Tuần tin khoa học 823 (23-29/01/2023)

Cải tiến tính trạng chống chịu hạn của cây bắp

Nguồn: Michael S McMillen, Anthony A Mahama, Julia Sibiya. 2022. Improving drought tolerance in maize: Tools and techniques. Front Genet.; 2022 Oct 28; 13:1001001.  doi: 10.3389/fgene.2022.1001001.

Khô hạn là hạn chế chính đến năng suất nông nghiệp trên toàn thế giới. Trong biến đổi khí hậu nó càng ngày càng tệ hơn. Để giúp đỡ nông dân, đặc biệt đang canh tác vùng cận sa mạc Sahara (SSA), thích ứng với biến đổi khí hậu, người ta sáng tạo ra thế hệ tiếp nối nhau của giống cây trồng chống chịu stress, được nông dân ưa thích, chấp nhận, đây là mục tiêu cực trọng của an ninh lương thực. Bắp là cây lương thực có diện tích rộng lớn nhất tại SSA, đóng góp vai trò quan trọng trong an ninh lương thực. Mục đích của bài tổng quan này là xem xét mới nhất về sự phát triển phổ cập những công cụ và kỹ thuật hiện nay được người ta sử dụng để cải tiến tính chống chịu khô hạn của cây bắp. Người ta còn tóm tắt tiến bộ trong chọn tạo giống bắp chống chịu khô hạn, kết hợp thành tựu nghiên cứu từ nhiều chuyên ngành khác nhau như sinh lý học, sinh học phân tử, và mô phỏng có tính chất hệ thống (systems modeling). Tổng quan kỳ vọng giới thiệu kiến thức mới về chọn giống bắp thích ứng với khí hậu. Dự án cài tiến giống bắp mang tính chất hợp tác như vậy cho vùng SSA nhấn mạnh đến giá trị đối tác công tư (public-private partnerships) trong gia tăng việc tiếp cận với kỹ thuật genomic và những transgenes hữu ích. Nhằm ổn định được tác động của các dự án chọn giống bắp tại SSA, người ta phải nỗ lực nhiều hơn để khảo nghiệm thế hệ con lai kế tiếp bởi các nhà chọn giống và nhà khoa học cây trồng.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36386797/

Chỉnh sửa gen OsALS giúp cây lúa Basmati chống chịu thuốc cỏ

Nguồn: Kashaf Zafar, Muhammad Zuhaib Khan, Imran Amin, Zahid Mukhtar, Mehak Zafar, Shahid Mansoor. 2023. Employing template directed CRISPR-based editing of the OsALS gene to create herbicide tolerance in Basmati rice.

AoB PLANTS, plac059, https://doi.org/10.1093/aobpla/plac059 (Published: 13 January 2023)

Lúa (Oryza sativa) là một trong những loài cây trồng quan trọng bậc nhất đóng góp đáng kể vào năng lượng calories hàng ngày cho nhân loại. Nó được xem là cây mô hình cho nhiên cứu chỉnh sửa hệ gen. Giống lúa thơm Basmati cũng được người ta khai thác để sáng tạo ra chỉnh sửa gen có tính chất “non-homologous end joining”. Nhưng người ta chưa biết rõ tính chất “homology directed repair-based genome editing” có thể được thực hiện thành công hay không trên giống lúa Basmati. Nghiên cứu thành được tiến hành để tạo ra chỉnh sửa hệ gen mang tính chất “homology directed repair” trên giống lúa Basmati để phát triển tính chống chịu thuốc cỏ. Cỏ dại lan tràn hết sức nghiêm trọng ở vùng trồng lúa thông qua kỹ thuật sạ thẳng tại nhiều quốc gia để tiết kiệm lao động và nguồn tài nguyên nước. Do vậy, việc sử dụng thuốc trừ cỏ dại rất cần thể để quản lý. Những thuốc diệt cỏ này có thể ảnh hưởng dến cây lúa trồng nên người ta phải nghĩ đến giống lúa chống chịu thuốc cỏ. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta du nhập một đột biến điểm có chủ đích vào gen Acetolactate Synthase để chuyển hóa tryptophan thành leucine ở vị trí 548. Để đạt được điều ấy, người ta thiết kế những vector khác nhau mang tính chất “homology-directed repair” tất cả được xét nghiệm với khung mang RNA khác nhau (RNA scaffold) và định hướng “repair templates”. Trong bốn kiến trúc khác nhau ấy, có một vector có tính chất “repair template” duy nhất tại DNA mục tiêu phục vụ mục tiêu chỉnh sửa chính xác. Người ta thực hiện thành cônghệ thống chỉnh sửa CRISPR-Cas9 mang tính chất “template directed” trong giống Super Basmati thông qua phát hiện sự thay vào mong muốn tại đích đến của locus Acetolactate Synthase. Hơn nữa, chỉnh sửa gen Acetolactate Synthase cho ra kết quả chống chịu được thuốc trừ cỏ của giống lúa Super Basmati. Kết quả chỉ ra rằng kiểu “homology-directed repair system” có thể được sử dụng để chỉnh sửa chính xác các gen khác nữa để cải tiến giống.

Xem https://academic.oup.com/aobpla/advance-article/doi/10.1093/aobpla/plac059/6986705?login=false

Tính nhạy cảm BS của mô sẹo Super Basmati và cây mạ non. (A) BS sensitivity của mô sẹo trên môi trường BS ở nồng độ 0, 0.1, 0.2, 0.3 và 0.5 μM, theo thứ tự. Mức độ tăng trưởng của mô sẹo được so sánh với nhau sau 25 ngày. (B) Cây mạ tăng trưởng  trong nghiệm thức nồng độ BS khác nhau từ 0 đến 5.0 μM.

Chỉnh sửa gen vi khuẩn gây bệnh cây nhờ hệ thống CRISPR-Cas9

Nguồn: Chenhao Li, Longfei Wang, Leland J. Cseke, Fernanda Vasconcelos, Jose Carlos Huguet-Tapia, Walter Gassmann, Laurens Pauwels, Frank F. White, Hansong Dong & Bing Yang. 2023. Efficient CRISPR-Cas9 based cytosine base editors for phytopathogenic bacteria. Communications Biology volume 6, Article number: 56 (2023) 

Vi khuẩn gây bệnh cây (Phytopathogenic bacteria) đóng vai trò quan trọng làm giảm năng suất. Việc phát triển kỹ thuật chỉnh sửa gen có tiềm năng rất lớn để tăng cường những công cụ di truyền phục vụ việc phân lập các gen hữu ích trong tiến trình phát sinh bệnh cây. Chỉnh sửa gen nhờ hệ thống CRISPR tạo ra các biến thể (variants) có phổ sử dụng vô cùng rộng rải trong sinh vật eukaryotes và prokaryotes. Tuy nhiên, những cơ chế độc đáo  của ký chủ khác nhau làm hạn chế việc ứng dụng rộng rải này mang tính chất rất chuyên biệt. Ở đây, hệ thống CRISPR-dCas9 (dead Cas9) và nCas9 (Cas9 nickase) deaminase vectors được người ta phát triển trên phổ ứng dụng rộng đối với vi khuẩn gây bệnh cây. Gen phục vụ dCas9 hoặc nCas9, cytosine deaminase CDA1, và ức chế dung hợp protein glycosylase (cytosine base editor, hoặc CBE) được người ta ứng dụng để chỉnh sửa base editing dưới sự kiểm soát của những promoters khác nhau. Kết quả cho thấy “RecA promoter” dẫn dắt khoảng 100% sự cải biên tại đích đến. Trong khi tập trung vào plasmid có tính chất phổ thông cho tất cả ký chủ (broad host range plasmid) pHM1, CBE_RecAp rất hiệu quả trong sáng tạo ra chỉnh sửa base đối với chủng nòi Xanthomonas, Pseudomonas, Erwinia và Agrobacterium. Kỹ thuật “CBE based on nCas9” phát triển “editing window” và  chỉnh sửa hiệu quả cao hơn đáng kể đối với Pseudomonas. Các chủng nòi có tính chất đột biến “nonsynonymous” trong nhiều gen khảo nghiệm biểu thị các kiểu hình mong muốn. Nhờ “multiplexing” (chỉnh sửa nhiều gen một lúc) nhữn gen có tính chất “guide RNA”, các vectors này có thể cải biên đến 4 gen trong một lần thao tác chỉnh sửa. Chạy trình tự toàn bộ hệ gen của những mẫu phân lập “base-edited” đối với vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae biểu thị tính chất độc lập của “guide RNA” trong đột biến không mong muốn (off-target mutations). Cải biên của CBE, sử dụng một CDA1 variant (CBE_RecAp-A) làm giảm đáng kể ảnh hưởng đột biến không mong muốn, cho chúng ta một công cụ chỉnh sửa gen cải tiến đối với nhóm có phổ rộng vi khuẩn gây bệnh cây.

Xem https://www.nature.com/articles/s42003-023-04451-8

Hệ thống chỉnh sửa base cytidine  của vi khuẩn gây bệnh cây.

Thực hiện GWAS để nghiên cứu tính kháng bệnh Septoria nodorum blotch trên lúa mì

Nguồn: Min Lin, Andrea Ficke, Jon Arne Dieseth & Morten Lillemo. Genome-wide association mapping of Septoria nodorum blotch resistance in Nordic winter and spring wheat collections. Theoretical and Applied Genetics December 2022; vol. 135: 4169–4182

Một  QTL mới điều khiển tính kháng bệnh SNB, QSnb.nmbu-2AS, được tìm thấy cả giống lúa mì mùa đông và mùa xuân. Bệnh Septoria nodorum blotch (SNB), do nấm hoại sinh Parastagonospora nodorum, là bệnh làm đốm lá (leaf blotch) trên cây lúa mì ở Na Uy. Kháng/nhiễm đối với bệnh SNB là tính trạng di truyền số lượng, được giải thích bởi tương tác giữa loci lúa mì nhiễm bệnh  (Snn) và effector tương ứng mang tên “P. nodorum necrotrophic effectors”, viết tắt là NEs. Hai tập đòn giống lúa mì Na Uy được sử dụng làm bản đồ “association” được đánh giá tính kháng bệnh SNB trên đồng ruộng qua 3-4 năm: tập đoàn giống lúa mì mùa xuân có 296 giống, tập đoàn mùa đông có 102 giống. GWAS (Genome-wide association studies) tìm ra được tính kháng SNB gắn liền với QTL định vị trên 11 nhiễm sắc thể lúa mì, và 10 QTL  của chúng là lúa mì thuộc tập đoàn giống mùa xuân và mùa đông. Một QTL chủ lực định vị trên vai ngắn của nst 2A, QSnb.nmbu-2AS, được tìm thấy rất có ý nghĩa  cho cả tập đoàn lúa mì mùa xuân và mùa đông. Lúa mì mùa xuân, qua 4 năm khảo nghiệm trên đồng ruộng có bệnh SNB rất nặng, số liệu kết hợp với 5 số liệu 5 năm trong cơ sở dữ liệu lưu trữ, ảnh hưởng của QSnb.nmbu-2AS được xác định lại theo nguồng dữ liêu 7, 9 năm, trong khi đó, lúa mì mùa đông, ảnh hưởng được xác định qua tất cả các năm khảo nghiệm bao gồm cơ sở dữ liệu lích sử của 2014 - 2015. Tuy nhiên, các dònh bao gồm haplotype kháng bệnh rất hiếm trong cả lúa xuân Na Uy (4.0%) và lúa đông (15.7%), cho thấy khả năng của tích hợp QTL này trong tính kháng SNB theo kết hoạch cải tiến giống. Hơn nữa, ảnh hưởng tính cộng hết sức rõ ràng và có ý nghĩa được người ta quan sát thông qua các alen kháng tập họp lại (stacking resistant alleles) của QTL được tìm thấy, như vậy, MAS (marker-assisted selection) có thể được áp dụng để chọn giống lúa mì cao sản ka1ng bệnh SNB.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04210-z

Sơ đồ Manhattan plots của tính trạng kháng bệnh SNB của tập đoàn giống lúa mì.