Cải thiện tinh bột cây khoai mì (sắn)
Nuyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org
Việc sử dụng bộ công cụ kéo gen CRISPR-Cas9 nổi tiếng mà các nhà công nghệ sinh học thực vật tại ETH Zurich đã có thể cải thiện giống khoai mì (sắn). Giống mới này có tinh bột không chứa amylose hoặc dạng 'sáp', được ưa chuộng trong ngành công nghiệp.
Khoai mì (Sắn) là một trong những cây trồng lấy tinh bột quan trọng nhất trên thế giới. Bộ phận củ lưu trữ cung cấp cho hơn 500 triệu người và chúng cũng được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp quan trọng, ví dụ trong sản xuất giấy hoặc làm phụ gia thực phẩm. Mặc dù cây sắn rất cứng và có thể sống sót ngay cả trong điều kiện khô hạn, nhưng cần phải tốn nhiều thời gian để lai tạo những đặc điểm mới có ích cho các giống khác nhau mà nông dân ưa thích. Đó là lý do tại sao nhà khoa học ETH Simon Bull và nhóm nghiên cứu của ông đã chọn cách tiếp cận mới để đưa những đặc tính mới vào cây sắn. Các nhóm nghiên cứu từ Biochemistry Plant và Công nghệ Sinh học Thực vật hợp tác với Hervé Vanderschuren, cựu lãnh đạo nhóm cây sắn tại ETH và bây giờ tại Đại học Liège, đã sử dụng bộ dụng cụ kéo gen CRISPR-Cas9 phổ biến để làm thay đổi bộ gen của cây trồng. Nghiên cứu của họ vừa được công bố trên tạp chí Science Advances.
Họ đã sử dụng công cụ chỉnh sửa gen thay đổi hai gen cây sắn để cây sản xuất tinh bột biến tính (Modified amylose). Tinh bột gồm amylose (khoảng 15%) và amylopectin (85%). Tinh bột biến tính mới này có ít hoặc không có amylose và có nhu cầu cao trên thị trường toàn cầu. Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu đã chèn một khối gen ngoại lai vào cây sắn. Khối này bao gồm các gen cho protein Cas9 và cho phân tử RNA hướng dẫn mà hệ thống CRISPR-Cas9 cần để cắt vật liệu di truyền ở điểm mong muốn. Nó cũng chứa một gen từ một cây khác, cây cải dầu Arabidopsis, để tăng tốc độ nở hoa.
Những Gene kéo gen "im lặng"
Các nhà nghiên cứu đã kéo gen Cas9 cắt gen GBSS và PTST của cây sắn ở giai đoạn phôi thai, qua đó thay đổi trình tự mã của gen cây trồng. Cả hai gen đều tham gia vào quá trình sản xuất amylose. Nếu chúng bị lỗi, cây sắn không thể sản xuất được lâu hơn nữa.
Bull và nhóm nghiên cứu của ông đã trồng một số dòng cây trồng riêng biệt hứa hẹn trong một nhà kính. Các nhà nghiên cứu sau đó đã nghiên cứu để xác định hàm lượng amylose trong củ của chúng. Một số dòng đã được phát hiện sản xuất không có amylose ở tất cả: tinh bột trong củ của sắn biến đổi này chỉ chứa amylopectin.
Những củ sắn 'sáp' (không có amylose) này tham gia một danh sách các giống cây trồng quan trọng khác trên toàn cầu như ngô và khoai tây, mà có những đặc điểm tương tự.
Lai tạo loại bỏ DNA ngoại lai
Để loại bỏ các vật liệu di truyền ngoại lai mà chúng được giới thiệu vào cây sắn, các nhà khoa học cây trồng đã lai tạo hai cây riêng lẻ của một dòng sắn không có amylose (Amylose-free) chuyển gen với nhau. Sắn mang hai bản sao của mỗi nhiễm sắc thể của nó; DNA ngoại lai đã được đưa vào chỉ một trong hai nhiễm sắc thể giống nhau ở những cá thể này. Trên cơ sở đó, một trong bốn con cái của con lai này sẽ không có DNA ngoại lai.
“Nếu không có hoa, chúng tôi sẽ không thể thực hiện lai để loại bỏ các vật liệu lạ”, Bull nói. Tuy nhiên, cây vẫn duy trì khả năng sản xuất tinh bột không có amylose. Bull giải thích, “Điều này có nghĩa là trong thế hệ con cháu đầu tiên, đặc điểm chúng tôi mong muốn vẫn còn nhưng DNA ngoại lai có thể bị loại hoàn toàn”. Phần khó khăn là khiến cho sắn tạo hoa và sản xuất hạt giống. Cây này hiếm khi nở hoa trong tự nhiên và hầu như không bao giờ trong môi trường nhà kính. Sắn thường được nhân giống không thông qua sự sinh sản hữu tính mà là thông qua việc cắt gốc, đồng nhất về mặt di truyền (sinh sản vô tính).
Phương pháp tiết kiệm thời gian tạo giống
Phương pháp mà Bull và các đồng nghiệp của ông đã phát triển làm tăng tốc độ trồng sắn đáng kể. "Đặc tính được mong muốn, cụ thể là tinh bột sắn chỉ chứa amylopectin và không amylose, đã đạt được bằng kỹ thuật nhân giống thông thường, nhưng phải mất hàng ngàn cây và vài năm, thay vì chỉ một vài cây được sản xuất hàng tháng như giải pháp của chúng tôi", Bull nói.
Ở nhiều nước ở phía Nam bán cầu, đặc biệt ở các nước châu Phi, cây sắn là một nguồn carbohydrate quan trọng. Củ của cây lưu trữ một lượng lớn tinh bột phục vụ như là nguồn năng lượng quan trọng. Củ cũng được chế biến cho những thị trường địa phương cung cấp thu nhập cho hộ nông dân sản xuất nhỏ.
Ngành công nghiệp đặc biệt quan tâm đến tinh bột sắn không có amylose, việc loại bỏ amylose thường đòi hỏi nhiều phương pháp xử lý và tiêu thụ năng lượng hơn để tinh chế tinh bột. Người tiêu dùng cũng có thể thích dạng sáp, không có amylose. "Đó là lý do tại sao giống sắn mới này rất hấp dẫn cả người tiêu dùng lẫn ngành công nghiệp", Bull nói.
