2020. Chu Đức Hà. Thành tựu của kỹ thuật chỉnh sửa hệ gen trong cải thiện di truyền cây lúa gạo (Oryza sativa)

 Thành tựu của kỹ thuật chỉnh sửa hệ gen trong cải thiện di truyền cây lúa gạo (Oryza sativa)
Chu Đức Hà¹, Phùng Thị Thu Hương¹, Phạm Bích Ngọc², Lê Thị Ngọc Quỳnh³,
Lê Hùng Lĩnh¹, Phạm Xuân Hội¹, Lê Tiến Dũng⁴

^{XEM THÊM} 

Chỉnh sửa hệ gen với hệ thống CRISPR/Cas đã trở thành một trong những công cụ đắc lực nhằm cải thiện các tính trạng của cây trồng. Về bản chất, hệ thống CRISPR/Cas cho phép can thiệp vào gen tại những vị trí có định hướng. Cho đến nay, khoảng 24 loài cây trồng, với ít nhất 193 gen đã được báo cáo chỉnh sửa thành công nhằm cải thiện những đặc tính liên quan đến quá trình trao đổi chất, khả năng chống chịu bất lợi và các yếu tố cấu thành năng suất. Ở lúa gạo (Oryza sativa), nỗ lực của các nhà khoa học cũng đã được ghi nhận trong việc cải biên các gen kháng thuốc diệt cỏ, asen (ALS, ARM1) hoặc quy định năng suất (AAP3, GS3, DEP1, GW2, PYL1, PYL4, PYL6, Gn1a). Bài viết tổng hợp những thành tựu của chỉnh sửa hệ gen trên lúa gạo, từ đó đưa ra thảo luận một số ý kiến nhằm xây dựng một chiến lược nghiên cứu dài hạn cho chỉnh sửa hệ gen trên cây trồng nói chung và lúa gạo nói riêng.

Mở đầu
    Những tiến bộ nhanh chóng của kỹ thuật chỉnh sửa hệ gen (genome editing - GE) đã tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trong nghiên cứu chức năng gen và cải thiện di truyền ở thực vật. Trong những thập niên trước, bài toán can thiệp vào tính di truyền ở thực vật từng được thực hiện một cách rộng rãi thông qua các phương pháp lý hóa như sử dụng tia gamma hoặc hóa chất (ethyl methanesulfonate) và phương pháp sinh học (T-DNA, transpose) để tạo ra các đột biến ngẫu nhiên trong hệ gen. Giờ đây, với sự ra đời của kỹ thuật GE, phổ biến hơn cả là hệ thống CRISPR/Cas (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats, Cas) đã cho phép cải biến phân tử ADN mục tiêu một cách chính xác và có chủ đích.
    Đến nay, cây trồng được chỉnh sửa bằng CRISPR/Cas9 được cho là vượt qua nhiều rào cản về xếp loại cây trồng biến đổi gen [1]. Gần một thập kỷ qua, hàng ngàn ấn phẩm về chủ đề GE ở thực vật đã được đăng tải, số bài báo mới và các ứng dụng mới được công bố đang tăng lên từng ngày.

    Về mặt lý thuyết, GE lợi dụng hệ thống sửa chữa ADN của tế bào để tạo ra những thay đổi nhỏ trong trình tự ADN đích, thông qua việc sử dụng enzyme nuclease tổng hợp để tạo ra các đứt gãy ADN sợi đôi (DSB) tại vị trí được định hướng trong hệ gen. Các đứt gãy này sẽ được tế bào sửa chữa thông qua cơ chế sửa chữa ghép nối không tương đồng (non-homologous end-joining - NHEJ) hoặc chèn thêm một trình tự ADN vào vị trí đứt gãy theo cơ chế sửa chữa tái tổ hợp tương đồng (homologous recombination - HR). NHEJ là cơ chế sửa chữa DSB phổ biến nhất trong các tế bào thực vật, cơ chế này hoạt động hiệu quả nhưng dễ xảy ra lỗi (sửa chữa không chính xác), trong khi đó cơ chế HR kém hiệu quả hơn nhưng có độ chính xác cao. Kết quả của quá trình sửa chữa DSB có thể là sửa chữa chính xác hoặc xuất hiện các đột biến indel (thay thế, mất hoặc chèn gen), tùy vào con đường được sử dụng là HR hay NHEJ. ZFNs (Mega-nuclease, zinc finger nucleases), TALENs (transcription activator-like effector nucleases) là những công cụ đầu tiên của kỹ thuật GE, được sử dụng thành công trong chỉnh sửa hệ gen của nhiều đối tượng thực vật, bao gồm ngô, đậu tương và thuốc lá.