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

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.

Di truyền lúa chống chịu lạnh bởi COLD11

 Di truyền lúa chống chịu lạnh bởi COLD11

Nguồn: Zhitao Li1, Bo Wang,  Wei Luo, Yunyuan Xu, Jinjuan Wang, Zhihui Xue, Yuda Niu,  Zhukuan Cheng, Song Ge, Wei Zhang, Jingyu Zhang, Qizhai Li, Kang Chong. 2023. Natural variation of codon repeats in COLD11 endows rice with chilling resilience. Science Advances; January 6 2023; Vol.9, Issue 1.

 

Nhiệt độ bất thường bởi biến đổi khí hậu cực đoan đe dọa sản lượng lúa trên toàn thế giới. Hệ thống truyền tín hiệu bảo vệ đối với lạnh (chilling) vẫn chưa được hiểu rõ. Tuy nhiên, có một ít nghiên cứu nói về sự sửa lỗi DNA khi bị tổn thương từ kết quả tự vệ quá sức (overwhelmed defense) và sự tiến hóa của nó trong giai đoạn thuần hóa. Ở đây, người ta phân lập di truyền một QTL chủ lực mang tên COLD11, thông qua phương pháp “data-merging genome-wide association” trên cơ sở thuật toán kết hợp với cơ sở dữ liệu “polarized” của hai loài phụ indica và japonica, biến thành một hệ thống. Đột biến cây lúa theo kiểu “loss-of-function” gen COLD11 tạo ra kết quả làm giảm tính chống chịu lạnh (chilling tolerance). Phân tích “genome evolution” của tập đoàn giống lúa đại diện cho thấy rằng số trình tự mang GCG ở exon đầu tiên của gen COLD11 bị khống chế để chọn lọc thuần hóa mạnh mẽ (strong domestication selection) trong thời kỳ mở rộng vùng trồng lúa ở phía Bắc. Số lần lập lại hoạt động sinh hóa của những protein sửa lỗi DNA (DNA repair protein): COLD11/RAD51A1 khi làm mới lại những DNA tổn thương trong stress lạnh giá. Kết quả tóm lược những thành tựu để thao tác hiệu quả gen đích trong hệ gen cây lúa và cải tiến một cách hiệu quả tính chống chịu lạnh giá trong qua thiết kế chỉ thị phân tử.

 

Xem https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5506

 

“Data-merging GWAS” đối với tính trạng chống chịu lạnh của cây lúa trong phân tích riêng đối với indica và japonica làm đối chứng.

NLRs trong hệ thống tự vệ và effector của hệ gen cây lúa

 NLRs trong hệ thống tự vệ và effector của hệ gen cây lúa

Nguồn: Keran Zhai, Di Liang, Helin Li, Fangyuan Jiao, Bingxiao Yan, Jing Liu, Ziyao Lei, Li Huang, Xiangyu Gong, Xin Wang, Jiashun Miao, Yichuan Wang, Ji-Yun Liu, Lin Zhang,  Ertao Wang, Yiwen Deng, Chi-Kuang Wen, Hongwei Guo, Bin Han, Zuhua He. 2022. NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity. Nature; 2022 Jan; 601(7892):245-251.  doi: 10.1038/s41586-021-04219-2. 

 

PTI (pattern-triggered immunity) và ETI (effector-triggered immunity) trong cây cho phép thực vật  phản ứng lại khi bị pathogens xâm nhiễm bằng cách kích hoạt để sản xuất ra các chất biến dưỡng có tính chất tự vệ; các chất ấy điều hòa những phản ứng miễn dịch (orchestrate immune responses). Làm thế nào sản sinh ra các chất biến dưỡng như vậy bởi những thụ thể miễn dịch (immune receptors) và liên lạc với bản chất tính kháng phổ rộng; tất cả còn rất mơ hồ. Công trình nghiên cứu khoa học này xác định deubiquitinase PICI1 chính là một immunity hub đối với PTI và ETI trong cây lúa (Oryza sativa). PICI1 deubiquitinates ổn định được methionine synthetases để kích hoạt miễn dịch theo bản chất methionine chủ yếu thông qua sinh tổng hợp phytohormone ethylene. PICI1 được các effector của nấm gây bệnh đạo ôn nhắm đến để  phân giải nó, bao gồm AvrPi9, làm bất hoạt PTI. NBD (nucleotide-binding domain), NLRs (leucine-rich-repeat-containing receptors) trong hệ thống miễn dịch cây trồng, ví dụ như PigmR, bảo vệ PICI1 không bị thoái hóa do effector của nấm đạo ôn để khởi động lại hoạt động methionine-ethylene cascade. Biến thiên di truyền trong tự nhiên của gen PICI1 đóng góp rất đáng kể vào sự đa dạng tính kháng bệnh đạo ôn giữa loài phụ indica và japonica. Do đó, NLRs khống chế một arms race có những effectors, thông qua kiểu hình cạnh tranh (competitive mode) che khuất lộ trình biến dưỡng chất cần thiết để bảo vệ cây lúa, rồi đồng loạt khởi động PTI với ETI, đảm bảo tính kháng phổ rộng diễn ra.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34912119/

Tương tác lẫn nhau giữa cấu trúc và mùi thơm hạt cơm

 Tương tác lẫn nhau giữa cấu trúc và mùi thơm hạt cơm

Nguồn: Zihan Wang, Jun Wang, Xu Chen, Enpeng Li, Songnan Li, Cheng Li. 2022. Mutual Relations between Texture and Aroma of Cooked Rice-A Pilot Study. Foods; 2022 Nov 21;11(22):3738.  doi: 10.3390/foods11223738.

 

Cấu trúc (texture) và mùi thơm (aroma) là hai thuộc tính quan trọng của phẩm chất cơm, nhưng các mối quan hệ của chung với nhau không rõ ràng. Cơm có cấu trúc mong muốn (desirable texture) có thể biểu thị từ phẩm chất mùi thơm. Muốn hiểu rõ ràng hơn mối quan hệ lẫn nhau giữa texture và aroma, người ta tiến hành nghiên cứu 6 giống lúa khác nhau có phẩm chất cơm mong muốn, với phổ biểu hiện về cấu trúc và mùi thơm được định tính bởi máy “texture analyzer” và “gas chromatography-ion mobility spectrometry”, theo thứ tự. Có biến thiên lớn về thuộc tính texture và có tất cả 39 hợp chất quy định bay hơi hữu cơ từ kết quả quan sát đối với cơm của các giống lúa nói trên. Tương quan Pearson cho thấy: tính trạng cứng cơm tương quan thuận với hàm lượng E-2-hexenal, 2-hexanol-monomer, 1-propanol, và E-2-pentenal, trong khi tính trạng dính dẽo của cơm (stickiness) tương quan thuận với hàm lượng 5-methyl-2-furanmethanol và dimethyl trisulfide. Những cơ chế có thể có ở bên dưới được người ta thảo luận về tương quan như vậy. Kết quả này giúp cho ngành lúa gạo phát triển được sản phẩm đạt yêu cầu người tiêu dùng về cả texture và aroma.

 

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9689002/

Cây lúa biến đổi gen để có khả năng chịu mặn tốt hơn có thể cho phép nó được trồng ở những nơi mà trước đó không thể

Cây lúa biến đổi gen để có khả năng chịu mặn tốt hơn có thể cho phép nó được trồng ở những nơi mà trước đó không thể

Khi mực nước biển dâng cao do hậu quả của biến đổi khí hậu, ngày càng có nhiều nơi trên thế giới đang phải vật lộn với tình trạng ngập nước biển - nước mặn từ biển tràn sâu hơn vào đất liền và phá hủy các loại cây trồng không thể đối phó với độ mặn gia tăng.

 

Lúa là một trong những loại cây trồng bị ảnh hưởng nặng nề nhất - là loại cây cung cấp carbohydrate quan trọng nhất trên trái đất, với 3,5 tỷ người ăn mỗi ngày, ở những quốc gia như Việt Nam, cây lúa ngày càng trở nên khó trồng hơn do sự tác động của nước biển ngày càng gia tăng.

 

Tuy nhiên, những phát hiện từ Viện Thực phẩm Bền vững của Đại học Sheffield đã tiết lộ rằng gạo biến đổi gen đã giảm số lượng khí khổng - những lỗ nhỏ được sử dụng để thoát nước - làm cho nó kháng mặn hơn.

 

Khí khổng là những lỗ mà hầu hết các loài thực vật đều có để điều chỉnh sự hấp thụ carbon dioxide cho quá trình quang hợp, cùng với việc giải phóng hơi nước. Cách đây vài năm, các nhà khoa học Sheffield đã tiết lộ rằng việc giảm số lượng và kích thước khí khổng của cây lúa cho phép chúng sử dụng lượng nước ít hơn tới 40%, khiến chúng cực kỳ có lợi ở những nơi dễ bị hạn hán.

 

Những phát hiện đó, cùng với những kết quả mới này, được công bố trên tạp chí New Phytologist, có nghĩa là lúa có thể thích nghi để tồn tại trong môi trường đang trở nên khắc nghiệt hơn do biến đổi khí hậu, điều này sẽ giúp giải quyết tình trạng mất an ninh lương thực trên toàn cầu.

 

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng việc giảm số lượng và kích thước của khí khổng có thể khiến cây lúa khó phát triển hơn ở nơi có nhiệt độ quá nóng. Do đó, để đảm bảo cho cây lúa có thể phát triển hiệu quả nhất có thể ở các quốc gia và môi trường khác nhau, sẽ cần phải thực hiện các sửa đổi khác nhau. Ví dụ - gạo có ít khí khổng hơn, lớn hơn, có thể thích hợp hơn để phát triển ở nhiệt độ cực kỳ ấm áp.

 

Tiến sĩ Robert Caine, tác giả chính của nghiên cứu từ Khoa học Sinh học của Đại học Sheffield, cho biết: “Lúa là loại cây lương thực cực kỳ quan trọng được hơn một nửa dân số thế giới sử dụng hàng ngày. Để đảm bảo rằng nó có thể tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt hơn do biến đổi khí hậu gây ra sẽ là điều không thể thiếu để nuôi sống dân số ngày càng tăng, dự kiến ​​sẽ đạt 10 tỷ người trong thời gian 60 năm tới.

 

“Những phát hiện của chúng tôi cho thấy cách lúa có thể biến đổi để phát triển hiệu quả nhất có thể ở các vùng khí hậu khác nhau - các giống lúa có ít khí khổng hơn có thể tồn tại với ít nước hơn và ở những nơi có nước mặn. Trong khi đó, các giống lúa tự nhiên có ít khí khổng hơn, lớn hơn lại có thể phát triển mạnh ở nhiệt độ nóng hơn”.

 

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Sheffield, hợp tác với Viện Nghiên cứu Nông nghiệp Công nghệ Cao (HATRI) tại Việt Nam, đã nghiên cứu 72 giống lúa, cả tự nhiên và biến đổi gen. Hiện họ đang có kế hoạch điều tra xem liệu họ có thể tạo ra các giống lúa lùn, cho năng suất cây trồng cao nhất, chịu nhiệt tốt hơn hay không.

Đột phá trong lai tạo và nhân giống lúa apomixis để nuôi hàng tỷ người

Đột phá trong lai tạo và nhân giống lúa để nuôi hàng tỷ người

Lê Thị Kim Loan theo đại học California, Davi

Cây lúa là cây lương thực chính của hàng tỷ người, nhưng việc đưa các dòng lúa lai năng suất cao đến với người nông dân đang tỏ ra khó khăn. Các nhà khoa học của UC Davis đã phát triển một phương pháp nhân giống lúa lai dưới dạng hạt nhân bản, giúp giảm chi phí cho người trồng trọt và cho phép họ tiết kiệm hạt giống cải tiến từ mùa này sang mùa khác. 

 

Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã nhân giống thành công một giống lúa lai thương mại dưới dạng dòng vô tính thông qua hạt với hiệu suất 95%. Điều này có thể làm giảm chi phí hạt giống lúa lai, tạo ra các giống lúa kháng bệnh, năng suất cao cho nông dân có thu nhập thấp trên toàn thế giới. Công trình đăng vào ngày 27 tháng 12 trên tạp chí Nature Communications.

 

Các giống lai thế hệ đầu tiên của cây trồng thường thể hiện năng suất cao hơn các dòng bố mẹ của chúng, một hiện tượng được gọi là ưu thế lai. Nhưng ưu thế này sẽ mất đi ở các thê hệ tiếp theo. Vì vậy, khi nông dân muốn sử dụng các giống cây lai năng suất cao, họ cần phải mua giống mới mỗi vụ.

 

Gurdev Khush, hiện là trợ lý giáo sư tại đại học California, Davis cho biết: Lúa, cây lương thực chính của một nửa dân số thế giới, tương đối tốn kém để tạo giống lúa lai có thể cải thiện năng suất khoảng 10%. Điều này có nghĩa là lợi ích của lúa lai vẫn chưa đến được với nhiều nông dân trên thế giới.

 

Ông Gurdev Khush Làm việc tại Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc tế từ năm 1967 cho đến khi nghỉ hưu tại UC Davis vào năm 2002, Khush đã lãnh đạo nỗ lực tạo ra các giống lúa mới cho năng suất cao, nhờ đó ông đã nhận được Giải thưởng Lương thực Thế giới năm 1996.

 

Một giải pháp cho vấn đề này là nhân giống các giống lai dưới dạng các dòng vô tính giống hệt nhau từ thế hệ này sang thế hệ khác mà không cần lai tạo thêm. Nhiều loài thực vật hoang dã có thể tạo ra hạt là bản sao của chính chúng, qua một quá trình gọi là apomixis. “Một khi bạn có giống lai, nếu bạn có thể tạo ra apomixis, thì bạn có thể trồng nó hàng năm”, Khush nói. Tuy nhiên, việc chuyển apomixis sang cây lương thực tỏ ra khó khăn hơn.

 

Một bước để nhân bản hạt lai

 

Vào năm 2019, một nhóm nhà nghiên cứu do Giáo sư Venkatesan Sundaresan và trợ lý giáo sư Imtiyaz Khanday tại khoa Sinh học Thực vật và Khoa học Thực vật của UC Davis dẫn đầu đã thực hiện được apomixis ở cây lúa và đạt được khoảng 30% hạt giống là dòng vô tính.

 

Sundaresan, Khanday và các đồng nghiệp ở Pháp, Đức và Ghana hiện đã đạt được hiệu quả dòng vô tính là 95%, họ sử dụng một dòng lúa lai thương mại và cho thấy quá trình này có thể được duy trì trong ít nhất ba thế hệ.

 

Quy trình một bước bao gồm việc sửa đổi ba gen gọi là MiMe khiến cây trồng chuyển từ giảm phân, quá trình mà thực vật sử dụng để hình thành tế bào sinh sản, sang nguyên phân, trong đó một tế bào tự phân chia thành hai bản sao của chính nó. Một sửa đổi gen khác gây ra apomixis. Kết quả là một hạt giống có thể phát triển thành cây giống hệt về mặt di truyền với cây mẹ của nó.

 

Khush cho biết phương pháp này sẽ cho phép các công ty hạt giống sản xuất hạt lai nhanh hơn và ở quy mô lớn hơn, cũng như cung cấp hạt giống mà nông dân có thể để dành và trồng lại từ mùa này sang mùa khác.

 

Sundaresan cho biết: “Apomixis ở cây trồng đã là mục tiêu nghiên cứu trên toàn thế giới trong hơn 30 năm, bởi vì nó có thể giúp nhiều người có thể tiếp cận được việc sản xuất hạt lai, giúp tăng sản lượng có thể giúp đáp ứng nhu cầu toàn cầu của dân số ngày càng tăng mà không cần phải tăng sử dụng đất, nước và phân bón quá mức”.

 

Sundaresan cho biết kết quả có thể được áp dụng cho các loại cây lương thực khác. Đặc biệt, lúa là một mô hình di truyền cho các loại ngũ cốc khác bao gồm ngô và lúa mì, cùng nhau tạo thành nguồn lương thực cho thế giới.

 

Khush nhớ lại rằng ông đã tổ chức một hội nghị năm 1994 về apomixis trong chọn tạo giống lúa. Khi trở lại UC Davis vào năm 2002, anh ấy đã đưa một bản sao của kỷ yếu hội nghị cho Sundaresan.

 

 Khush cho rằng “Đó là một dự án dài hạn”.

 

Chỉnh sửa gen lặn xa-13 kháng bệnh cháy bạc lá lúa

Chỉnh sửa gen lặn xa-13 kháng bệnh cháy bạc lá lúa

Nguồn: Wulan Arum Hardiyani, Ali Wafa, Wahyu Indra Duwi Fanata, Hardian Susilo Addy. 2023. Design and construction of single guide RNA for CRISPR/Cas9 system based on the xa13 resistance gene in some varieties of rice (Oryza sativa). Journal of Tropical Plant Pests and Diseases; Vol. 23 No. 1 (2023): MARCH

 

 

Gen lặn xa13 điều khiển tính kháng với tác nhân vi khuẩn gây bệnh bạc là lúa Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) được tìm thấy trong nhiều giống lúa. Tăng cường hoạt động của gen này sẽ kích hoạt được sự hình thành nên sucrose như một dưỡng chất cung cấp cho vi khuẩn Xoo để chúng phát triển trong cây lúa. Sự đột phá của gen lặn này biểu hiện trong cây có thể ảnh hưởng thành tác động ngược của gen ấy, gần đây người ta có thể sáng tạo ra chỉnh sửa gen theo hệ thống CRISPR-Cas9, sử dụng CRISPR-associated protein-9 (CRISPR/Cas9); hệ thống rất cần gRNA để ghi nhận được đích đến là trình tự mục tiêu. Nghiên cứu này nhắm đến việc thiết kế và thành lập vector mang gRNA-targeting xa13 trong cây lúa thông qua chuyển nạp trực tiếp bằng súng bắn gen. CHOPCHOP được người ta sử dụng để phát sinh ra các ứng cử viên gRNA tùy theo trình tự gen đích. Hai ứng cử viên của gRNA mà đích đến là xa13 đã được lựa chọn trên cơ sở phân tích  dữ liệu tin sinh học. Mỗi ứng cử viên của gRNA có 20 nucleotides (nt) của trình tự gen đích, tại vùng cận trên 3 nt của trình tự protospacer adjacent motif (PAM) (5’-NGG) đích đến 2 exons trong trình tự gen xa13. Phân tử gRNA1 này sẽ nhắm đích exon 1 và gRNA2 nhắm đích exon 2, với hiệu quả đạt 52.51% và 44.63%, theo thứ tự. Cơ sở dữ liệu cho thấy hàm lượng GC content của tất cả gRNA ứng cử viên biến động trong khoảng 55–70%, không có đột biến không chủ đích (target-off) trên toàn bộ hệ gen cây lúa. Chuyển nạp và xác định kết quả dựa trên phương pháp định tính hệ gen và định tính sinh lý của những transformants, chúng được xác định kết quả thiết kế vector như vậy là thành công.

 

Xem http://jhpttropika.fp.unila.ac.id/index.php/jhpttropika/article/view/660

 

Hình 1. Thiết kế gRNAs nhắm đích đến là gen xa13 trong cây lúa.