Tuần tin khoa học 764 (22-28/11/2021)
Di truyền của enzyme I-SceI (meganuclease) trong cà chua và cải dầu
(169).png)
Nguồn: Benoit Danilo, Émilie Montes, Héloïse Archambeau, Maryse Lodé, Mathieu Rousseau-Gueutin, Anne-Marie Chèvre & Marianne Mazier. 2021. I-SceI and customized meganucleases-mediated genome editing in tomato and oilseed rape. Transgenic Research (2021); on-line published Oct. 11, 2021.
Meganucleases là những enzymes phân cắt rất hiếm, chúng có thể phát sinh ra hiện tượng cải biên DNA và góp phần vào công cụ chỉnh sửa hệ gen thực vật mặc dù chúng thiếu tính đa dụng (versatility). Ở đây, các tác giả công trình nghiên cứu này đánh giá việc sử dụng hai meganucleases, I-SceI và một meganuclease có tính chất phổ biến, trong cây cà chua và cải dầu. Các chiến lược nghiên cứu khác nhau được người ta khai thác triệt để nhằm sử dụng các meganucleases ấy. Hoạt tính của meganuclease phổ biến và I-SceI meganucleases lần đầu tiên được ước lượng thông qua sử dụng công cụ reporter construct GFFP với chuỗi trình tự đích và có thể chứng minh rằng cả hai enzymes như vậy đều có khả năng phát sinh ra sự đứt gãy dây kép và tái tổ hợp trên cơ sở HDR của gen “reporter”. Đặc biệt là, I-SceI dường như có hiệu quả DSB (đứt dây đôi) cao hơn meganuclease thông dụng (customized): cao hơn 62.5% trong cây cà chua và 44.8% trong cây cải dầu. Thứ hai, cùng một landing pad ngoại sinh đã được du nhập vào hai loài thực vật nói trên. Dù có hiệu quả thấp thơn I-SceI, nhưng meganuclease thông dụng vẫn có thể phát sinh ra sự kiện cắt của một transgene ngoại sinh nào đó (mất đoạn lớn hơn 3316 bp) trong cây cà chua. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta còn cho thấy những cạm bẫy nguy hiểm cần được xem xét trước khi sử dụng meganucleases (e.g., độc tính tiềm ẩn) trong chỉnh sửa gen.
Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s11248-021-00287-2
Họ gen acyl-ACP thioesterase của đậu nành và vai trò của gen GmFAT điều khiển phẩm chất dầu hạt.
(151).png)
Nguồn: Zhou Zhou, Naoufal Lakhssassi, Dounya Knizia, Mallory A. Cullen, Abdelhalim El Baz, Mohamed G. Embaby, Shiming Liu, Oussama Badad, Tri D. Vuong, Amer AbuGhazaleh, Henry T. Nguyen & Khalid Meksem. 2021. Genome-wide identification and analysis of soybean acyl-ACP thioesterase gene family reveals the role of GmFAT to improve fatty acid composition in soybean seed. Theoretical and Applied Genetics November 2021; vol. 134: 3611–3623
Họ gen trong cây đậu nành acyl-ACP thioesterase đã và đang được người ta định tính; Gen đột biến GmFATA1A được tìm thấy có liên quan đến hàm lượng cao của oleic acid, trong khi đột biến gen GmFATB liên quan đến kiểu hình hàm lượng cao palmitic acid và hàm lượng cao oleic acid trong hạt đậu.
Sự ổn định tính trạng hàm lượng dầu của hạt đậu nành, phẩm chất hạt là mục tiêu phải xác định đầu tiên bởi tỷ lệ tương đối của acid béo giữa acid béo bão hòa và không bão hòa. Thông thường hàm lượng dầu đậu nành chứa 11% palmitic acid, như acid béo bão hòa sơ cấp. Giảm hàm lượng palmitic acid là cách tiếp cận đầu tiên nhằm giảm thiểu tổng lượng acid béo bão hòa trong đậu nành. Cho dù hàm lượng cao của palmitic acid làm tăng cường hoạt tính ổn định ô-xi hóa (oxidative stability) của dầu đậu nành, nhưng nó tương quan nghịch với hàm lượng dầu và hàm lượng oleic acid, có thể dẫn đến bệnh tim, động mạch vành của người. Đối với thực vật, enzymes ACP (acyl–acyl carrier protein) thioesterases là một tập họp các enzymes cùng một nhóm để thủy phân gốc acyl và phóng thích acid béo tự do từ plastid. Trong số đó, gen GmFATB1A trở thành mục tiêu chính để thao tác di truyền làm giảm hàm lượng palmitic acid trong đậu nành. Tuy nhiên, vai trò của những thành viên trong họ gen acyl-ACP thioesterase chưa được biết nhiều. Theo nghiên cứu này, người ta định tính hai lớp (classes) yếu tố phiên mã (TEs), GmFATA, và GmFATB trong đậu nành. Người ta còn định danh hai thành viên của GmFATA và tìm thấy sáu thành viên bổ sung mà chúng trực thuộc họ gen GmFATB thông qua phân tích di truyền huyết thống, di truyền đồng dạng (syntenic), và phân tích in silico. Sử dụng kỹ thuật chạyy TILLING-by-Sequencing+, người ta xác định được một loạt các alen (allelic series) mang tính chất đột biến trong 5 gen đậu nành acyl-ACP thioesterase, bao gồm GmFATA1A, GmFATB1A, GmFATB1B, GmFATB2A, và GmFATB2B. Hơn nữa, người ta còn tìm thấy các đột iến tại GmFATA1A liên quan đến kiểu hình hàm lượng cao về oleic acid (đến 34.5%), trong khi đó, đột biến tại GmFATB biểu hiện palmitic acid thấp (khoảng 5.6%) và oleic acid cao (đến 36.5%). Những dòng đậu nành đột biến thu được có hàm lượng acid béo biến động nhiều đều có thể được sử dụng trong chương trình cải tiến giống đậu nành cao sản phẩm chất dầu tốt.
Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03917-9
Sự can thiệp mang tính chất di truyền và nông học trong ổn định năng suất lúa.
(168).png)
Nguồn: Jagdish K. Ladha, Ando M. Radanielson, Jessica Elaine Rutkoski, Roland J. Buresh, Achim Dobermann, Olivyn Angeles, Irish Lorraine B. Pabuayon, Christian Santos-Medellín, Roberto Fritsche-Neto, Pauline Chivenge, and Ajay Kohli. 2021. Steady agronomic and genetic interventions are essential for sustaining productivity in intensive rice cropping. PNAS November 9, 2021 118 (45) e2110807118
Sự can thiệp có tính bền vững giữa di truyền và nông học giúp người ta ổn định sản lượng lúa hàng nămtrong hệ thống độc canh lúa cao sản thâm canh dưới điều kiện biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, hệ thống này không có kết quả làm tăng năng suất lúa, nhu cầu giữ nhịp độ tăng theo mong muốn, mà có tính chất năng suất không nhích lên được hàng năm (stagnant yield potential), những hạn chế trước mắt bởi sâu bệnh hại làm hạn chế năng suất trong mùa mưa.
Các hệ thống thâm canh lúa thuộc mô hình 2-3 vụ lúa/năm (Oryza sativa L.) chiếm khoảng 50% diện tích lúa thu hoạch tên vùng lúa có nước tưới ở châu Á. Bất cứ một sự giảm nào về năng suất hoặc sự giảm đi mức độ ổn định trong hệ thống ấy đều dẫn đến kết quả hết sức nghiêm trọng cho an ninh lương thực toàn cầu. Xu hướng năng suất lúa tăng trong mô hình thí nghiệm mùa vụ liên tục, dài hạn, trên thế giới, viết tắt là LTCCE (longest-running long-term continuous cropping experiment) được người ta tiến hành đánh giá để nghiên cứu hiệu quả của thâm canh và phác họa nên các bài học kinh nghiệm về sản xuất bền vững ở châu Á. Sản lượng thóc hàng năm đã trở nên ổn định ở mức độ đều đặn trong khoảng thời gian 50 năm theo mô hình LTCCE thông qua điều chỉnh mang tính chất liên tục về quy trình canh tác và sự thay thế giống lúa mới một cách đều đặn. Trong mỗi giai đoạn ba vụ (vụ đông xuân, vụ hè thu sớm, và vụ hè thu muộn), năng suất giảm được người ta ghi nhận trong pha một, từ 1968 đến 1990. Những cải tiến kỹ thuật canh tác trong năm 1991 đến năm 1995 đã giúp cho đảo ngược lại sự suy giảm năng suất này. Tuy nhiên, năng suất đã tăng không liên tục sau đó, từ 1996 đến 2017. Sự cải tiến đều đặn về di truyền và cải thiện kỹ thuật canh tác đủ để duy trì năng suất ổn định một cách đều đặn (steady levels) trong đông xuâtn và hè thu sớm, cho dù, có một sự giảm tiềm năng năng suất do biến đổi khí hậu. Năng suất đi xuống trong vụ hè thu muộn. Tăng trưởng chậm hơn theo hiểu quả chọn lọc di truyền thấp (low genetic gain) sau 20 năm thí nghiệm đầu tiên liên quan đến chu kỳ chọn lọc giống chậm hơn như bản chất của chọn lọc theo gia phả (pedigree depth). Kết quả nghiên cứu này chứng minh rằng nhờ điều chỉnh kịp thời kỹ thuật canh tác và thay giống mới đều đặn, người ta có thể duy trì được mức độ cao của sản lượng thóc hàng năm trong hệ thống canh tác lúa cao sản có nước tưới trong điều kiện biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, hệ thống này không thể thành công làm tăng năng suất lúa trong tương lai xa, khi mà người ta đòi hỏi giữ một nhịp độ tăng, sao cho kịp với nhu cầu gạo của toàn thế giới.
Xem: https://www.pnas.org/content/118/45/e2110807118
(160).png)
Chỉnh sửa gen điều khiển hàm lượng đường trong quả cà chua
(158).png)
Nguồn: Kohei Kawaguchi, Rie Takei-Hoshi, Ikue Yoshikawa, Keiji Nishida, Makoto Kobayashi, Miyako Kusano, Yu Lu, Tohru Ariizumi, Hiroshi Ezura, Shungo Otagaki, Shogo Matsumoto & Katsuhiro Shiratake. 2021. Functional disruption of cell wall invertase inhibitor by genome editing increases sugar content of tomato fruit without decrease fruit weight. Scientific Reports volume 11, Article number: 21534 (2021). Published: 2 Nov. 2021
Hàm lượng đường la một trong những tính trạng nông học quan trọng nhất của cà chua. Men invertase trong thành tế bào làm tăng cường sự tích tụ sucrose trong quả cà chua nhờ duy trì một gradien nồng độ đường sucrose giữa nguồn từ lá và sức chứa của quả, trong khi men invertase inhibitor (INVINH) điều tiết cả tiến trình sinh học này. Theo kết quả nghiên cứu, người ta thực hiện “knock-out” gen INVINH trong thành tế bào cà chua (SlINVINH1) thông qua kỹ thuật chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR/Cas9 và công nghệ Target-AID technologies. Hầu hết các dòng cà chua được chỉnh sửa gen biểu hiện quả cà chua có hàm lượng cao hơn chất SSC (soluble solid content) so với giống cà chua nguyên thủy ‘Suzukoma’, trong khi đó, khối lượng quả khác hẳn với những dòng chỉnh sửa gen. Trong các dòng chỉnh sửa gen như vậy, có ha dòng (193–3, 199–2, và 247–2), mà hàm lượng SSC của chúng nhiều hơn giống cà chua nguyên gốc ‘Suzukoma’, khối lượng quả cà chua hầu như không khác biệt gì, ba dòng này được tuyển chọn. Khối lượng quả cà chua và tăng trưởng cây xét về tổng quát của hai dòng được so sánh với giống đối chứng (giống gốc). Trái lại, hàm lượng fructose và glucose trong quả chíncủa hai dòng này cao hớn đáng kể so với giống gốc đối chứng. Quả chín của dòng cà chua chỉnh sửa gen 193–3 cho thấy có hàm lượng đường cao nhất, hàm lượng fructose và glucose là 29% và 36% cao hơn giống gốc đối chứng, theo thứ tự. Số liệu chạy trònh tự toàn bộ genome cho thấy không có đột biến không chủ đích trong các dòng cà chua chỉnh sửa gen. Phân tích metabolome không chủ đích của quả cà chua chín cho thấy fructose là yếu đố tích tụ cao nhất theo kết quả PCA (principal component analysis) giữa dòng cá chua chỉnh sửa gen với giống cà chua gốc đối chứng, không có chất biến dưỡng lạ nào xuất hiện trong dòng cà chua chỉnh sửa gen. Theo nghiên cứu này, người ta đã thành công trong việc tạo ra dòng cà chua chỉnh sửa gen có hàm lượng được cao mà không làm giảm khối lượng quả và làm ảnh hưởng bất lợi cho tăng trưởng, thông quả kỹ thuật knock-out gen SlINVINH1 bằng công nghệ chỉnh sửa gen. Nghiên cứu này chỉ ra rằng: sự rối loạn chức năng gen SlINVINH1 là một phương pháp tiếp cận hiệu quả để tạo ra dòng cà chua có hàm lượng đường cao.
Số lần xem: 392
