ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHỈNH sửa GEN CRISPR cas TRONG CHỌN tạo GIỐNG cây TRỒNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHỈNH SỬA GEN CRISPR Cas TRONG CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG 1 GIỚI THIỆU Sự phát sinh đột biến ngẫu nhiên có thể làm tăng sự biến đổi di truyền  Hiệu ứng không mong muốn ngoà. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHỈNH SỬA GEN CRISPRCas TRONG CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHỈNH SỬA GEN CRISPR-Cas TRONG CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG 1 GIỚI THIỆU • Sự phát sinh đột biến ngẫu nhiên làm tăng biến đổi di truyền  Hiệu ứng không mong muốn ngồi mục tiêu, dẫn đến giảm suất • Với kỹ thuật chỉnh sửa gen (GE) dựa nuclease cụ thể theo trình tự (SSN)  Đột biến cụ thể locus mục tiêu cần quan tâm GIỚI THIỆU Endonuclease sử dụng để gây đứt gãy sợi kép gen mục tiêu quan tâm Thông qua việc nối kết đầu cuối không tương đồng (NHEJ) sửa chữa theo hướng tương đồng (HDR)  Chèn, xóa, thay tái tổ hợp DNA CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CRISPR-Cas TRONG TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG 2.1 Hệ thống CRISPR-Cas 2.1.1 Tổng quan hệ thống CRISPR-Cas • CRISPR-Cas: cụm xen kẽ với đoạn palindromic ngắn lặp lại – protein liên kết với CRISPR • Một locus CRISPR đặc trưng bởi: − Các đoạn lặp đệm: CRISPR mảng liên tiếp trình tự dài 23-50 bp − Trình tự thủ lĩnh: locus CRISPR nằm phía trình tự thủ lĩnh giàu AT dài 100-350 bp − Cùng với tập hợp gen liên kết với CRISPR gọi cas 2.1.1 Tổng quan hệ thống CRISPR-Cas Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống CRISPR-Cas 2.1.1 Tổng quan hệ thống CRISPR-Cas • Vi khuẩn thiết lập chế bảo vệ tế bào nhận phân biệt DNA ngoại lai với DNA tự thân • Protein cas, locus CRISPR CRISPR RNA (crRNA): thích nghi di truyền chống lại DNA ngoại lai • Yếu tố di truyền phụ gen ngoại lai: trì khả miễn dịch CRISPR • Miễn dịch qua trung gian CRISPR chống lại plasmid, biến đổi DNA mang gen có lợi 2.1.1 Tổng quan hệ thống CRISPR-Cas Hệ thống CRISPR-Cas: • Tích hợp đoạn DNA nhỏ từ nucleic acid ngoại lai vào vị trí CRISPR gen vật chủ • Thu nhận trình tự đệm từ gen xâm nhập tạo thành nhớ di truyền • CRISPR đại diện đoạn lặp lại DNA tìm thấy gen vi khuẩn cổ • CRISPR thường nằm nhiễm sắc thể • Vi sinh vật nội bào khơng có hệ thống CRISPR-Cas 2.1.2 Phân loại hệ thống CRISPR-Cas • Hệ thống CRISPR-Cas phân thành lớp loại: Lớp • Loại I: chứa gen cas3 mã hóa protein lớn với hoạt động helicase DNase riêng biệt • Loại III: chứa module polymerase RAMP • Loại IV: gồm locus CRISPR-Cas thô sơ 2.1.2 Phân loại hệ thống CRISPR-Cas Lớp • Loại II: gồm hệ thống kiểu HNH; cas9 protein đơn, lớn, tạo crRNA phân cắt DNA mục tiêu • Loại V: RuvC domain nhận diện (cas12); Cas12 enzyme nhỏ gọn tạo vết cắt so le sợi đơi DNA • Loại VI: nhận diện hai domain HEPN Rnase; cas13 phân cắt sợi đơn RNA thay DNA 10 2.5 Ứng dụng tạo giống trồng •Cảm ứng đơn bội: Cơng nghệ đơn bội kép ổn định tảng di truyền dòng lai vòng hai hệ để tạo đồng hợp tử 28 2.5 Ứng dụng tạo giống trồng •Tạo dịng bất dục đực: thiết lập bất dục đực theo dòng mẹ cách tiếp cận thiết thực hiệu để loại bỏ hạt đồng hợp tử •Chỉnh sửa gen CRISPR–Cas thực cách nhắm mục tiêu vào bất dục đực (Ms1) Ms45, mã hóa protein chuyển lipid liên kết glycosylphophatidylinositol enzyme tương tự enzyme tổng hợp cleosidine 29 2.5 Ứng dụng tạo giống trồng •Sự cố định ưu lai: Gây apomixis, đường sinh sản vơ tính tự nhiên, giải pháp thay để cố định nguồn gốc lai ưu tú 30 2.6 Ứng dụng tạo giống trồng •Thao tác khơng tương thích tự thân: Thơng qua sửa đổi S-RNase CRISPR–Cas, gen đồng trội chịu trách nhiệm cho tự tương hợp giao tử họ Solanaceae, dòng khoai tây tự tương hợp tạo •Thơng qua đột biến gen farnesyl pyrophosphat synthase 2, CRISPR–Cas có vai trị việc khơi phục khả tự tương hợp sử dụng để phát triển hệ thống nhân giống lai hiệu tạo không hạt có múi 31 2.5 Ứng dụng tạo giống trồng •Các cơng nghệ tạo giống khác: •Phép lai dòng xa thường dẫn đến tượng bất dục lai nghiêm trọng, nguyên nhân tương tác di truyền có hại allele lặn cản trở việc khai thác ưu lai •Sự tái tổ hợp đồng loại trình meiosis xảy vị trí mong muốn, việc nhắm mục tiêu cụ thể vào allele cha mẹ CRISPR-Cas kích hoạt tái tổ hợp tương đồng meiotic vị trí cụ thể 32 2.6 Ứng dụng hóa giống hoang dại • Cà chua dại (Solanum pimpinellifolium) • Có khả chống chịu bệnh đốm vi khuẩn bệnh muối cao • Cần thay đổi số đặc điểm như: kiểu phát triển tràn lan, trái nhỏ, giá trị dinh dưỡng độ dài ngày • Sử dụng CRISPR–Cas để chỉnh đồng thời gen liên quan 33 2.6 Ứng dụng hóa giống hoang dại • Lúa mì dại (Thinopyrum intermediateum): có khả hấp thụ nước chất dinh dưỡng hiệu lúa mì • Tuy nhiên, hạt thường bị vỡ suất thấp, cản trở việc mở rộng trồng trọt 34 2.6 Ứng dụng hóa giống hoang dại • Khoai tây dại (Solanum spp.) có khả chống chịu bệnh mốc sương cao có số đường huyết tốt • Nhưng hàm lượng glycoalkaloid cao kích thước củ nhỏ khiến chúng khơng thích hợp để trồng diện tích lớn 35 2.6 Ứng dụng hóa giống hoang dại • → Việc chỉnh sửa CRISPR–Cas gen tương ứng, khắc phục thiếu sót giống hoang dại tạo dòng với đặc điểm tốt Cây lupin (Lupinus spp.) Cỏ linh lăng (Medicago sativa) Rau má (Thlaspi arvense) 36 2.7 Những nguy trồng chỉnh sửa gen • Mối quan tâm nguy tạo thay đổi di truyền không mong muốn thực vật đột biến ngồi mục tiêu • Các đoạn CRISPR-Cas9 bị phân giải thành DNA phụ chèn vào vị trí khơng mong muốn trình sửa chữa DNA 37 2.7 Những nguy trồng chỉnh sửa gen • Các mối quan tâm khác cơng nghệ CRISPR-Cas9: • Liên quan đến protein Cas9 gây phản ứng miễn dịch phân phối virus liên quan đến adeno thí nghiệm chuột • Lo ngại tính đặc thù Cas9 • Số lượng hạn chế trang web nhắm mục tiêu yêu cầu PAM 38 2.7 Những nguy trồng chỉnh sửa gen • Sự thiếu thông tin đại chúng phân biệt biến đổi gen, chuyển gen chỉnh sửa gen 39 KẾT LUẬN  Với khả chỉnh sửa gen có khơng hai, CRISPR– Cas giúp tạo hàng trăm giống trồng với hiệu suất nông học cải thiện cách mạng hóa cơng nghệ nhân giống  Bên cạnh đó, việc biến đổi trực tiếp số protein ngoại sinh vào thực vật vấn đề, hữu ích tinh chỉnh tảng tiến hóa có định hướng dựa CRISPR–Cas để làm cho chúng phù hợp với hệ thống thực vật 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO • Makarova, K.S., Y.I Wolf and E.V Koonin, 2018 Classification and Nomenclature of CRISPR-Cas Systems: Where from Here? The CRISPR Journal, 1(5): 325-336 • Schenke, D and D Cai, 2020 Applications of CRISPR/Cas to Improve Crop Disease Resistance: Beyond Inactivation of Susceptibility Factors iScience, 23(9): 101478 • Zhu, H., C Li and C Gao, 2020 Applications of CRISPR-Cas in agriculture and plant biotechnology Nature Reviews Molecular Cell Biology, 21(11): 661-677 41 THANK FOR YOUR ATTENTION! 42 ... ỨNG DỤNG CRISPR- Cas TRONG TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG 2.1 Hệ thống CRISPR- Cas 2.1.1 Tổng quan hệ thống CRISPR- Cas • CRISPR- Cas: cụm xen kẽ với đoạn palindromic ngắn lặp lại – protein liên kết với CRISPR. .. động hệ thống CRISPR- Cas 15 2.2 Tiềm CRISPR- Cas chỉnh sửa gen trồng • Chỉnh sửa gen (GE) sở kỹ thuật nhân giống bao gồm gây đột biến hướng oligo (ODM), SSN, ZFN, TALEN,… • CRISPR/ Cas thay đột... sử dụng cho ứng dụng chỉnh sửa gen • Các gen mã hóa hầu hết protein nhỏ SpCas9, lợi cho việc phân phối gen vector virus 21 2.3 Ứng dụng liên quan đến Cas9 loại Cas protein Các loại protein Cas