Các nhà khoa học đã thành công khi tạo ra loại cà chua chỉnh sửa gene bằng công nghệ CRISPR/Cas9 có hàm lượng đường và axit amin tăng gấp 2 lần.
Hệ thống chỉnh sửa gene bằng công nghệ CRISPR/Cas9 được các nhà khoa học tại Viện Công nghệ sinh học (IBT), Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam ứng dụng thành công trên giống cà chua nội địa. Các dòng cà chua đột biến gene có chứa hàm lượng đường tăng từ 13-45% và hàm lượng axit amin tăng 62-132% so với cây đối chứng không chỉnh sửa. Đây là các thành phần giúp cà chua có hương vị ngon, nâng cao giá trị dinh dưỡng.
TS Đỗ Tiến Phát, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết phần lớn các giống cà chua thị trường được chọn lọc theo hướng phục vụ tiêu thụ, chế biến công nghiệp. Vì vậy các giống thường chú trọng vào các tính trạng: sinh trưởng nhanh, quả to và năng suất cao nhưng ít quan tâm tới hương vị. Do đó từ năm 2019, nhóm hướng tới tạo ra các dòng cà chua đột biến với mục tiêu nâng cao hương vị và giá trị dinh dưỡng.
Nhóm đã phát triển hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 mang hai trình tự định hướng gRNA để tạo ra các đột biến có mục tiêu trong các vùng trình tự phía trước (uORF) của gene. Đây là gene có vai trò liên quan đến các quá trình sinh tổng hợp đường và axit amin ở cây cà chua. TS Phát nhận định, công nghệ này có thể chỉnh sửa chính xác các trình tự gene quan tâm nhằm tạo ra các tính trạng mong muốn ở cây trồng. Đây được xem là phương pháp nhanh và hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp chọn tạo giống truyền thống.
Thành viên nhóm nghiên cứu đánh giá các đặc điểm hình thái của cây cà chua chỉnh sửa gene. Ảnh: Nhóm nghiên cứu
Sử dụng hệ thống này, nhóm đã thành công trong tạo đột biến gene quan tâm trên giống cà chua, một giống cà chua thuần và được trồng khá phổ biến ở Việt Nam trước đây. Các thí nghiệm đánh giá ở quy mô nhà lưới và vườn thực nghiệm được kiểm soát an toàn sinh học cho thấy, các dòng cà chua đột biến có lên gấp 2 lần so với cây đối chứng không đột biến.
Khác với thực phẩm biến đổi gene (GMO), các dòng cà chua đột biến tạo được bằng công nghệ CRISPR/Cas9 có khả năng di truyền ổn định ở các thế hệ tiếp theo và có thể không mang theo bất cứ trình tự ADN ngoại lai trong hệ gene. Các nhà khoa học cũng ghi nhận, so với cây giống gốc (không chỉnh sửa gene) các dòng cà chua đột biến SlbZIP1-uORF mang được các đặc tính mong muốn (hàm lượng đường và axit amin tăng) nhưng không cho thấy các tác động xấu đến kiểu hình cũng như khả năng sinh trưởng và phát triển của cây.
Theo TS Phát, kết quả nghiên cứu chứng minh tiềm năng của của công nghệ này trong cải thiện chất lượng quả cà chua nói riêng và mở rộng khả năng ứng dụng với các cây trồng khác. Các dòng cà chua đột biến tạo được sẽ là nguyên liệu cho việc lai tạo, chọn giống cà chua trong tương lai. Công nghệ này hoàn toàn có thể giúp quy tụ tính trạng mong muốn khác trong các giống hay dòng cà chua năng suất cao ở Việt Nam.
"Thành công này mở ra cơ hội cho các nhà chọn giống có thể cải tạo tính trạng mong muốn trên cây cà chua đang được sản xuất hiện nay hoặc giống được quan tâm trong tương lai", ông nói.
Dòng cà chua đối chứng (WT) so với các dòng cà chua chỉnh sửa gene (T1). Ảnh: Nhóm nghiên cứu
Công trình được công bố trên Planta của Springer Nature, tạp chí uy tín về công nghệ sinh học thực vật thuộc nhóm Q1 ISI, hồi giữa tháng 2. Trước đó nhóm cũng thành công trong việc ứng dụng công nghệ CRISPR/Cas9 để gây tạo đột biến định hướng gen eIF4E ở cây đu đủ nhằm nâng cao tính kháng lại virus bệnh đốm vòng. Công nghệ này cũng được nhóm ứng dụng thành công trên nhiều loại cây trồng khác nhau như thuốc lá, đậu, dưa chuột, lúa...
TS Phát mong muốn kết hợp với các nhà khoa học trong nước phát triển và ứng dụng công nghệ này trong cải tạo giống cây trồng, đồng thời mở rộng ứng dụng nghiên cứu trên động, vi sinh vật...
Ông cho biết thêm, cây chỉnh sửa gene đầu tiên được thương mại hóa trên thế giới là cây cà chua GABA của Nhật Bản, có khả năng hỗ trợ giảm căng thẳng và hạ huyết áp.
GS.TS Chu Hoàng Hà, Phó Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cho biết đây là ứng dụng thực tế trong sử dụng công nghệ chỉnh sửa gene để tạo ra thay đổi cho cây trồng. Nghiên cứu của TS Phát cùng các cộng sự cho thấy các nhà khoa học Việt đã làm chủ rất nhanh công nghệ CRISPR/Cas, phát triển các phương pháp đánh giá được cấu trúc chỉnh sửa gene. "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/giống cây phục vụ cho sản xuất", GS Hà đánh giá.
Ông cho biết thêm, công nghệ chỉnh sửa gene có nhiều ứng dụng đặc biệt với thực vật. Công nghệ này cho phép tạo đột biến theo định hướng, sau đó có thể lựa chọn để loại bỏ gene ngoại lai, giúp cây trồng tạo được mang các đặc điểm tương tự như cây trồng đột biến tự nhiên hay chon tạo bằng các phương pháp truyền thống. 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, để mở rộng cần 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.
Hệ thống chỉnh sửa gene bằng công nghệ CRISPR/Cas9 được các nhà khoa học tại Viện Công nghệ sinh học (IBT), Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam ứng dụng thành công trên giống cà chua nội địa. Các dòng cà chua đột biến gene có chứa hàm lượng đường tăng từ 13-45% và hàm lượng axit amin tăng 62-132% so với cây đối chứng không chỉnh sửa. Đây là các thành phần giúp cà chua có hương vị ngon, nâng cao giá trị dinh dưỡng.
TS Đỗ Tiến Phát, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết phần lớn các giống cà chua thị trường được chọn lọc theo hướng phục vụ tiêu thụ, chế biến công nghiệp. Vì vậy các giống thường chú trọng vào các tính trạng: sinh trưởng nhanh, quả to và năng suất cao nhưng ít quan tâm tới hương vị. Do đó từ năm 2019, nhóm hướng tới tạo ra các dòng cà chua đột biến với mục tiêu nâng cao hương vị và giá trị dinh dưỡng.
Nhóm đã phát triển hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 mang hai trình tự định hướng gRNA để tạo ra các đột biến có mục tiêu trong các vùng trình tự phía trước (uORF) của gene. Đây là gene có vai trò liên quan đến các quá trình sinh tổng hợp đường và axit amin ở cây cà chua. TS Phát nhận định, công nghệ này có thể chỉnh sửa chính xác các trình tự gene quan tâm nhằm tạo ra các tính trạng mong muốn ở cây trồng. Đây được xem là phương pháp nhanh và hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp chọn tạo giống truyền thống.
Thành viên nhóm nghiên cứu đánh giá các đặc điểm hình thái của cây cà chua chỉnh sửa gene. Ảnh: Nhóm nghiên cứu
Sử dụng hệ thống này, nhóm đã thành công trong tạo đột biến gene quan tâm trên giống cà chua, một giống cà chua thuần và được trồng khá phổ biến ở Việt Nam trước đây. Các thí nghiệm đánh giá ở quy mô nhà lưới và vườn thực nghiệm được kiểm soát an toàn sinh học cho thấy, các dòng cà chua đột biến có lên gấp 2 lần so với cây đối chứng không đột biến.
Khác với thực phẩm biến đổi gene (GMO), các dòng cà chua đột biến tạo được bằng công nghệ CRISPR/Cas9 có khả năng di truyền ổn định ở các thế hệ tiếp theo và có thể không mang theo bất cứ trình tự ADN ngoại lai trong hệ gene. Các nhà khoa học cũng ghi nhận, so với cây giống gốc (không chỉnh sửa gene) các dòng cà chua đột biến SlbZIP1-uORF mang được các đặc tính mong muốn (hàm lượng đường và axit amin tăng) nhưng không cho thấy các tác động xấu đến kiểu hình cũng như khả năng sinh trưởng và phát triển của cây.
Theo TS Phát, kết quả nghiên cứu chứng minh tiềm năng của của công nghệ này trong cải thiện chất lượng quả cà chua nói riêng và mở rộng khả năng ứng dụng với các cây trồng khác. Các dòng cà chua đột biến tạo được sẽ là nguyên liệu cho việc lai tạo, chọn giống cà chua trong tương lai. Công nghệ này hoàn toàn có thể giúp quy tụ tính trạng mong muốn khác trong các giống hay dòng cà chua năng suất cao ở Việt Nam.
"Thành công này mở ra cơ hội cho các nhà chọn giống có thể cải tạo tính trạng mong muốn trên cây cà chua đang được sản xuất hiện nay hoặc giống được quan tâm trong tương lai", ông nói.
Dòng cà chua đối chứng (WT) so với các dòng cà chua chỉnh sửa gene (T1). Ảnh: Nhóm nghiên cứu
Công trình được công bố trên Planta của Springer Nature, tạp chí uy tín về công nghệ sinh học thực vật thuộc nhóm Q1 ISI, hồi giữa tháng 2. Trước đó nhóm cũng thành công trong việc ứng dụng công nghệ CRISPR/Cas9 để gây tạo đột biến định hướng gen eIF4E ở cây đu đủ nhằm nâng cao tính kháng lại virus bệnh đốm vòng. Công nghệ này cũng được nhóm ứng dụng thành công trên nhiều loại cây trồng khác nhau như thuốc lá, đậu, dưa chuột, lúa...
TS Phát mong muốn kết hợp với các nhà khoa học trong nước phát triển và ứng dụng công nghệ này trong cải tạo giống cây trồng, đồng thời mở rộng ứng dụng nghiên cứu trên động, vi sinh vật...
Ông cho biết thêm, cây chỉnh sửa gene đầu tiên được thương mại hóa trên thế giới là cây cà chua GABA của Nhật Bản, có khả năng hỗ trợ giảm căng thẳng và hạ huyết áp.
GS.TS Chu Hoàng Hà, Phó Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cho biết đây là ứng dụng thực tế trong sử dụng công nghệ chỉnh sửa gene để tạo ra thay đổi cho cây trồng. Nghiên cứu của TS Phát cùng các cộng sự cho thấy các nhà khoa học Việt đã làm chủ rất nhanh công nghệ CRISPR/Cas, phát triển các phương pháp đánh giá được cấu trúc chỉnh sửa gene. "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/giống cây phục vụ cho sản xuất", GS Hà đánh giá.
Ông cho biết thêm, công nghệ chỉnh sửa gene có nhiều ứng dụng đặc biệt với thực vật. Công nghệ này cho phép tạo đột biến theo định hướng, sau đó có thể lựa chọn để loại bỏ gene ngoại lai, giúp cây trồng tạo được mang các đặc điểm tương tự như cây trồng đột biến tự nhiên hay chon tạo bằng các phương pháp truyền thống. 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, để mở rộng cần 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.
