Không phấn hoa, không hạt với kỹ thuật chỉnh sửa bộ gen mang lại những tính trạng hữu ích

Không phấn hoa, không hạt: Kỹ thuật chỉnh sửa bộ gen mang lại những tính trạng hữu ích

Bùi Anh Xuân theo Đại học bang North Carolina.

Các nhà nghiên cứu của Đại học bang North Carolina đã chuyển thành công một gen quan trọng từ cơ quan này của tế bào thực vật sang cơ quan khác để tạo ra cây thuốc lá không phấn hoa mà hạt giống của nó vẫn có khả năng nảy mầm, trong khi các đặc điểm khác của cây vẫn phát triển bình thường. Phát hiện của họ đem đến những phương pháp sản xuất hạt lai tốt hơn nhằm tối đa hóa năng suất cây trồng.

 

Các nhà nghiên cứu bắt đầu chú ý đến các tế bào sản xuất năng lượng, ty thể. Ở thực vật, những sai lệch trong bộ gen của ty thể có thể liên quan đến việc không thể tạo ra phấn hoa, một đặc điểm được gọi là tính bất dục đực trong tế bào chất (CMS) đã được khai thác thành công để sản xuất hạt lai năng suất cao ở nhiều loại cây trồng quan trọng. Tuy nhiên, các hệ thống dựa trên CMS tự nhiên để tạo điều kiện cho việc sản xuất hạt giống lai quy mô thương mại thường còn rất hạn chế.

 

Trong nghiên cứu chứng minh khái niệm của mình, các nhà nghiên cứu của Bang NC, cùng với các đồng nghiệp từ Precision BioSciences và Elo Life Systems, đã triển khai một chiến lược độc đáo để kiểm tra xem liệu tính trạng CMS có thể được tạo ra ở cây thuốc lá hay không, một loài cây mô hình thường được sử dụng trong nghiên cứu thực vật. Ban đầu, các nhà nghiên cứu lấy một gen ty thể thiết yếu có tên là atp1 và chuyển nó vào nhân sau khi đặt nó dưới sự kiểm soát của một yếu tố điều hòa – được gọi là promoter – mà họ dự đoán sẽ cho phép gen atp1 được biểu hiện trong mọi tế bào của cây. Ngoại trừ những tế bào chịu trách nhiệm sản xuất phấn hoa. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các công cụ chỉnh sửa bộ gen để loại bỏ vĩnh viễn gen atp1 bản địa khỏi ty thể.

 

Cách tiếp cận của họ đã thành công.

 

Ralph Dewey, giáo sư Khoa học Cây trồng Philip Morris tại Bang NC và là tác giả của nghiên cứu cho biết: “Kết quả vượt quá mong đợi của chúng tôi. Cây trồng hoàn toàn bình thường cho đến khi chúng bắt đầu ra hoa, nhưng sau đó chúng không tạo ra phấn hoa vì gen atp1 không còn biểu hiện nữa. Điều quan trọng là vì gen atp1 ban đầu đã bị xóa khỏi bộ gen của ty thể nên đặc điểm này sẽ được di truyền từ mẹ sang con, đây là yếu tố quan trọng cần cân nhắc để sản xuất hạt giống lai quy mô lớn”.

 

Phấn hoa không phải là nạn nhân duy nhất của kỹ thuật này. Khi thụ tinh chéo bằng phấn hoa từ một cây bình thường lân cận, cây thuốc lá của chúng bất ngờ tạo ra những hạt nhỏ, rỗng, giống như những hạt được thấy ở các loại trái cây “không hạt” phổ biến như dưa hấu và nho.

 

Hạt thuốc lá bình thường (trái) dày đặc và nảy mầm; Hạt từ thực vật bị xóa gen ty thể (phải) hầu hết rỗng và không nảy mầm. Nguồn: Ralph Dewey, Đại học NC.

 

Dewey cho biết: “Đó là bởi vì promoter mà chúng tôi chọn không chỉ không biểu hiện được trong quá trình hình thành phấn hoa mà còn trong quá trình phát triển hạt giống ban đầu”.

 

Dewey cho biết nhóm của ông hiện làm việc tách riêng những kết quả này để các nhà nghiên cứu có thể đạt được tính trạng vô sinh ở phấn hoa hoặc tính trạng không có hạt, thay vì cả hai cùng một lúc.

 

Dewey cũng nhấn mạnh rằng những phát hiện này không chỉ giới hạn ở cây thuốc lá. Những thí nghiệm tiếp theo của họ sẽ bao gồm việc thử nghiệm tính trạng không hạt ở cà chua, một họ hàng gần của thuốc lá. Họ cũng sẽ thử nghiệm tính trạng CMS mới của mình trên một loại ngũ cốc như lúa để kiểm tra tính hiệu quả của hệ thống đối với một loại cây trồng mà việc sản xuất hạt giống lai là quan trọng để đạt được năng suất tối đa.

 

Ông nói: “Biết cách thức hoạt động của hệ thống, không có lý do gì để tin rằng chúng tôi không thể chuyển giao công nghệ này một cách hiệu quả cho các loài thực vật khác”.