Mười năm trước, một công nghệ mới có tên CRISPR-CAS9 đã giúp các nhà khoa học có thể thay đổi mã di truyền của các sinh vật sống. Là một cuộc cách mạng, công cụ này có những hạn chế của nó.
Giống như những chiếc điện thoại di động đầu tiên chỉ có thể thực hiện một chức năng, phương pháp CRISPR ban đầu có thể thực hiện một chức năng: loại bỏ hoặc thay thế các gen trong chuỗi gen.
Các phiên bản CRISPR sau này được phát triển cho một chức năng khác cho phép các nhà khoa học thay đổi biểu hiện gen bằng cách bật hoặc tắt chúng mà không cần loại bỏ chúng khỏi bộ gen. Nhưng mỗi chức năng này chỉ có thể được thực hiện độc lập ở thực vật.
Giờ đây, các nhà khoa học từ Đại học Nông nghiệp và Tài nguyên Thiên nhiên thuộc Đại học Maryland đã phát triển CRISPR-Combo, một phương pháp chỉnh sửa nhiều gen trong thực vật đồng thời thay đổi biểu hiện của các gen khác.
>> Tham khảo: Các nhà khoa học thúc đẩy các tiêu chuẩn FAIR để quản lý các mô hình trí tuệ nhân tạo.
Công cụ mới này sẽ cho phép các kết hợp kỹ thuật di truyền hoạt động cùng nhau để tăng cường chức năng và cải thiện việc lai tạo các loại cây trồng mới.
Yiping Qi, phó giáo sư tại Khoa Khoa học Thực vật và Kiến trúc Cảnh quan, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Các khả năng thực sự là vô hạn về các đặc điểm có thể được kết hợp. “Nhưng điều thực sự thú vị là CRISPR-Combo giới thiệu một mức độ phức tạp cho kỹ thuật di truyền ở thực vật mà chúng ta chưa từng có trước đây.”
Nghiên cứu mới xuất hiện trên tạp chí Nature Plants vào tháng 5 năm 2022.
Lợi ích của việc thao túng nhiều gen cùng một lúc có thể vượt xa lợi ích của bất kỳ thao tác nào. Ví dụ, hãy tưởng tượng bệnh bạc lá hoành hành khắp các cánh đồng lúa mì, đe dọa sinh kế của nông dân và an ninh lương thực.
Nếu các nhà khoa học có thể loại bỏ một gen khỏi lúa mì khiến nó dễ bị bệnh bạc lá và đồng thời kích hoạt các gen rút ngắn vòng đời của cây và tăng sản lượng hạt giống, thì họ có thể nhanh chóng tạo ra lúa mì kháng bệnh bạc lá trước khi căn bệnh này có cơ hội hoành hành. chấn thương.
Đó là loại kỹ thuật mà Qi và nhóm của ông đã thể hiện trong bốn giai đoạn thử nghiệm khác nhau.
Chứng minh khái niệm:
Qi và nhóm của ông trước đây đã phát triển các phương pháp CRISPR mới để điều chỉnh biểu hiện gen ở thực vật và chỉnh sửa nhiều gen cùng một lúc. Nhưng để phát triển CRISPR-Combo, họ phải chứng minh rằng họ có thể thực hiện song song cả hai chức năng kỹ thuật di truyền đó mà không để lại hậu quả tiêu cực. Trong bài báo mới này, họ đã chứng minh rằng sử dụng tế bào cà chua và gạo,.
>> Tham khảo: Sự phát triển của vật liệu tinh thể bao gồm các cụm vàng kích thước nanomet.
Qi cho biết: “Như một bằng chứng về khái niệm, chúng tôi đã chỉ ra rằng chúng tôi có thể loại bỏ gen A và điều chỉnh lại hoặc kích hoạt thành công gen B mà không vô tình vượt qua và loại bỏ gen B hoặc điều chỉnh lại gen A”.
Sau đó, Qi và các đồng nghiệp của ông đã thử nghiệm CRISPR-Combo trên một loài thực vật có hoa có tên là cải xoong (ArabidopsisI), thường được các nhà nghiên cứu sử dụng làm mô hình cho các loại cây lương thực như ngô và lúa mì.
Các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa một gen làm cho cây trồng kháng thuốc diệt cỏ tốt hơn đồng thời kích hoạt một gen gây ra hoa sớm, tạo ra hạt nhanh hơn. Kết quả là một cây cải xoong kháng thuốc diệt cỏ đã cho ra 8 thế hệ trong một năm thay vì 4 thế hệ bình thường.
Kỹ thuật hiệu quả hơn
Đối với thí nghiệm thứ ba, nhóm đã chứng minh cách CRISPR-Combo có thể cải thiện hiệu quả trong việc nhân giống cây trồng bằng cách nuôi cấy mô từ cây dương.
Các chương trình nhân giống để phát triển các giống cây trồng mới thường sử dụng phương pháp nuôi cấy mô thay vì hạt giống — xem xét cách thức cây trồng có thể mọc lại rễ và lá từ một thân cây duy nhất được trồng trong đất.
Các nhà khoa học biến đổi gen tế bào gốc có khả năng phát triển thành cây hoàn chỉnh và khi những cây đó trưởng thành và tạo ra hạt, hạt sẽ mang các biến đổi gen được tạo ra cho tế bào gốc.
Một số cây tái sinh từ nuôi cấy mô tốt hơn những cây khác, khiến bước này trở thành nút cổ chai lớn nhất trong kỹ thuật di truyền cây trồng. Đối với một số nhà máy, tỷ lệ thành công chỉ là 1%.
>> Tham khảo: Cách tăng cường can thiệp sớm đối với các rủi ro sức khỏe liên quan đến khí hậu.
Qi và nhóm của ông đã giải quyết nút thắt cổ chai bằng cách trước tiên chỉnh sửa một số đặc điểm trong tế bào cây dương, sau đó kích hoạt ba gen thúc đẩy quá trình tái tạo mô thực vật.
Qi cho biết: “Chúng tôi đã cho cây dương thấy rằng phương pháp mới của chúng tôi có thể đưa ra giải pháp cho nút cổ chai tái tạo mô, làm tăng đáng kể hiệu quả của kỹ thuật di truyền”.
Cắt ngắn không có hormone
Hiện nay, việc trồng cây biến đổi gen từ nuôi cấy mô đòi hỏi phải bổ sung các hormone tăng trưởng để kích hoạt các gen thúc đẩy tăng trưởng.
Nhóm nghiên cứu đã rút ngắn quá trình này ở cây lúa bằng cách kích hoạt trực tiếp các gen này bằng CRISPR-Combo. Kết quả là lúa được chỉnh sửa gen từ nuôi cấy mô không cần bổ sung hormone.
Qi và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra rằng nuôi cấy mô được nuôi cấy bằng phương pháp của họ biểu hiện nhiều gen được chỉnh sửa hơn so với mô được nuôi cấy bằng hormone.
Qi cho biết: “Phương pháp này dẫn đến một quy trình chỉnh sửa bộ gen hiệu quả cao.
Giờ đây, nhóm đã chứng minh phương pháp CRISPR-Combo của họ hoạt động trên nhiều loại thực vật cho nhiều mục đích, họ dự định tiến hành thí nghiệm trên cam quýt, cà rốt và khoai tây để kiểm tra khả năng tồn tại của nó trong trái cây, rau và cây lương thực.
>> Tham khảo: Những phát hiện hợp chất tự nhiên khi nghiên cứu Benzobactin.
Họ cũng đang nghiên cứu để tạo ra một loại gạo vàng kháng thuốc diệt cỏ với hàm lượng dinh dưỡng được nâng cao và gạo đỏ với nhiều chất chống oxy hóa hơn.
