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.
Một trong những loại bệnh gây hại nhất trên cây đu đủ vừa được các nhà khoa học tại Viện Công nghệ sinh học (IBT), Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đưa ra hướng giải quyết bằng công nghệ chỉnh sửa gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas9. Đây là kết quả nghiên cứu nhiều năm, bắt đầu từ 2016, trong khuôn khổ hợp tác giữa IBT và ĐH Edinburgh, Vương quốc Anh với các đề tài nghiên cứu của Hoàng gia Anh cùng với các đề tài cơ sở và đề tài chọn lọc cấp Viện Công nghệ sinh học.
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. "Nghiên cứu của chúng tôi bước đầu thành công trong tạo cây đu đủ kháng lại bệnh virus đốm vòng thông qua hệ thống CRISPR/Cas9", TS Phát nói.
TS Đỗ Tiến Phát (ngoài cùng, phải) cùng các thành viên nhóm nghiên cứu đón tiếp các nhà khoa học tới trao đổi về công nghệ. (Ảnh: NVCC)
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.
Cây đu đủ WT (trái) và cây chỉnh sửa gene (phải) sau lây nhiễm virus PRSV trong điều kiện nhà lưới. (Ảnh: Nhóm nghiên cứu.)
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 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. "Chúng tôi tiếp tục phân tích và sàng lọc các dòng đu đủ chỉnh sửa gene tiềm năng không mang DNA ngoại lai để phục vụ cho công tác chọn dòng, giống phục vụ sản xuất trong tương lai", TS Phát cho hay.
Một phần công trình nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Plant Cell, Tissue and Organ Culture của Springer Nature năm 2022. Ngoài đu đủ, nhóm đã nghiên cứu chỉnh sửa gene eIF4E trên cây thuốc lá để đánh giá tính kháng virus PVY gây bệnh chết gân mạng lưới. Công trình được xuất bản trên tạp chí Scientific Reports của Nature hồi tháng 8.
TS Phát cho biết, nhóm dự kiến ứng dụng công nghệ này trong nâng cao tính chống chịu bệnh virus với các thực vật khác, đồng thời cải tiến các tính trạng quan trọng khác trên các cây trồng có giá trị.
GS.TS Chu Hoàng Hà, Phó Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cho biết công nghệ kỹ thuật chỉnh sửa gene này khá mới. Năm 2020 giải Nobel cũng được trao cho hai nhà khoa học đặt nền móng cho việc ứng dụng thành công hệ thống CRISPR/Cas9 trong chỉnh sửa hệ gene. Tại Việt Nam, một vài nhóm nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật này trong chỉnh sửa gene trên lúa, đậu tương... tuy nhiên thành công chưa nhiều. Nghiên cứu của TS Phát cùng các cộng sự cho thấy các nhà khoa học Việt đã làm chủ rất nhanh kỹ thuật, phát triển các phương pháp đánh giá được cấu trúc gene, thử nghiệm trên nhiều đối tượng cây khác nhau như lúa, đậu tương, dưa chuột, thuốc lá. "Việc làm chủ kỹ thuật mở ra tiềm năng, cơ hội lớn cho các nghiên cứu về chức năng gene cây trồng, hướng tới sẵn sàng cho các nghiên cứu tạo ra dòng cây phục vụ cho chọn tạo giống", GS Hà cho hay.
Ông cho biết thêm, hướng chỉnh sửa gene có nhiều ứng dụng đặc biệt với thực vật, cây trồng là hướng tiềm năng nhất. Kỹ thuật tạo đột biến theo định hướng, sau đó có thể lựa chọn để loại bỏ gene ngoại lai, giúp cây tạo ra tương tự cây tự nhiên mà không phải phải cây trồng biến đổi gene. Nhờ khả năng ứng dụng lớn, nhiều phòng thí nghiệm, doanh nghiệp công nghệ sinh học sử dụng kỹ thuật này cho tương lai của chọn tạo giống cây trồng.
Nhận định lĩnh vực triển vọng lớn, GS Hà cho rằng muốn làm sâu phải thử nghiệm, đánh giá, do đó cần được đầu tư trọng điểm, phát triển các nhóm nghiên cứu mạnh. Đồng thời cần có hướng dẫn ban hành như việc đăng ký giống cây trồng; những giống cây được tạo bằng công nghệ mới được hướng dẫn để đưa vào quy trình đánh giá.