Một bước đột phá đối với công cụ CRISPR - hay còn gọi là "kéo di truyền" - đang được các nhà khoa học thuộc Viện Sinh lý học Phân tử Thực vật Max Planck đưa vào sử dụng để chỉnh sửa bộ gen thực vật, báo hiệu một sự thay đổi về phương pháp luận. Phát hiện này, được công bố trên Tạp chí Nature Biotechnology, có thể đơn giản hóa và tăng tốc độ phát triển các giống cây trồng thương mại mới, ổn định về mặt di truyền bằng cách kết hợp kỹ thuật ghép với công cụ CRISPR "di động".
Chồi non chưa chỉnh sửa được ghép vào rễ có chứa CRISPR/Cas9 di động, cho phép “kéo di truyền” di chuyển từ gốc vào chồi. Ở đó, nó chỉnh sửa DNA của thực vật nhưng không để lại dấu vết của chính nó trong thế hệ tiếp theo. Bước đột phá này giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và khắc phục những hạn chế hiện tại trong nhân giống cây trồng, đóng góp vào các giải pháp lương thực bền vững trên nhiều loại cây trồng.
Nhiều loại cây lương thực chính của thế giới đã bị đe dọa bởi nắng nóng, hạn hán, sâu bệnh, những yếu tố này đang trở nên trầm trọng hơn do biến đổi khí hậu. Để chứng minh tương lai những cây trồng thiết yếu này cho năng suất cây trồng hiệu quả trong những điều kiện đầy thách thức, bộ gen của cây trồng có thể được chỉnh sửa với độ chính xác cao bằng cách sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 để đưa vào các chức năng gen có lợi hoặc loại bỏ những chức năng không có lợi.
RNA là chất mang CRISPR
Cây trồng thương mại cần phải ổn định về mặt di truyền, chúng không thể chứa bất kỳ trình tự di truyền nào từ hệ thống CRISPR/Cas9 và không được chuyển gen. Thông thường, điều này đạt được thông qua lai xa qua nhiều thế hệ hoặc thông qua các quá trình tái tạo tẻ nhạt. Cả hai đều tốn nhiều thời gian, tiền bạc và rất khó, hoặc thậm chí là không thể đối với nhiều loại cây trồng.
Một nhóm các nhà khoa học do TS Friedrich Kragler đứng đầu đã bắt đầu thay đổi điều này. Là một phần của dự án PLAMORF do EU tài trợ, họ đang nghiên cứu các trình tự vận chuyển cho phép RNA di chuyển từ rễ đến chồi. Nhóm nghiên cứu đã xác định được cái gọi là trình tự TLS đóng vai trò là tín hiệu cho sự di chuyển đường dài của RNA trong thực vật.
Bước đột phá gần đây đến từ việc kết hợp khám phá này với hệ thống chỉnh sửa bộ gen CRISPR/Cas9. Khi thêm một TLS như vậy vào các trình tự CRISPR/Cas9, thực vật sẽ tạo ra các phiên bản "di động" của CRISPR/Cas9 RNA. Sau đó, một chồi không biến đổi, không có gen chuyển đổi được ghép vào rễ của cây có chứa RNA CRISPR/Cas9 di động, sau đó di chuyển từ rễ vào chồi và cuối cùng là vào hoa để tạo ra hạt.
TS Friedrich Kragler giải thích: Điều kỳ diệu xảy ra trong những bông hoa. CRISPR/Cas9 RNA di chuyển vào và được chuyển đổi thành protein tương ứng, đó là ‘chiếc kéo di truyền’ thực sự. Nó chỉnh sửa DNA thực vật trong hoa. Nhưng bản thân hệ thống CRISPR/Cas9 không được tích hợp trong DNA. Vì vậy, hạt sau đó phát triển từ những bông hoa này chỉ mang phần chỉnh sửa mong muốn. Không có dấu vết nào của hệ thống CRISPR/Cas9 trong thế hệ thực vật tiếp theo và nó hoạt động với hiệu quả cao đến kinh ngạc.
Một hệ thống chỉnh sửa cho nhiều loại cây trồng
Điều làm cho hệ thống mới trở nên thú vị hơn nữa là khả năng kết hợp các loài khác nhau. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, "chỉnh sửa" theo cách này không chỉ hoạt động khi rễ và chồi ghép từ cùng một loài thực vật - trong trường hợp này là cây Arabidopsis hoặc cải xoong. Họ cũng ghép các chồi “họ hàng” của nó là cây cải dầu vào rễ cây Arabidopsis để tạo ra CRISPR/Cas9 di động. Thật đáng khích lệ, nhóm của TS Kragler cũng đã tìm thấy những cây cải dầu đã được chỉnh sửa.
Ông kết luận, hệ thống chỉnh sửa gen mới của chúng tôi có thể được sử dụng hiệu quả cho nhiều chương trình nhân giống cây trồng. Điều này bao gồm nhiều loài thực vật quan trọng trong nông nghiệp rất khó hoặc không thể sửa đổi bằng các phương pháp hiện có.
Sơ đồ tổng quan về hệ thống ghép CRISPR/Cas9 RNA di động mới chỉnh sửa bộ gen ở thực vật. Nguồn: RTDS Association.
Anh Xuân (theo Phys.org)