Quy trình cứu phôi non hạt sắn

 Quy trình cứu phôi non hạt sắn

Nguồn: Zaida Lentini, Geraldine Restrepo, María E Buitrago, Eddie Tabares. 2020. Protocol for Rescuing Young Cassava Embryos. Frontier Plant Sci. 2020 May 8;11:522. doi: 10.3389/fpls.2020.00522.

Cứu phôi ER (embryo rescue) trong cải tiến giống sắn là một ứng dụng khá phổ biến, vì người ta cần phục hồi cây con khi lai xa, cần phải phục hồi hạt giống theo chương trình thụ phấn chuẩn quốc tế. Hạt của quả sắn có thể bị rụng đến 100%, trong tuần lễ đầu tiên sau khi thụ phấn, rụng ít hơn 40% trong tuần thứ hai sau khi thụ phấn, nguyên nhân: sự tách rời của quả tùy theo bản chất di truyền của giống sắn. Do vậy, việc lập tra một quy trình cứu phôi ER ở giai đoạn sớm của phát triển phôi sắn là rất cần thiết, đặc biệt trong 2 tuần lễ đầu tiên sau khi thụ phấn (trước giai đoạn hình thành lá mầm), để công việc lai giống sắn được hoàn thiện hơn. Cho đến nay, mọi nỗ lực cho nội dung dung này đều thất bại. Việc cứu phôi thành công sớm nhất được báo cáo ở phôi 32-36 ngày tuổi, sau khi tung phấn DAA (days after anthesis). Tuy nhiên, người ta có rất ít thông tin liên quan đến sự phát triển phôi sắn. Nghiên cứu này tư liệu hóa giai đoạn phát triển phôi sắn theo quan điểm mô học của noãn được thụ phấn bằng tay, từ 1 đến 30 ngày sau khi tung phấn (DAA). Vào thời kỳ 7 DAA, dị hợp tử (zygotes) ở những giai đoạn đầu tiên của quá trình phân bào (pro- embryo stage). Vào thời kỳ 14 DAA, phôi ở giai đoạn pre-globular stage. Phôi ở giai đoạn early globular stage được quan sát mô tế bào vào lúc 21 DAA, và giai đoạn globular stage vào lúc 24 DAA. Mẫu được lấy vào ngày 30 DAA mang phôi có hình thành lá mầm (cotyledon), người ta dễ thao tác nội dung nuôi cây mô noãn để phát triển thành cây, theo quy trình của nhóm tác giả. Đóng góp thứ hai của nghiên cứu này là phát triển quy trình phục hồi được sự phát triển hoàn toàn cây sắn từ phôi non (immature embryos) rồi nuôi cấy chúng in vitro ở giai đoạn rất sớm từ  7 đến 14 DAA. Vì phôi được thu thập ở giai đoạn này là pro-embryo cho đến giai đoạn pre-globular, nên việc nuôi cấy noãn/trứng (ovary/ovule) là cần thiết. Phương pháp nuôi cây noãn cho phép người ta phát triển phôi ở giai đoạn pro-embryos và pre-globular cho đến giai đoạn có lá mầm. Sau đó, phôi trưởng thành được tách ra từ noãn để kích thích nẩy mầm và phục hồi cây phát triển bình thường. Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32457774/

 

Cải thiện tinh bột cây khoai mì (sắn)

 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.

Di truyền cây sắn bị nhiễm bệnh virus

 Di truyền cây sắn bị nhiễm bệnh virus

Nguồn: Rossitto De Marchi B, Kinene T, Krause-Sakate R, Boykin LM, Ndunguru J, Kehoe M, Ateka E, Tairo F, Amisse J, Sseruwagi P. 2020. Genetic diversity and SNP's from the chloroplast coding regions of virus-infected cassava. PeerJ. 2020 Mar 2; 8:e8632. doi: 10.7717/peerj.8632. eCollection 2020.

Sắn là cây lương thực quan trọng cho vùng cận Sahara, châu Phi; nó là nguồn lương thực rất giàu carbohydrates, proteins cho cư dân vùng này với hơn 800 triệu người. Tuy nhiên, sản lượng sắn ở đây đang bị đe dọa bởi dịch bệnh virus gây khảm sắn là “cassava mosaic disease” và “cassava brown streak disease”. Hiện nay, quản lý bệnh hại và kiểm soát bệnh hại bởi virus trên cây sắn chủ yếu tùy thuộc vào giống kháng. Do vậy, việc tìm ra gen kháng mới đối với bệnh do virus gây ra trên cây sắn là cấp thiết cho sự phát triển các giống sắn cao sản mới thông qua cải tiến giống truyền thống và kỹ thuật di truyền. Lục lạp (chloroplast) là mục tiêu tn công chính của virus khi chúng xâm nhập vào cây sắn để nhân quần thể lên. Lục lạp cũng là nguồn đầy tiềm năng để tìm kiếm ra gen kháng mới trong cải tiến giống sắn. Mẫu là sắn nhiễm bệnh và khỏe mạnh được thu thập tại nhiều đồng ruộng khác nhau ở Đông Phi thuộc các nước Tanzania, Kenya và Mozambique. Tách chiết RNA theo phương pháp chuẩn bị “cDNA library” và chạy trình tự “Illumina”. Kết quả “assembling” và “mapping” của những lần đọc (reads) được ghi nhận. Có 33 “chloroplast genomes” chưa đầy đủ, thu thập được. Phân tích di truyền huyết thống theo phương pháp “Bayesian” của 55 gen mã hóa “chloroplast protein” trong cơ sở dữ liệu với 39 “taxa”, và phương pháp chỉ thị SNP của “chloroplast dataset”. Phân tích di truyền huyết thống cho thấy mức độ đa dạng di truyền của chúng của hệ “chloroplast genome” chưa đầy đủ, thuộc những giống sắn bản địa ở Đông Phi. Đây là kết quả có nhiều bổ sung quan trọng, rất khoa học cho những công trình nghiên cứu trước đây về nguồn vật liệu kháng bệnh virus, giúp cho chương trình cải tiến giống sắn với đa dạng di truyền cao, đạt hiệu quả tốt hơn. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7058106/

 

Các dấu hiệu môi trường kiểm soát sự ra hoa của sắn

 Các dấu hiệu môi trường kiểm soát sự ra hoa của sắn 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org

Kiến thức mới về cơ chế ra hoa của một giống sắn phổ biến, được thu thập bởi một nghiên cứu do tổ chức RIKEN đứng đầu, có thể giúp ích cho những nỗ lực sản xuất giống cây trồng cải tiến.

Sắn là một loại cây trồng nhiệt đới chính cung cấp thực phẩm cho người dân khắp Châu Mỹ Latinh, Châu Phi và Nam Á. Cây được sản xuất thông qua sinh sản vô tính và thường không ra hoa trên các cánh đồng nông nghiệp. Khó khăn trong việc làm cách nào để sắn có thể ra hoa và tạo hạt làm chậm quá trình nhân giống truyền thống và cũng là một thách thức đối với các nỗ lực nhân giống phân tử. Motoaki Seki thuộc Trung tâm Khoa học Tài nguyên Bền vững RIKEN giải thích: “Nếu không ra hoa và tạo ra hạt giống, một gen được đưa vào có thể bị mất nếu đó là chimera (thuật ngữ di truyền học dùng để chỉ một mô hay một cơ quan mang nhiều bộ nhiễm sắc thể khác nhau, thường được tạo ra qua sự hợp nhất của nhiều hợp tử khác nhau hoặc sự dung hợp các bộ gen khác nguồn).

Một hợp tác quốc tế do Seki dẫn đầu đã nghiên cứu các yếu tố môi trường kiểm soát sự ra hoa của sắn. Hiroki Tokunaga, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích câu hỏi hóc búa: "Thực vật thường kiểm soát thời gian ra hoa bằng cách nhận biết sự thay đổi của nhiệt độ và độ dài ngày, nhưng ở các khu vực nhiệt đới, độ dài ngày và nhiệt độ không thay đổi nhiều trong năm".

Nhóm nghiên cứu đã theo dõi sự phát triển và ra hoa của sắn tại 5 địa điểm ở Việt Nam và Campuchia. Những cây ở Bắc Kạn và Lâm Đồng cho ra hoa, trong khi những cây trồng ở Hà Nội, Đồng Nai và Battambang thì không. Do các địa điểm ở Bắc Kạn và Lâm Đồng cao hơn so với các địa điểm khác, điều này cho thấy rằng sự ra hoa được đẩy nhanh ở các vùng cao hoặc miền núi.

Để xem liệu thực vật có ra hoa theo một tín hiệu cụ thể hay sau một khoảng thời gian nhất định đã trôi qua, các nhà nghiên cứu đã thay đổi dữ liệu trồng tại địa điểm Bắc Kạn. Các loài thực vật luôn ra hoa vào tháng 8 và 9, cho thấy rằng sự ra hoa xảy ra để đáp ứng với tín hiệu môi trường. Tokunaga cho biết: “Những phát hiện của chúng tôi cho thấy nhiệt độ thấp hoặc trong điều kiện khô hạn có thể làm cho cây ra hoa, nhưng chúng tôi chưa có bằng chứng trực tiếp để chứng minh điều đó”.

Nhóm nghiên cứu cũng đã theo dõi những thay đổi trong biểu hiện của các gen liên quan đến sự ra hoa ở thực vật. Họ nhận thấy rằng sự biểu hiện của gen MeFT1 tăng lên trong quá trình chuyển sang giai đoạn ra hoa. Họ cũng xác định được 14 gen khác liên quan đến ra hoa có biểu hiện tương quan với MeFT1, cũng như tập hợp các gen phản ứng với môi trường cùng biểu hiện.

Seki cho biết: “Nhìn chung, sự ra hoa không liên quan trực tiếp đến các gen phản ứng với điều kiện bất lợi, nhưng phát hiện của chúng tôi cho thấy có sự tương tác giữa sự ra hoa và bất lợi phi sinh học. Điều đó là một bất ngờ rất lớn đối với tôi".

Nhóm nghiên cứu hiện có kế hoạch điều tra sự tương tác giữa phản ứng với điều kiện bất lợi và sự ra hoa, với mục đích thu thập một bức tranh đầy đủ về cơ sở môi trường, phân tử và di truyền của sự ra hoa ở sắn.