Chỉnh sửa gene để tăng khả năng kháng bệnh đốm vòng cho cây đu đủ

Nhóm nghiên cứu Công nghệ tế bào thực vật tại Viện Công nghệ sinh học thuộc Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam (VAST) cho biết đã tiến hành nghiên cứu đầu tiên về chỉnh sửa gene eIF4E kháng virus PRSV (Papaya Ringspot Virus) trên cây đu đủ bằng công nghệ CRISPR/Cas9.

Đu đủ là loại quả có giá trị dinh dưỡng cao được tiêu thụ hằng ngày, đồng thời là nguyên liệu quan trong sản xuất dược phẩm và mỹ phẩm; được trồng ở các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới, trong đó có Việt Nam. Tuy nhiên, việc trồng và phát triển cây đu đủ gặp nhiều khó khăn do tác hại của sâu bệnh, bao gồm bệnh đốm vòng do virus PRSV gây ra – nhóm nghiên cứu cho biết.

Bệnh này có khả năng lây lan nhanh, gây thiệt hại lớn về năng suất và chất lượng đu đủ. Khi bệnh phát triển mạnh có thể hủy hoại toàn bộ cả vùng trồng rộng lớn và không cho khả năng thu hoạch quả. Các biện pháp canh tác, hóa học, sinh học đã được áp dụng trong phòng trừ bệnh do virus PRSV nhưng hiệu quả mang lại không cao và không triệt để. Phát triển và sử dụng các giống kháng lại bệnh virus được xem là giải pháp hiệu quả và bền vững nhất trong phòng trừ bệnh đốm vòng trên cây đu đủ.

Cây đu đủ thường (trái) và cây chỉnh sửa gen (phải) sau lây nhiễm virus PRSV trong điều kiện nhà lưới. Ảnh: NNC

Kết quả nghiên cứu bước đầu về chỉnh sửa gene đu đủ của nhóm vừa được công bố trên tạp chí Plant Cell Tissue and Organ Cultures của NXB Springer Nature (Hoang et al., 2022). Trước đó, để kiểm tra hiệu quả của hệ thống chỉnh sửa gen, nhóm đã nghiên cứu chỉnh sửa gene eIF4E trên cây mô hình là cây thuốc lá để đánh giá tính kháng virus PVY gây bệnh chết gân mạng lưới. Nghiên cứu này cũng đã được công bố trên tạp chí Scientific Reports của NXB Nature (Le et al., 2022) vào tháng 8 năm nay.

Tiếp cận và làm chủ công nghệ

Công nghệ chỉnh sửa gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas đang được xem là phương pháp chính xác và hiệu quả nhất trong cải tạo giống cây trồng hiện nay do nó cho phép tạo ra các đột biến theo định hướng, có thể tác động tới nhiều gene cùng một lúc và đặc biệt là các đột biến tạo được không mang theo bất cứ trình tự DNA ngoại lai (transgene) nào trong hệ gene. Khác với biến đổi gene vẫn để lại các trình tự gene ngoại lai, chỉnh sửa gene không để lại dấu vết mà tạo ra những đột biến giống như những đột biến tự nhiên xuất hiện sau rất nhiều thế hệ để thích nghi với môi trường.

Kể từ khi được khám phá vào năm 1987, CRISPR/Cas đang được ứng dụng rộng rãi trên nhiều đối tượng nghiên cứu khác nhau như vi sinh vật, thực vật, động vật và cả trên tế bào người.

Viện Công nghệ sinh học và Trường đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội USTH (hay còn được gọi là Đại học Việt - Pháp) - đều trực thuộc VAST - là hai trong số những đơn vị tiên phong tiếp cận, phát triển công nghệ chỉnh sửa gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas ở Việt Nam. Nhằm huy động tối đa nguồn nhân lực và cơ sở vật chất, hai nhóm nghiên cứu của hai đơn vị đã hợp tác chặt chẽ trong các dự án cấp viện (VAST), cấp nhà nước (Bộ NN&PTNT) cũng như trong các dự án do doanh nghiệp tài trợ (Vingroup). Nhóm nghiên cứu chung cho biết đã hoàn toàn làm chủ công nghệ này và có những thành tựu trong ứng dụng hệ thống CRISPR/Cas9 để nghiên cứu chức năng gene và cải tạo giống cây trồng.

Cụ thể, tại Đại học Việt - Pháp, nhờ kế thừa một bộ sưu tập gần 200 giống lúa bản địa đã được giải trình tự trong khuôn khổ phòng thí nghiệm hợp tác quốc tế Việt Pháp LMI-RICE, nhóm nghiên cứu lúa đã phát hiện nhiều gene mới có khả năng đáp ứng các điều kiện bất lợi của môi trường như hạn, mặn, thiếu hụt các yếu tố dinh dưỡng đa lượng và vi lượng. Nhóm đã tiếp cận công nghệ CRISPR/Cas9 để tạo ra các dòng đột biến nhằm nghiên cứu các con đường tín hiệu Jasmonic acid - một hormon thực vật tham gia vào mọi khía cạnh của quá trình cây lúa phát triển, trong đó có việc điều hòa các phản ứng đối với các stress sinh học và phi sinh học. Quy trình chỉnh sửa gene chi tiết đã được xuất bản thành một chương trong cuốn sách “Methods in Molecular Biology” của NXB Springer Nature (Nguyen et al., 2020).

Nghiên cứu vai trò của gene OsGER4 tới sự phát sinh rễ lúa trong điều kiện bất lợi của môi trường. Ảnh: NNC

Công nghệ CRISPR/Cas9 cũng đã được nhóm nghiên cứu lúa áp dụng thành công trong việc xác định chức năng các gene mới tham gia quá trình phát triển của bộ rễ lúa trong điều kiện thường (Mathieu et al., 2022) và trong điều kiện stress (To et al., 2022). Hai nghiên cứu chuyên sâu về gene mới cùng với cơ chế phân tử của sự phát sinh rễ đã được công bố trên The Plant Journal của NXB Wiley, nằm trong top 5% các tạp chí tốt nhất trong lĩnh vực sinh học nông nghiệp. Nhóm đang tiếp tục nghiên cứu chức năng các gene mới liên quan tới sử dụng Phosphate và Silicon trên cây lúa.

Trong khi đó, nhóm Công nghệ tế bào thực vật của Viện Công nghệ sinh học định hướng ứng dụng hệ thống CRISPR/Cas9 trong cải tạo giống cây trồng với các tính trạng quan trọng như tăng năng suất, chất lượng, chống chịu với sâu bệnh và ngoại cảnh bất lợi. Ngoài hai nghiên cứu nâng cao tính kháng bệnh virus trên cây thuốc lá và đu đủ như đã đề cập ở trên, nhóm còn thành công trong việc sử dụng công nghệ này để cải thiện chất lượng hạt đậu tương (Do et al., 2019; Le et al., 2020; Trinh et al., 2022). Hiện tại, nhóm tiếp tục phát triển công nghệ CRISPR/Cas9 trong nâng cao tính chống chịu với bệnh do nấm phấn trắng trên đậu tương, dưa chuột; tăng cường tính chịu mặn hay thiếu hụt dinh dưỡng của cây lúa; nâng cao giá trị dinh dưỡng của quả cà chua...

* Các công bố của nhóm nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ sinh học và USTH liên quan tới công nghệ chỉnh sửa gene:

1. Trinh DD , Le NT , Bui TP, Le TNT, Nguyen CX, Chu HH, Do PT (2022) A sequential transformation method for validating soybean genome editing by CRISPR/Cas9 system. Saudi Journal of Biological Sciences 29(8):103420

2. Le NT, Tran HT, Bui TP, Nguyen GT, Nguyen DV, Ta DT, Trinh DD, Molnar A, Pham NB, Chu HH and Do PT (2022) Simultaneously induced mutations in eIF4E genes by CRISPR/Cas9 enhance PVY resistance in tobacco. Scientific Reports 12(1):14627

3. To HMT, Pham DT, Le AVT, Nguyen TT, Tran AT, Ta SA, Chu HH, Do PT (2022) The Germin-like protein OsGER4 is involved in promoting crown root development under exogenous jasmonic acid treatment in rice. Plant Journal 112(2) https://doi.org/10.1111/tpj.15987

4. Nguyen DV, Hoang TT-H, Le NT, Tran HT, Nguyen CX, Moon HY, Chu HH, Do PT(2022) An Efficient Hairy Root System for Validation of Plant Transformation Vector and CRISPR/Cas Construct Activities in Cucumber (Cucumis sativus L.). Frontiers in Plant Science. DOI.org/10.3389/fpls.2021.770062

5. Le H, Nguyen NH, Ta DT, Le TNT, Bui TP, Le NT, Nguyen CX, Rolletschek H, Stacey G, Stacey MG, Pham NB, Do PT, Chu HH (2020) CRISPR/Cas9-Mediated Knockout of Galactinol Synthase-Encoding Genes Reduces Raffinose Family Oligosaccharide Levels in Soybean Seeds. Frontiers in Plant Science 11. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.612942

6. Do PT, Nguyen CX, Bui HT, Tran LTN, Stacey G, Gillam JD, Zhang ZJ, Stacey MG (2019) Demonstration of Highly Efficient CRISPR/Cas9-Editing in Soybean by Targeting GmFAD2-1A and GmFAD2-1B to Yield a High Oleic, Low Linoleic and α-Linolenic Acid. BMC Plant Biology. https://doi.org/10.1186/s12870-019-1906-8

7. Gonin M, Jeong K, Coudert Y, Lavarenne J, Hoang GT, Bes M, To Thi Mai Huong et al (2022). CROWN ROOTLESS1 binds DNA with a relaxed specificity and activates OsROP and OsbHLH044 genes involved in crown root formation in rice. The Plant Journal. Volume 111(2). https://doi.org/10.1111/tpj.15838

8. Nguyen HT, Huong To HTM, Moukouanga D, Lebrun M, Bellafiore S, Champion A (2020). CRISPR/Cas9-mediateding gene editing in the jasmonate biosynthesis OsAOC gene in rice. Jasmonate in Plant Biology: Methods and Protocols. Methods in Molecular Biology, vol. 2085. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-0142-6_15

9. Hoang, T.H.T., Nguyen, N.H., Nguyen, L.T. et al. Developing a robust in vivo hairy root system for assessing transgene expression and genome editing efficiency in papaya. Plant Cell Tissue and Organ Culture (2022). https://doi.org/10.1007/s11240-022-02421-2

Nguồn: https://cesti.gov.vn/

Link gốc bài viết: https://cesti.gov.vn/bai-viet/CTDS6/chinh-sua-gene-de-tang-kha-nang-khang-benh-dom-vong-cho-cay-du-du-b2cb19c8-0c71-4968-bf08-43cbd5de87ef