CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) là một trong những công nghệ chỉnh sửa gen hiện đại nhất hiện nay. Trong đó, CRISPR-Cas9 được xem là công nghệ quan trọng nhất, khởi đầu của kỷ nguyên công nghệ sinh học mới, giúp chỉnh sửa thông tin di truyền của mọi tế bào một cách nhanh chóng và chính xác. Bài viết giới thiệu triển vọng ứng dụng công nghệ này trong chọn tạo giống cây trồng, vật nuôi theo định hướng cải thiện chất lượng và tăng tính chống chịu tại Việt Nam.
khoa học - công nghệ đổi sáng tạo Triển vọng ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gen (CRISPR/Cas) phục vụ chọn tạo giống trồng, vật nuôi Việt Nam PGS.TS Phạm Cơng Hoạt1, PGS.TS Nguyễn Thị Bích Ngọc2, ThS Phạm Lê Anh Tuấn3, TS Lê Huỳnh Thanh Phương4, TS Phạm Văn Tiềm1 Bộ Khoa học Công nghệ Viện Công nghệ Sinh học Trường Đại học Y Hà Nội Học viện Nông nghiệp Việt Nam CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) công nghệ chỉnh sửa gen đại Trong đó, CRISPR-Cas9 xem cơng nghệ quan trọng nhất, khởi đầu kỷ nguyên công nghệ sinh học mới, giúp chỉnh sửa thông tin di truyền tế bào cách nhanh chóng xác Bài viết giới thiệu triển vọng ứng dụng công nghệ chọn tạo giống trồng, vật nuôi theo định hướng cải thiện chất lượng tăng tính chống chịu Việt Nam CRISPR/cas9 - “chiếc kéo phân tử” đa CRISPR/Cas hệ thống đáp ứng miễn dịch tế bào vi khuẩn, phát thập niên 80 kỷ trước Hệ thống quan tâm phát triển mạnh mẽ sau thành công việc chỉnh sửa hệ gen vào năm 2013 Với ưu điểm dễ dàng thiết kế sử dụng, độ xác cao , CRISPR/Cas xem hệ thống có hiệu vượt trội so với hệ thống chỉnh sửa gen trước Hệ thống phát triển ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực nghiên cứu chức gen, điều hòa hoạt động hệ gen, liệu pháp điều trị bệnh người động vật, tăng cường suất chất lượng trồng, vật nuôi Với ưu điểm dễ dàng thiết kế ứng dụng, đồng thời hiệu chỉnh sửa gen cao, hệ thống CRISPR/Cas ứng dụng rộng rãi nhiều đối tượng nghiên cứu khác vi sinh vật, thực vật, động vật tế bào người Trên người, CRISPR/Cas9 ứng dụng nghiên cứu điều trị bệnh Leukaemia, AIDS bệnh liên quan đến ung thư Các nghiên cứu động vật nhằm tăng cường khả chống chịu với bệnh hại, tăng suất sản lượng vật nuôi, nâng cao chất lượng sữa Công nghệ nghiên cứu ứng dụng đối tượng vi sinh vật nhằm phục vụ sản xuất thuốc, phát triển vật liệu mới, tăng cường hiệu sản xuất nhiên liệu sinh học [1] Số lượng công bố khoa học liên quan đến hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas có tăng vọt năm gần Năm 2012 có 100 báo cáo ứng dụng CRISPR/Cas9 chỉnh sửa hệ gen, số tăng lên đến 2.000 vào năm 2017, khẳng định hấp dẫn, tính hiệu tiềm công nghệ Không dừng lại đó, nhà khoa học tiếp tục cải tiến phát triển hệ thống nhằm phục vụ nghiên cứu sâu biểu gen, điều hịa hoạt động gen, nâng cao tính đặc hiệu hệ thống, tạo hệ protein Cas9 [2] Trên đối tượng thực vật, hệ thống CRISPR/Cas9 ứng dụng thành cơng chỉnh sửa hệ gen nhiều lồi thực vật khác nhau, bao gồm loại mầm Hệ thống CRISPR/ Cas9 tạo đột biến theo định hướng, tác động tới nhiều gen lúc đặc biệt đột biến tạo không mang theo trình tự DNA ngoại lai hệ gen [3] Do vậy, công nghệ chỉnh sửa hệ gen thông qua hệ thống CRISPR/Cas9 xem Soá 1+2 năm 2020 61 Khoa học - Cơng nghệ đổi sáng tạo phương pháp hiệu xác sử dụng chọn tạo giống trồng Trong cơng bố gần đây, hàng loạt tính trạng quý tạo sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 như: nâng cao chất lượng nông sản, tăng tính kháng virus, vi khuẩn, nấm, thuốc trừ cỏ ; tăng tính chống chịu điều kiện ngoại cảnh bất lợi bao gồm hạn hán, lạnh, mặn, thiếu dinh dưỡng [4] Tính đến thời điểm tại, loại trồng gồm cải dầu (canola), ngô nấm với tính trạng q tạo cơng nghệ chỉnh sửa hệ gen CRISPR/Cas đánh giá thử nghiệm cho sản xuất Trong lĩnh vực chọn tạo giống trồng, CRISPR/Cas áp dụng thành công việc tạo đột biến tiềm trình tự gen mong muốn Với phương pháp tạo đột biến truyền thống sử dụng phóng xạ hay hóa chất, đột biến tạo hồn tồn ngẫu nhiên khơng thể kiểm soát Tuy nhiên, hệ thống CRISPR/Cas9, đột biến tạo xác vị trí định hướng Đột biến tạo gen hay nhiều gen, chí họ gen khác Hiện nay, phát triển nguồn liệu hệ gen nhiều loài thực vật mở tiềm to lớn cải tạo giống sử dụng hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas Hệ thống nghiên cứu, ứng dụng nhằm nâng cao suất, chất lượng trồng, tăng cường khả chống chịu với sâu bệnh điều kiện ngoại cảnh bất lợi tạo đặc điểm tính trạng cho trồng Đặc biệt, dịng mang tính trạng nông học quý tạo 62 công nghệ không chứa đựng đoạn ADN ngoại lai hệ gen nên không xem trồng biến đổi gen sử dụng giống trồng tạo phương pháp truyền thống Ứng dụng CRISPR/cas9 Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ chỉnh sửa hệ gen sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 tiếp cận, ứng dụng triển khai vào thực tiễn số đơn vị bước đầu mang lại kết khả quan Tại Viện Di truyền Nông nghiệp, kết nghiên cứu phân lập gen thiết kế vector biểu gen Viện triển khai nhằm tạo nguồn vật liệu di truyền cho nghiên cứu chuyển gen, tạo trồng biến đổi gen có khả chống chịu với điều kiện bất lợi Viện phân lập 19 gen điều khiển tăng cường tính chịu hạn phục vụ nghiên cứu tạo giống trồng chuyển gen chịu hạn xây dựng quy trình chuyển gen vào giống lúa Indica (PB1), Japonica (J02), ngô, đậu tương thuốc Tại Viện Cơng nghệ Sinh học, Số 1+2 năm 2020 khuôn khổ đề tài hợp tác quốc tế dự án nước, hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas xây dựng ứng dụng thành công số trồng quan trọng đậu tương, thuốc lá, đu đủ Xuất phát từ đòi hỏi thực tế sản xuất Việt Nam cần thiết phải có giống đu đủ cam quýt kháng bệnh, nhóm nhà khoa học Viện thực đề tài “Nghiên cứu tạo giống ăn kháng bệnh virus phổ rộng chuyển gen đa đoạn” Kết quả, tách dịng xác định trình tự thành công đoạn gen CP, Nib PRSV; CP, CPm RDRP CTV; hồn thiện quy trình đánh giá chuyển gen kháng virus phịng thí nghiệm nhà lưới; tạo đu đủ chuyển gen kháng bệnh đốm vòng cam quýt kháng bệnh tàn lụi Hiện tại, nhóm nghiên cứu Phịng Cơng nghệ tế bào thực vật Viện thành công ứng dụng hệ thống CRISPR/Cas9 tạo đột biến gen đậu tương thuốc Kết cho thấy hiệu suất tạo đột biến cao (>90% với đậu tương, 20-40% với thuốc lá) khoa học - cơng nghệ đổi sáng tạo Ngồi ra, đột biến tạo đơn gen, đa gen di truyền ổn định qua hệ Kết phân tích cho thấy, đột biến tạo thông qua CRISPR/Cas9 không ảnh hưởng tới khả sinh trưởng, phát triển đậu tương thuốc so với giống gốc Thông qua việc thực đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thị phân tử chỉnh sửa hệ gen chọn tạo giống lúa suất, chất lượng, chống chịu sâu bệnh bất lợi ngoại cảnh” thuộc Chương trình đổi cơng nghệ quốc gia đến năm 2020, Cơng ty Cổ phần Giống trồng Thái Bình góp phần quan trọng đẩy mạnh việc ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gen số giống lúa Công ty như: biểu promoter/ gen mục tiêu liên quan đến tính kháng bệnh/cơ chế xâm nhiễm mầm bệnh (bạc lá/đạo ôn); xây dựng thành cơng quy trình chuyển gen vào giống lúa chủ lực (TBR225/BC15 - giống lúa bị úng vài ngày cần cịn dẻ, hay gốc lúa đẻ thành khóm lúa to, cho suất cao cơm ngon); đánh giá, chọn lọc hệ G0 để nhân trì hạt giống A17 vụ mùa; chọn lọc đánh giá dòng G1 giống A17, A22 vụ xuân Tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam, thông qua việc thực đề tài độc lập cấp quốc gia “Nghiên cứu cải tạo bò vàng Việt Nam theo hướng chuyên thịt công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas 9”, nhà khoa học nước làm chủ quy trình tạo phơi bị mang gen MSTN chỉnh sửa; tạo 500 phơi bị thụ tinh ống nghiệm có tỷ lệ chỉnh sửa gen tối thiểu 5%, có 20 phơi (dâu nang) chỉnh sửa công nghệ CRISPR/ Cas9; lai tạo thành công bê mang gen MSTN chỉnh sửa, giúp tăng lượng tối thiểu 15% sau 12 tháng… Bên cạnh đó, Học viện nghiên cứu chọn tạo giống lúa có đa tính trạng ưu việt: thời gian sinh trưởng ngắn, suất cao >7,0 tấn/ha, chất lượng tốt (gạo trong, tỷ lệ gạo nguyên cao >55%, hàm lượng amylose trung bình thấp từ 18-22%, có mùi thơm), chống chịu tốt với nhiều loại sâu bệnh (rầy nâu, bạc lá, đạo ôn khơ vằn), thích ứng rộng, chống chịu với hạn mặn; nghiên cứu tương tác nhóm vùng gen genome lúa, tiến tới tạo giống lúa lý tưởng, đa dụng, rơm rạ dùng làm thức ăn cho gia súc sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol), gạo vừa làm thực phẩm vừa làm thuốc chứa anthocyanin, chất chống xy hóa, phịng chống bệnh ung thư, phục vụ xã hội Hiện tại, nhà khoa học Học viện tiến hành nghiên cứu sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 tạo đột biến định hướng gen IAA9 cà chua nhằm tạo dịng cà chua mang đặc điểm tính trạng dịng không hạt… Những kết bước đầu đạt số đơn vị cho thấy khả làm chủ kỹ thuật công nghệ chỉnh sửa hệ gen tiềm ứng dụng công nghệ Việt Nam Thành công bước đầu mở rộng khả trao đổi thông tin, kỹ thuật nâng cao kết nối đơn vị, trung tâm nghiên cứu, sở đào tạo nước nhằm thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ chọn tạo giống trồng, vật nuôi Thay lời kết Ở nước ta, công nghệ chỉnh sửa gen lĩnh vực mẻ Đẩy mạnh hướng nghiên cứu này, tạo giống trồng (lúa) có sức chống chịu dịch bệnh, chống chịu điều kiện bất lợi cao, thích ứng với mơi trường khắc nghiệt; tạo giống vật nuôi bị vàng, có hệ phát triển, khối lượng tỷ lệ thịt xẻ tăng mà không làm ảnh hưởng đến ưu việt giống bị (tính mắn đẻ, khả chống chịu tốt với bệnh tật điều kiện bất lợi từ thời tiết, chăn thả dễ dàng ), đồng thời giúp giảm đáng kể chi phí nhập giống góp phần bảo tồn giống bò địa… ? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P.D Hsu, D.A Scott, J.A Weinstein, F.A Ran, S Konermann, V Agarwala, Y Li, E.J Fine, X Wu, O Shalem (2013), “DNA targeting specificity of RNA-guided Cas9 nucleases”, Nat Biotechnol., 31, pp.827-832 [2] J Song, D Yang, J Xu, T Zhu, Y.E Chen, J Zhang (2016), “RS-1 enhances CRISPR/Cas9-and TALENmediated knock-in efficiency”, Nat Commun., 7, p.10548 [3] L Arora, A Narula (2017), “Gene editing and crop improvement using CRISPR-Cas9 system”, Plant Science, 8, p.1932 [4] D Jaganathan, K Ramasamy, G Sellamuthu, S Jayabalan, G Venkataraman (2018), “CRISPR for crop improvement: An update review”, Plant Science, 9, p.16786 Số 1+2 năm 2020 63 ... q tạo 62 công nghệ không chứa đựng đoạn ADN ngoại lai hệ gen nên không xem trồng biến đổi gen sử dụng giống trồng tạo phương pháp truyền thống Ứng dụng CRISPR/cas9 Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ. .. nước nhằm thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ chọn tạo giống trồng, vật nuôi Thay lời kết Ở nước ta, cơng nghệ chỉnh sửa gen lĩnh vực cịn mẻ Đẩy mạnh hướng nghiên cứu này, tạo giống trồng (lúa) có... biến tạo xác vị trí định hướng Đột biến tạo gen hay nhiều gen, chí họ gen khác Hiện nay, phát triển nguồn liệu hệ gen nhiều loài thực vật mở tiềm to lớn cải tạo giống sử dụng hệ thống chỉnh sửa gen