Chỉnh sửa gene đu đủ kháng bệnh đốm vòng

Cây đu đủ WT (trái) và cây chỉnh sửa gene (phải) sau lây nhiễm virus PRSV trong điều kiện nhà lưới.

Làm chủ công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 của các nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam được bình chọn là một trong 10 sự kiện KHCN nổi bật năm 2022.

Giải quyết triệt để bệnh hại trên cây đu đủ

Các nhà khoa học của IBT và USTH đã nhanh chóng hợp tác, tiếp cận, phát triển về công nghệ chỉnh sửa gen thông qua hệ thống CRISPR/Cas từ rất sớm. Trong đó, TS Đỗ Tiến Phát, IBT đã tham gia nghiên cứu và phát triển hệ thống CRISPR/Cas trong chỉnh sửa hệ gen thực vật tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Gary Stacey, Đại học Missouri, Hoa Kỳ. Đây là phòng thí nghiệm hàng đầu về sinh học phân tử thực vật và là một trong những nhóm đầu tiên thành công chỉnh sửa hệ gen trên cây đậu tương. Khi trở lại Việt Nam công tác, TS Phát tiếp tục phát triển và ứng dụng thành công công nghệ này trên nhiều đối tượng cây trồng khác nhau trong các nghiên cứu tại IBT.

Một trong những loại bệnh gây hại nhất trên cây đu đủ đang được các nhà khoa học ở Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) tìm cách giải quyết triệt để bằng công nghệ chỉnh sửa gen thông qua hệ thống CRISPR/Cas9.

Kể từ khi được khám phá vào năm 1987, CRISPR/Cas9 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.

Nhóm các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ Sinh học (IBT) và Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (USTH) đã tiến hành nghiên cứu đầu tiên về chỉnh sửa gene eIF4E kháng virus PRSV trên cây đu đủ bằng công nghệ CRISPR/Cas9.

Kết quả nghiên cứu bước đầu về chỉnh sửa gene đu đủ vừa được công bố trên tạp chí Plant Cell Tissue and Organ Cultures (NXB Springer Nature). Đây là lần đầu tiên trên thế giới, gene eIF4E ở cây đu đủ được thử nghiệm chỉnh sửa và cho thấy sự vượt trội trong khả năng kháng virus bệnh đốm vòng.

TS Đỗ Tiến Phát, đại diện nhóm nghiên cứu tại phòng công nghệ tế bào thực vật, cho biết, chỉnh sửa hệ gene bằng công nghệ CRISPR/Cas được phát triển và ứng dụng thành công trên nhiều đối tượng thực vật, trong đó có cây đu đủ.

Tuy nhiên, đến nay trên thế giới chưa có công bố nào về chỉnh sửa hệ gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas để nâng cao tính kháng bệnh virus đốm vòng trên đu đủ.

PRSV là virus gây bệnh nguy hiểm nhất trên cây đu đủ, thuộc nhóm Potyvirus và cần phức hệ khởi đầu dịch mã bao gồm nhân tố eIF4E để dịch mã hệ gene, nhân lên và gây hại cho cây.

Bệnh virus này rất khó phòng trừ bằng biện pháp canh tác, hóa học hay sinh học, do đó sử dụng giống kháng bệnh được xem là biện pháp hiệu quả nhất.

Đây là lý do nhóm phát triển và ứng dụng công nghệ tạo đột biến định hướng các gene mã hóa cho nhân tố eIF4E nhằm tạo ra các dòng chỉnh sửa gene kháng bệnh virus để phục vụ công tác chọn tạo giống kháng bệnh hướng tới sản xuất trong tương lai.

Từ năm 2018 đến nay, nhóm tiếp tục nghiên cứu và phát triển hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 nhằm tạo cây đu đủ đột biến kháng bệnh virus PRSV. Theo đó, các cấu trúc chỉnh sửa hệ gene được thiết kế để tạo ra đột biến định hướng làm mất chức năng gene mã hóa cho một nhân tố quan trọng (eIF4E) trong phức hệ khởi đầu dịch mã ở trong cây đu đủ.

Đột biến này ức chế quá trình dịch mã hệ gene virus và ngăn cản sự nhân lên gây hại của virus với cây chủ, từ đó tạo ra tính kháng bệnh ở các dòng cây được chỉnh sửa gene. Điểm mạnh của công nghệ này là tạo ra cây đột biến định hướng và có thể phân ly khỏi gene chuyển.

Không khác biệt về hình thái so với giống gốc

TS Đỗ Tiến Phát (ngoài cùng bên phải) cùng các thành viên nhóm nghiên cứu đón tiếp các nhà khoa học tới trao đổi về công nghệ

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã xây dựng hệ thống cảm ứng tạo rễ tơ hiệu quả trong điều kiện in vivo trên giống đu đủ Lý Nhân của Việt Nam để sử dụng trong đánh giá biểu hiện của gene chuyển cũng như hoạt động của hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9. Bằng các thí nghiệm chuyên sâu, nhóm đã thành công tạo được cây đu đủ đột biến định hướng trên gene eIF4E.

Đánh giá bước đầu trong điều kiện buồng sinh trưởng hay nhà lưới cho thấy, các dòng đu đủ chỉnh sửa gene có tính kháng hoàn toàn với bệnh virus đốm vòng. Ngoài ra, các dòng cây đu đủ chỉnh sửa gene không ghi nhận sự khác biệt về hình thái, sinh trưởng phát triển và khả năng tạo quả so với giống gốc (không chỉnh sửa gene).

Theo TS Đỗ Tiến Phát, các phương pháp truyền thống như sử dụng hóa chất hay phóng xạ có thể áp dụng để tạo và chọn lọc các dòng đu đủ đột biến kháng bệnh, song khả năng thành công thấp và quá trình chọn tạo tốn nhiều thời gian, công sức.

Các đột biến tạo được với phương pháp truyền thống mang tính ngẫu nhiên và không kiểm soát nên có thể dẫn tới tác động không tốt đối với sinh trưởng và phát triển của cây.

Ở phương pháp chỉnh sửa gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas9, các đột biến hoàn toàn được định hướng trên các vùng gene quan tâm để tạo tính trạng mong muốn mà không ảnh hưởng (hoặc rất ít) tới các đặc điểm khác.

TS Tô Thị Mai Hương (bên trái) trao đổi với các cộng sự trong nhóm nghiên cứu Công nghệ Sinh học Thực vật.

Tại USTH, TS Tô Thị Mai Hương đã được đào tạo về công nghệ chỉnh sửa gen thông qua các khóa tập huấn của Trung tâm Hợp tác Quốc tế về Nghiên cứu Nông nghiệp vì sự phát triển (CIRAD) và Viện nghiên cứu phát triển (IRD) tại Montpellier (Pháp).

Ngoài ra, TS Tô Thị Mai Hương cũng đã hợp tác với Trường Đại học Quốc gia Gyeongsang (GNU, Hàn Quốc) nhằm học hỏi thêm công nghệ chỉnh sửa gen chính xác Base-editing và Prime editing.

Hiện nay, hai nhóm nghiên cứu của IBT và USTH đã hoàn toàn làm chủ công nghệ chỉnh sửa hệ gen thông qua hệ thống CRISPR/Cas9 và ứng dụng thành công trong các chương trình dự án hợp tác nghiên cứu chung của hai đơn vị.

Chi Mai