Công nghệ chỉnh sửa gen: Một số kết quả nghiên cứu tại Viện Di truyền nông nghiệp

Diễn đàn ‘Thành tựu và định hướng ứng dụng công nghệ sinh học phục vụ phát triển nông nghiệp bền vững trong bối cảnh hội nhập quốc tế’

Bộ Nông nghiệp và PTNT tổ chức, 8h30-11h30 ngày 5/10/2024.

Đơn vị thực hiện: Vụ Khoa học Công nghệ và Môi trường (Bộ NN-PTNT) - Báo Nông nghiệp Việt Nam.

Thông tin liên hệ: Bà Trần Thị Hoài Thơ, Báo Nông nghiệp Việt Nam; Đt: 0868334860, email: Tranhoaitho1906@gmail.com

Tham gia Zoom cuộc họp:

https://zoom.us/j/98102733827?pwd=EWudQuiYXgeny4LO3tjAHvbsLblZ1V.1

ID cuộc họp: 981 0273 3827

Mật mã: 202405

Chỉnh sửa gen và chọn giống cây trồng

Chọn giống cây trồng có một lịch sử phát triển rất lâu đời, xuất hiện và phát triển đồng thời với cùng với hoạt động trồng trọt của con người. Bản chất của chọn giống là quá trình con người cố gắng thay đổi bản chất di truyền tự nhiên của cây trồng một cách có chủ đích để cải tiến đặc điểm nông sinh học nào đó theo hướng có lợi.

Những thay đổi này trên cây trồng có tính bền vững và có thể di truyền cho thế hệ sau. Mục đích của chọn giống là để tạo các loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao và thơm ngon hơn; hoặc giúp cho công việc sản xuất nông nghiệp trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.

Chọn giống bao gồm hai hoạt động chính: (i) tạo ra/tập hợp các cá thể mang các đặc điểm khác nhau (biến dị di truyền) và (ii) chọc lọc trong số đó các cá thể có đặc điểm phù hợp nhất với mục đích chọn giống. Biến dị di truyền có được nhờ quá trình lai (biến dị tái tổ hợp) hoặc đột biến (biến dị đột biến); trong đó đột biến có thể xuất hiện một cách tự nhiên hoặc được tạo ra bởi con người thông qua các phương thức khác nhau. Đột biến trong tự nhiên xuất hiện với tần số rất thấp (10^-5 – 10^-8) và đòi hỏi thời gian rất dài. Chính vì vậy, từ đầu thế kỉ 20 các nhà khoa học đã biết sử dụng các tác nhân nhân tạo để chủ động tạo ra đột biến trong hệ gen sinh vật. Dựa vào bản chất của tác nhân gây đột biến, có thể chia đột biến thành 3 loại, bao gồm đột biến biến bằng tác nhân vật lý, hóa học và sinh học.

Phương pháp đột biến truyền thống sử dụng các vật lý và hóa học thường tạo ra một số lượng lớn các đột biến ngẫu nhiên trong toàn bộ gen, hoặc đôi khi là sự sắp xếp lại nhiễm sắc thể. Phương pháp chọn giống dựa trên kĩ thuật gây đột biến truyền thống này đã tạo ra hơn 3.000 giống cây trồng thương mại phục vụ đời sống con người. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu phải sàng lọc một quần thể rất lớn để xác định ra các thể đột biến có đặc tính mong muốn, do đó tốn rất nhiều thời gian, công sức và chi phí.

Công nghệ chuyển gen thực vật (đột biến bằng tác nhân sinh học) ra đời đã tạo nên bước đột phá trong nghiên cứu sinh học. Kĩ thuật này được sử dụng rất phổ biến trong nghiên cứu cơ bản về sinh học thực vật và cũng như cải tiến giống cây trồng.

Tuy nhiên, việc tích hợp các gen chuyển vào bộ gen của vật chủ là không đặc hiệu, đôi khi không ổn định. Đặc biệt, mặc dù không có bằng chứng khoa học đáng tin cậy, sự xuất hiện gen/protein ngoại lai trong sản phẩm cây trồng vẫn tạo ra những mối lo ngại nhất định về tính an toàn đối với sức khỏe con người cũng như môi trường sinh thái.

Phương pháp gây đột biến chính xác bằng kĩ thuật chỉnh sửa gen (gene editing) ra đời vào năm 1988 với những ưu điểm vượt trội đã cho thấy những tiềm năng to lớn trong nghiên cứu sinh học phân tử. Kĩ thuật này sử dụng nuclease đặc hiệu có khả năng cắt chính xác phân tử DNA tại những vị trí mong muốn để tạo ra đột biến đứt gãy DNA trong hệ gen sinh vật.

Nhiễm sắc thể sau khi đứt gãy sẽ được tế bào sửa chữa theo cơ chế tái tổ hợp tương đồng (homology-directed recombination - HDR) hoặc ghép nối tận cùng không tương đồng (non-homologous end joining - NHEJ); trong quá trình sửa chữa DNA này có thể xuất hiện các đột biến thêm/mất/thay thế nucleotide hoặc thêm/mất/thay thế đoạn nhiễm sắc thể tại vị trí đứt gãy, tùy vào từng hệ thống chỉnh sửa gen.

Hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat/CRISPR-associated protein) được phát minh vào năm 2013 đã tạo nên một cuộc cách mạng trong nghiên cứu sinh học phân tử nói chung và mở ra một hướng mới đầy triển vọng cho nghiên cứu chọn giống cây trồng nói riêng.

Hệ thống chỉnh sửa gen này có những ưu điểm vượt trội, khắc phục hoàn toàn nhược điểm của thế hệ trước, như đơn giản, rẻ tiền, chính xác, hiệu suất cao và đặc biệt là rất linh hoạt; cho phép tạo ra đột biến chính xác tại hầu như mọi vị trí trong hệ gen sinh vật một cách có chủ đích, bao gồm cả thêm/bớt/thay thế nucleotide hay thậm chí thêm/xóa/thay thế gen hay đoạn nhiễm sắc thể. Bằng công cụ này, các nhà sinh học phân tử có thể kiểm soát toàn bộ hệ gen sinh vật, nghĩa là có thể thêm/xóa gen, tùy chỉnh mức độ biểu hiện của gen đích hay thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể… theo chủ đích.

Nói ngắn gọn, “chúng ta có thể làm mọi điều chúng ta muốn trên hệ gen sinh vật” với hệ thống CRISPR/Cas. Năm 2020, giải Nobel hóa học đã được trao cho 2 nhà nghiên cứu đã phát minh ra kĩ thuật chỉnh sửa gen CRISPR/Cas, chứng tỏ triển vọng ứng dụng vô cùng to lớn của công cụ này.

Ứng dụng của chỉnh sửa gen trong chọn giống cây trồng

Phương pháp gây đột biến bằng hệ thống CRISPR/Cas có hiệu suất đột biến cao đối với rất nhiều đối tượng thực vật khác nhau, bao gồm cả những cây mô hình và những cây trồng trong sản xuất. Hơn nữa, các đột biến tạo ra bởi hệ thống CRISPR/Cas có thể được di truyền một cách chính xác và ổn định qua các thế hệ.

Chính vì vậy, những năm gần đây, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu sinh học phân tử và trở thành một công cụ phổ biến nhất trong các phòng thí nghiệm thực vật trên toàn thế giới để nghiên cứu chức năng hệ gen và cải tiến tính trạng cây trồng.

Bằng cách tạo ra đột biến bất hoạt một gen hay toàn bộ gen trong một họ gen thông qua công cụ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9, các nhà khoa học có thể dễ dàng chứng minh vai trò chức năng của gen/họ gen trong hệ gen cây trồng. Hơn nữa, với khả năng tạo ra đột biến mất đoạn nhiễm sắc thể, hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas cho phép nghiên cứu chức năng của một đoạn trình tự ADN nhỏ hay một vùng nhiễm sắc thể lớn chứa nhiều gen.

Đặc biệt, với hệ thống CRISPR/Cas cải tiến, các nhà khoa học có thể tạo ra các đột biến điểm một cách chính xác trên mỗi gen mục tiêu để nghiên cứu chi tiết vai trò của từng gốc axit amin đối với chức năng chung của protein và kiểu hình liên quan. Với khả năng ứng dụng rất linh hoạt, kĩ thuật chỉnh sửa gen CRISPR/Cas đã giúp làm sáng tỏ chức năng của rất nhiều gen trong hệ gen sinh vật nói chung và cây trồng nói riêng.

Trong lĩnh vực chọn giống cây trồng, công cụ chỉnh sửa gen giúp các nhà chọn giống phân tử dễ dàng loại bỏ các yếu tố tiêu cực (bất hoạt các gen kiểm soát các tính trạng không mong muốn) trong hệ gen cây trồng, từ đó giúp cải tiến nhiều tính trạng nông sinh học quý, bao gồm cả năng suất, chất lượng, chống chịu yếu tố stress sinh học và phi sinh học. Ví dụ, loại bỏ gen mẫn cảm với bệnh bạc lá lúa giúp tạo ra giống lúa cải tiến kháng bệnh.

Ngược lại, tăng cường biểu hiện các gen quy định các tính trạng tốt cũng là một chiến lược hiệu quả để tạo ra các giống cây trồng ưu tú. Ví dụ, gen tham gia đáp ứng chống chịu stress hạn ở ngô khi được kích hoạt biểu hiện bằng công cụ CRISPR/Cas sẽ tạo ra giống ngô cải tiến thích ứng với vùng khô hạn. Trên cơ sở những hiểu biết về hệ gen cây trồng, kết hợp với hệ thống chỉnh sửa gen, các nhà chọn giống phân tử có thể nhanh chóng tạo ra các giống cây trồng cải tiến một cách đơn giản, chính xác, tiết kiệm chi phí, thời gian và hiệu quả hơn rất nhiều so với các phương pháp chọn giống truyền thống trước đây.

Thành tựu nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đột biến chính xác bằng CRISPR/Cas của Viện Di truyền nông nghiệp

Là một trong những đơn vị ở Việt Nam luôn đi đầu trong việc ứng dụng các công nghệ mới vào nghiên cứu khoa học và chọn tạo giống cây trồng, Viện Di truyền nông nghiệp đã sớm tiếp cận với công nghệ đột biến chính xác bằng CRISPR/Cas từ năm 2017. Với thế mạnh vốn có về nuôi cấy mô tế bào thực vật, nền tảng về sinh học phân tử và kinh nghiệm nhiều năm trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ chuyển gen thực vật, kết hợp với các mối quan hệ hợp tác quốc tế sâu rộng, các nhà khoa học thuộc Viện đã tìm hiểu, học hỏi về công nghệ CRISPR/Cas, tiếp nhận chuyển giao và phát triển việc ứng dụng công nghệ đột biến chính xác này trong cả hai hướng nghiên cứu chính của Viện, bao gồm nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu chọn tạo giống cây trồng.

Viện Di truyền nông nghiệp là đơn vị đầu tiên tại Việt Nam được giao thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước về ứng dụng công nghệ CRISPR/Cas. Sau đó, Viện tiếp tục thực hiện một số đề tài/dự án cấp Nhà nước và cấp Bộ về phát triển và ứng dụng công nghệ này. Với nguồn kinh phí được cấp từ các đề tài/dự án, trên cơ sở nguồn vật liệu ban đầu là hệ thống vector CRISPR/Cas9 chỉnh sửa gen trên lúa (được chuyển giao từ kết quả hợp tác quốc tế với Viện Nghiên cứu vì sự phát triển - Montpellier, Pháp), nhóm nghiên cứu của Viện Di truyền nông nghiệp đã chủ động nghiên cứu phát triển và đã tạo ra được hệ thống vector chỉnh sửa gen cho cây trồng 1 lá mầm (lúa, ngô, cao lương…) và cây trồng 2 lá mầm (thuốc lá, cà chua, đậu tương, sắn…) của riêng mình.

Hơn nữa, các hệ thống CRISPR/Cas9 do Viện phát triển cho phép gây đột biến chính xác đồng thời 4 – 6 vị trí khác nhau trong hệ gen cây chủ (so với 2 vị trí của hệ thống ban đầu được chuyển giao). Từ đó, các nhà khoa học của Viện đã làm hoàn thiện và làm chủ quy trình chỉnh sửa gen trên các giống lúa chủ lực như Bắc thơm 7, TBR225, BC15, Khang dân 18, quy trình chỉnh sửa gen trên giống đậu tương DT22, quy trình chỉnh sửa gen trên sắn, quy trình chỉnh sửa gen trên giống ngô K4, K7… Đây là những điều kiện tiên quyết để ứng dụng thành công công nghệ này cho chọn tạo giống cây trồng ở Việt Nam.

Với hệ thống và quy trình gây đột biến chính xác bằng CRISPR/Cas9 đã hoàn thiện, các cán bộ của Viện đã sử dụng công cụ này này để phục vụ cho các nghiên cứu cơ bản. Các kết quả điển hình như chứng minh vai trò của QTL9 trong sự hình thành cấu trúc bông lúa; nghiên cứu vai trò của GmNAC29 và GmHyPRP1 đối với đáp ứng chống chịu stress hạn của đậu tương.

Đặc biệt, cơ chế tương tác phân tử giữa quần thể vi khuẩn bạc lá Việt Nam với giống lúa chủ lực Bắc thơm 7 và TBR225 đã được xác định nhờ ứng dụng công cụ CRISPR/Cas9; phát hiện này làm sáng tỏ cho tính mẫn cảm với bệnh bạc lá của các giống lúa này, là cơ sở khoa học rất quan trọng cho các chương trình chọn tạo giống lúa kháng bệnh bạc lá ứng dụng công nghệ sinh học.

Hiện nay, các nhóm nghiên cứu của Viện đang tiếp tục sử dụng công nghệ đột biến chính xác CRISPR/Cas để tìm hiểu vai trò của một số gen liên quan tới đáp ứng chống chịu hạn và nóng ở lúa như OsProDH, OsHSBP1, OsHSBP2; chức năng của gen OsNRAMP2, OsNRAMP5 và OsNRAMP7 liên quan tới quá trình vận chuyển kim loại ở lúa; vai trò của gen ZmCLE7 và ZmCLE1E5 đối với kiểu hình số hàng hạt trên bắp ngô.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu Viện Di truyền nông nghiệp cũng đã chứng minh được vai trò kiểm soát quá trình phân cành và ra hoa của gen FT1 ở sắn trong chương trình hợp tác nghiên cứu cùng các nhà khoa học thuộc Trung tâm Nông nghiệp Nhiệt đới Quốc tế (CIAT).

Đối với hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ đột biến chính xác CRISPR/Cas9 vào cải tiến tính trạng cây trồng, Viện Di truyền nông nghiệp đã đạt được những tiến bộ rất đáng ghi nhận.

Bệnh bạc lá là một trong hai bệnh hại lúa nghiêm trọng nhất ở Việt Nam; hầu hết các giống lúa chủ lực đang canh tác hiện nay đều mẫn cảm với bệnh này. Thành công lớn nhất là các nhà khoa học của Viện đã cải tiến tính kháng bệnh bạc lá phổ rộng cho giống lúa chủ lực TBR225 thông qua việc gây đột biến chính xác đồng thời vùng khởi động (promoter) của 2 gen nhiễm OsSWEET13 và OsSWEET14.

Dòng lúa đột biến có tính kháng phổ rộng với các chủng vi khuẩn gây bệnh bạc lá của Việt Nam; tính kháng đã được đánh giá qua 3 thế hệ liên tục để chứng minh sự di truyền ổn định. Điều đặc biệt là các đặc tính nông sinh học cũng như chất lượng của các dòng lúa TBR225 đột biến được duy trì tương tự so với giống gốc ban đầu, khắc phục hoàn toàn nhược điểm của các chương trình chọn giống phân tử tạo giống lúa kháng bệnh bạc lá bằng các phương pháp khác trước đây. Viện cũng đã tạo thành công một số dòng lúa Bắc thơm 7 đột biến gen OsSWEET14 kháng được một trong số hai nhóm chủng vi khuẩn bạc lá Việt Nam.

Phát triển công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp nặng là con đường tất yếu để đưa Việt Nam từ quốc gia đang phát triển thành quốc gia phát triển. Tuy nhiên, điều này kéo theo một số nguy cơ về tác động môi trường, trong đó bao gồm cả việc các diện tích canh tác nông nghiệp bị ô nhiễm kim loại nặng, trong đó nguy hiểm nhất là Asen, Cadmium, và chì.

Để góp phần giải quyết vấn đề này, Viện đã phát triển số dòng lúa TBR225 đột biến gen OsNRAMP5 liên quan tới giảm tích lũy Cadmium (kim loại nặng rất có hại cho sức khỏe con người, vật nuôi và cây trồng). Các dòng lúa đột biến hiện nay đang được đánh giá ở quy mô nhà lưới đánh giá tính hiệu quả. Dòng lúa được phát triển sau này sẽ giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm độc kim loại Cadmium khi lúa được canh tác trên vùng đất có hàm lượng Cadmium cao, góp phần bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

Vấn đề sản xuất ngô từ lâu vẫn là bài toán khó với ngành nông nghiệp do diện tích canh tác ngày càng giảm, nguồn cung chủ yếu đến từ nhập khẩu với kim ngạch nhập khẩu tăng hàng năm. Cùng với đó là sự cạnh tranh khốc liệt của nguồn giống ngô nhập khẩu với các điểm điểm vượt trội so với giống trong nước.

Chính vì vậy, hiện nay, Viện cũng đang nỗ lực sử dụng hệ thống gây đột biến chính xác CRISPR/Cas9 để tạo ra các dòng ngô có số hàng hạt trên bắp tăng nhằm cải tiến năng suất. Mục tiêu của Viện là tạo ra dòng ngô bố mẹ triển vọng có năng suất cao dùng cho các chương trình chọn tạo giống ngô ưu tú sau này. Một số dòng ngô đột biến gen đích ZmCLE7 và ZmCLE1E5 đang được sàng lọc và đánh giá kiểu gen và kiểu hình.

Biến đổi khí hậu đã và đang gây ra những tác động tiêu cực rất lớn cho sản xuất lúa gạo, trong đó bao gồm cả tình trạng khô hạn và nóng. Chọn giống lúa ứng phó biến đổi khí hậu đang là ưu tiên hàng đầu của các chương trình chọn giống của Việt Nam.

Gần đây, các nhà khoa học của Viện đã tạo được một số dòng lúa Bắc thơm 7 đột biến gen OsHSBP1, OsHSBP2 và OsProDH liên quan tới tính chống chịu stress bằng công cụ CRISPR/Cas9. Các dòng lúa này đang được tiếp tục đánh giá về khả năng chống chịu các stress như hạn, mặn, nóng để chứng minh tiềm năng ứng dụng.

Tổng kết lại, đột biến chính xác bằng kĩ thuật CRISPR/Cas là công nghệ tiên tiến đầy triển vọng của nghiên cứu sinh học phân tử nói chung và chọn giống cây trồng nói riêng. Viện Di truyền nông nghiệp với vai trò là đơn vị tiên phong về khoa học công nghệ trong khối VAAS đã làm chủ và ứng dụng thành công công nghệ này trong các nghiên cứu chức năng hệ gen và cải tiến tính trạng cây trồng.

Đây sẽ là hướng nghiên cứu phát triển trọng tâm của Viện trong tương lai, cùng với các mũi nhọn nghiên cứu khác góp phần đưa Viện Di truyền nông nghiệp ngày càng có nhiều sản phẩm hữu ích phục vụ sản xuất cũng như sự nghiệp phát triển chung của khoa học cơ bản nước nhà.