: (a) Hệ gen của hai dòng NILs, NIL A và NIL B, trên cơ sở chỉ thị phân tử SNA với 616.201 markers;    (b) chồng lấp của đoạn phân tử du nhập trên nhiễm sắc thể số 7 của hệ gen cây bắp giữa hai dòng bắp. Các alen đồng hợp tử của giống cho DP (donor parent) hiển thị màu xanh lá cây, những alen đồng hợp tử của giống tái tục RP (recurrent parent) hiển thị màu xanh dương.

Nguồn: Viktoriya Avramova, Adel Meziane, Eva Bauer, Sonja Blankenagel, Stella Eggels, Sebastian Gresset, Erwin Grill, Claudiu Niculaes, Milena Ouzunova, Brigitte Poppenberger, Thomas Presterl, Wilfried Rozhon, Claude Welcker, Zhenyu Yang, François Tardieu, Chris-Carolin Schön. 2019. Carbon isotope composition, water use efficiency, and drought sensitivity are controlled by a common genomic segment in maize. Theoretical and Applied Genetics - January 2019, Volume 132, Issue 1, pp 53–63.