Cải thiện năng suất mía thông qua tinh chỉnh góc lá bằng kỹ thuật CRISPR
- Thứ ba - 09/07/2024 08:28
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Mía là cây trồng lớn nhất thế giới tính theo năng suất sinh khối, cung cấp 80% lượng đường và 40% nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới. Do có kích thước cây cùng...
Mía là cây trồng lớn nhất thế giới tính theo năng suất sinh khối, cung cấp 80% lượng đường và 40% nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới. Do có kích thước cây cùng với việc sử dụng nước và ánh sáng hiệu quả mía đã trở thành ứng viên hàng đầu cho sản xuất các sản phẩm, nhiên liệu sinh học có giá trị và khả năng tái tạo cao.
Tuy nhiên, vì là giống lai giữa Saccharum officinarum và Saccharum spontaneum nên mía có bộ gen phức tạp nhất trong tất cả các loại cây trồng. Sự phức tạp này đồng nghĩa với việc muốn cải thiện giống mía thông qua chọn giống thông thường là một thách thức. Do đó, các nhà nghiên cứu chuyển sang sử dụng các công cụ chỉnh sửa gen như hệ thống CRISPR/Cas9 để nhắm mục tiêu chính xác vào bộ gen cây mía cho mục đích cải thiện giống.
Trong bài báo xuất bản trên Tạp chí Công nghệ sinh học thực vật, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Đổi mới năng lượng sinh học và sản phẩm sinh học tiên tiến (CABBI), Đại học Florida đã sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 để điều chỉnh góc lá nhằm giúp cây mía thu được nhiều ánh sáng mặt trời, từ đó tạo ra nhiều sinh khối hơn.
Công trình này hỗ trợ cho cách tiếp cận xem "thực vật như nhà máy" của Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Sinh học CABBI do DOE tài trợ, với mục tiêu chính là sản xuất nhiên liệu sinh học, chế phẩm sinh học và các phân tử có giá trị cao trực tiếp trong thân các loại cây như mía.
Sự phức tạp của bộ gen cây mía một phần là do nó sở hữu nhiều bản sao của mỗi gen. Do đó, kiểu hình mà chúng thể hiện thường phụ thuộc vào sự biểu hiện tích lũy của nhiều bản sao của một gen nhất định. Hệ thống CRISPR/Cas9 được xem là hoàn hảo để thực hiện nhiệm vụ này vì nó có thể được thiết kế để chỉnh sửa một vài hoặc nhiều bản sao gen cùng một lúc.
Nghiên cứu này tập trung vào LIGULELESS1, hay LG1, một gen đóng vai trò chính trong việc xác định góc lá ở cây mía. Góc của lá quyết định lượng ánh sáng mà cây có thể thu được, điều này rất quan trọng cho việc sản xuất sinh khối. Do bộ gen cây mía có đến 40 bản sao gen LG1 nên các nhà nghiên cứu có thể tinh chỉnh góc lá bằng cách chỉnh sửa số lượng bản sao khác nhau của gen này, dẫn đến các góc lá hơi khác nhau tùy thuộc vào số lượng bản sao LG1 đã được chỉnh sửa.
Fredy Altpeter, trưởng nhóm nghiên cứu và là Giáo sư Nông học tại Đại học Florida cho biết: “Ở một số cây mía được chỉnh sửa gen LG1, chúng tôi chỉ biến đổi một số bản sao. Và khi làm như vậy, chúng tôi có thể điều chỉnh cấu trúc lá cho đến khi tìm ra góc tối ưu giúp tăng năng suất sinh khối."
Khi các nhà nghiên cứu trồng mía trong các thử nghiệm trên đồng ruộng, họ phát hiện ra rằng kiểu hình lá thẳng đứng cho phép nhiều ánh sáng xuyên qua tán cây hơn, dẫn đến năng suất sinh khối tăng lên. Đặc biệt, một dòng mía, có các chỉnh sửa ở mức ~12% số bản sao gen LG1 với góc nghiêng của lá giảm 56%, đã có năng suất sinh khối khối tăng 18%.
Bằng cách tối ưu hóa cây mía để thu được nhiều ánh sáng hơn, việc chỉnh sửa gen này làm tăng năng suất sinh khối mà không cần phải bón thêm phân bón cho đồng ruộng. Ngoài ra, việc xây dựng sự hiểu biết sâu sắc hơn về di truyền phức tạp và chỉnh sửa bộ gen giúp các nhà nghiên cứu hướng tới các phương pháp tiên tiến để cải thiện cây trồng.
Altpeter cho biết: “Đây là ấn phẩm được bình duyệt đầu tiên mô tả thử nghiệm đồng ruộng về mía chỉnh sửa gen bằng CRISPR. Và nghiên cứu này cũng cho thấy những cơ hội độc đáo để chỉnh sửa bộ gen cây trồng đa bội, nơi các nhà nghiên cứu có thể tinh chỉnh một tính trạng cụ thể."
Nguồn: Sciencedaily.com
Tuy nhiên, vì là giống lai giữa Saccharum officinarum và Saccharum spontaneum nên mía có bộ gen phức tạp nhất trong tất cả các loại cây trồng. Sự phức tạp này đồng nghĩa với việc muốn cải thiện giống mía thông qua chọn giống thông thường là một thách thức. Do đó, các nhà nghiên cứu chuyển sang sử dụng các công cụ chỉnh sửa gen như hệ thống CRISPR/Cas9 để nhắm mục tiêu chính xác vào bộ gen cây mía cho mục đích cải thiện giống.
Trong bài báo xuất bản trên Tạp chí Công nghệ sinh học thực vật, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Đổi mới năng lượng sinh học và sản phẩm sinh học tiên tiến (CABBI), Đại học Florida đã sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 để điều chỉnh góc lá nhằm giúp cây mía thu được nhiều ánh sáng mặt trời, từ đó tạo ra nhiều sinh khối hơn.
Công trình này hỗ trợ cho cách tiếp cận xem "thực vật như nhà máy" của Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Sinh học CABBI do DOE tài trợ, với mục tiêu chính là sản xuất nhiên liệu sinh học, chế phẩm sinh học và các phân tử có giá trị cao trực tiếp trong thân các loại cây như mía.
Sự phức tạp của bộ gen cây mía một phần là do nó sở hữu nhiều bản sao của mỗi gen. Do đó, kiểu hình mà chúng thể hiện thường phụ thuộc vào sự biểu hiện tích lũy của nhiều bản sao của một gen nhất định. Hệ thống CRISPR/Cas9 được xem là hoàn hảo để thực hiện nhiệm vụ này vì nó có thể được thiết kế để chỉnh sửa một vài hoặc nhiều bản sao gen cùng một lúc.
Nghiên cứu này tập trung vào LIGULELESS1, hay LG1, một gen đóng vai trò chính trong việc xác định góc lá ở cây mía. Góc của lá quyết định lượng ánh sáng mà cây có thể thu được, điều này rất quan trọng cho việc sản xuất sinh khối. Do bộ gen cây mía có đến 40 bản sao gen LG1 nên các nhà nghiên cứu có thể tinh chỉnh góc lá bằng cách chỉnh sửa số lượng bản sao khác nhau của gen này, dẫn đến các góc lá hơi khác nhau tùy thuộc vào số lượng bản sao LG1 đã được chỉnh sửa.
Fredy Altpeter, trưởng nhóm nghiên cứu và là Giáo sư Nông học tại Đại học Florida cho biết: “Ở một số cây mía được chỉnh sửa gen LG1, chúng tôi chỉ biến đổi một số bản sao. Và khi làm như vậy, chúng tôi có thể điều chỉnh cấu trúc lá cho đến khi tìm ra góc tối ưu giúp tăng năng suất sinh khối."
Khi các nhà nghiên cứu trồng mía trong các thử nghiệm trên đồng ruộng, họ phát hiện ra rằng kiểu hình lá thẳng đứng cho phép nhiều ánh sáng xuyên qua tán cây hơn, dẫn đến năng suất sinh khối tăng lên. Đặc biệt, một dòng mía, có các chỉnh sửa ở mức ~12% số bản sao gen LG1 với góc nghiêng của lá giảm 56%, đã có năng suất sinh khối khối tăng 18%.
Bằng cách tối ưu hóa cây mía để thu được nhiều ánh sáng hơn, việc chỉnh sửa gen này làm tăng năng suất sinh khối mà không cần phải bón thêm phân bón cho đồng ruộng. Ngoài ra, việc xây dựng sự hiểu biết sâu sắc hơn về di truyền phức tạp và chỉnh sửa bộ gen giúp các nhà nghiên cứu hướng tới các phương pháp tiên tiến để cải thiện cây trồng.
Altpeter cho biết: “Đây là ấn phẩm được bình duyệt đầu tiên mô tả thử nghiệm đồng ruộng về mía chỉnh sửa gen bằng CRISPR. Và nghiên cứu này cũng cho thấy những cơ hội độc đáo để chỉnh sửa bộ gen cây trồng đa bội, nơi các nhà nghiên cứu có thể tinh chỉnh một tính trạng cụ thể."
Nguồn: Sciencedaily.com