CRISPR sẽ giải cứu châu Mỹ khỏi nấm chuối?

Các nhà nghiên cứu đang sử dụng công cụ chỉnh sửa gen để tăng khả năng phòng thủ của chuối và ngăn chặn sự tuyệt chủng của một giống chuối thương mại lớn.

Colombia đã tuyên bố tình trạng khẩn cấp quốc gia vào ngày 8 tháng 8 sau khi kết quả từ phòng thí nghiệm xác nhận sự hiện diện của loại nấm này, được gọi là nấm Fusarium gây héo các cây nhiệt đới (TR4), trong biên giới quốc gia này. Đây là lần đầu tiên TR4 xuất hiện ở Châu Mỹ.

Viện Nông nghiệp Colombia (ICA), một cơ quan liên bang được giao nhiệm vụ giám sát sức khỏe nông nghiệp ở nước này, nói rằng cho đến nay khoảng 175 ha đã bị ảnh hưởng. Cuộc đua thiết kế "chuối thế hệ mới" đang diễn ra ở châu Mỹ kể từ thông báo này và yêu cầu tạo ra loại chuối có thể chống chịu được loại nấm này đang cấp bách hơn bao giờ hết.

"Dịch bệnh này [TR4] phát triển chậm, do đó [việc lây lan] sẽ mất một thời gian", Randy Ploetz, một nhà nghiên cứu bệnh học thực vật tại Đại học Florida ở Homestead cho biết. "Nhưng cuối cùng sẽ dẫn đến việc không thể sản xuất chuối Cavendish cho thương mại quốc tế".

Chủng TR4 - bắt đầu tàn phá chuối Cavendish ở châu Á vào những năm 1990, sau đó lan sang Úc và tiếp theo là châu Phi - lây nhiễm cho cây chuối qua rễ và lây lan khắp hệ thống mạch, làm cây thiếu nước và dinh dưỡng. Nấm này có thể lây truyền do cây bị nhiễm bệnh di chuyển từ vùngnày sang vùng khác hoặc qua nước và đất.

Các nhà khoa học đang tìm nhiều phương pháp để cứu chuối. Một nhóm nghiên cứu ở Úc đã đưa một gen từ chuối hoang dã vào giống thương mại hàng đầu ở châu Mỹ - được gọi là chuối Cavendish - và hiện đang thử nghiệm những quả chuối biến đổi này trong các thử nghiệm thực địa.

Các nhà nghiên cứu cũng đang chuyển sang công cụ chỉnh sửa gen mạnh mẽ và chính xác - CRISPR - để tăng khả năng phục hồi của chuối Cavendish, chống lại loại nấm nấm Fusarium gây héo các cây nhiệt đới (TR4) vừa xâm nhập châu Mỹ.

Nhân giống gen kháng TR4 vào chuối Cavendish bằng các phương pháp thông thường là không thể, bởi vì giống này được "triệt sản" và nhân giống bằng cách nhân bản. Vì vậy, cách duy nhất để cứu chuối Cavendish có thể là điều chỉnh bộ gen, Randy Ploetz, nhà nghiên cứu bệnh học thực vật tại Đại học Florida ở Homestead cho biết. Chuối Cavendish đang chiếm 99% lượng chuối vận chuyển trên toàn cầu.

James Dale, nhà công nghệ sinh học tại Đại học Công nghệ Queensland ở Brisbane, Úc, bắt đầu nhận được câu hỏi về chuối biến đổi gen (GM) vào tháng 7, khi xuất hiện những tin đồn đầu tiên rằng TR4 đã đến Colombia. Sau đó, Colombia tuyên bố tình trạng khẩn cấp quốc gia, theo ông Dale, "giờ đây sự quan tâm về chủ đề này đang bùng nổ".

Đây là lần đầu tiên một giống chuối thương mại đối mặt với sự tuyệt chủng. Vào nửa đầu những năm 1900, một chủng nấm Fusarium khác có tên TR1 gần như đã xóa sổ giống chuối hàng đầu lúc bấy giờ, chuối Gros Michel. Chuối Cavendish lúc đó là phương án dự phòng, vì có khả năng kháng TR1 và đủ cứng để chịu được việc xử lý trong quá trình xuất khẩu và có kết cấu và hương vị được chấp nhận rộng rãi. Đến thập niên 1960, những nhà sản xuất chuối lớn như Chiquita, hiện có trụ sở tại Fort Lauderdale, Florida, cũng đã chuyển sang trồng chuối Cavendish.

Lần này không còn loại chuối nào thay thế được cho Cavendish. Rodomiro Ortiz, nhà di truyền thực vật tại Đại học Khoa học Nông nghiệp Thụy Điển ở Alnarp, nói rằng không có loài chuối tự nhiên nào có những phẩm chất khiến Cavendish trở nên phổ biến và khả năng chống lại TR4.

Và loại nấm TR4 này là một thách thức. Nó không thể bị giết chết bằng thuốc diệt nấm và có thể tồn tại trong đất tới 30 năm. Các nỗ lực cách ly có thể làm chậm tốc độ lây lan của nấm, và Colombia đang làm mọi cách có thể, nhưng khi TR4 đã lây lan đến đâu thì nó gần như không thể bị diệt trừ. Những đặc tính này đã giúp TR4 từ từ lan rộng khắp thế giới, có thể bằng cách quá giang trên các thiết bị ô nhiễm hoặc trong đất.

Chủng TR4 bắt đầu phá hủy cây chuối vào những năm 1990 ở châu Á trước khi xâm chiếm Úc và các nước ở Trung Đông và châu Phi. Bây giờ TR4 đã đến ở châu Mỹ và các nhà nghiên cứu nói rằng Cavendish có thể gần như tuyệt chủng trong vài thập kỷ tới, trừ khi giống này được chỉnh sửa gen để có thể chống lại nấm.

Nhóm của Dale đã tập trung vào việc thay đổi cây Cavendish bằng cách chèn một gen từ chuối dại Musa acuminate malaccensis có khả năng kháng TR4. Sau khi công bố kết quả đầy hứa hẹn vào năm 2017 từ một thử nghiệm nhỏ, ông đã bắt đầu một nghiên cứu lớn hơn 15 tháng trước. Dale và các đồng nghiệp của ông đã trồng Cavendish biến đổi gen trên nửa hecta đất bị nhiễm TR4 ở miền bắc Australia. Những quả chuối chuyển gen đang khỏe mạnh, Dale nói, trong khi khoảng một phần ba số chuối thông thường mà ông trồng để so sánh đã bị nhiễm nấm.

Dennis dự định nộp đơn xin các cơ quan quản lý của Úc phê duyệt để đưa ra thị trường một quả chuối Cavendish biến đổi gen sau khi nghiên cứu kết thúc vào năm 2021. Nhưng không thể dự đoán liệu các quan chức có chấp thuận, hay thời gian phê duyệt có thể kéo dài bao lâu.

Ngay cả khi chuối biến đổi gen của Dale được chấp thuận, việc bán chúng có thể là một vấn đề. Cây trồng biến đổi gen từ lâu đã phải đối mặt với sự bài trừ công khai trên khắp thế giới, đặc biệt là ở châu Âu.

"James có những quả chuối tuyệt vời dường như gần như miễn dịch với TR4", Ploetz nói. "Tuy nhiên, liệu người tiêu dùng có mua những thứ này hay không là một vấn đề khác".

Trong nỗ lực làm cho chuối công nghệ sinh học trở nên "ngon miệng" hơn đối với các nhà quản lý và nhận được sự chấp thuận, Dale cũng đang chỉnh sửa bộ gen Cavendish với CRISPR để tăng khả năng phục hồi của nó lên TR4, thay vì chèn các gen ngoại lai. Cụ thể, ông đang cố gắng bật một gen kháng TR4 có trong Cavendish nhưng không hoạt động - gen mà ông đã xác định được ở chuối dại M. acuminate. Nhưng công việc vẫn đang ở giai đoạn đầu. "Một vài năm nữa hướng nghiên cứu này mới có thể đi vào thử nghiệm", Dale nói.

Các nhà nghiên cứu khác đang sử dụng CRISPR để tăng cường miễn dịch của Cavendish, theo những cách khác nhau.

Leena Tripathi, nhà sinh học phân tử tại Viện Nông nghiệp Nhiệt đới Quốc tế ở Nairobi, Kenya, đang sử dụng công cụ chỉnh sửa gen để triệt tiêu các gen trong Cavendish dường như khiến cây dễ bị nhiễm TR4. Cho đến nay, cô chỉ chỉnh sửa mô Cavendish trong phòng thí nghiệm. Bước tiếp theo sẽ là phát triển mô thành cây con, và sau đó xem liệu cây có sống được khi tiếp xúc với TR4 hay không. Các nhà nghiên cứu ở Philippines đã đề nghị giúp kiểm tra Cavendish đã chỉnh sửa của Tripathi ở nước họ; TR4 có mặt ở đó, nhưng không có ở Kenya.

Và một công ty khởi nghiệp công nghệ sinh học, Tropic Bioscatics ở Norwich, UK, đang cố gắng sử dụng CRISPR để tăng cường hệ thống miễn dịch Cavendish. Tất cả thực vật sản xuất các chuỗi RNA nhỏ kiểm soát hoạt động của một số gen của chính chúng. Và các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng một số chuỗi RNA này đôi khi có thể ngăn chặn các gen trong mầm bệnh, làm tê liệt những "kẻ xâm lược". Công ty công nghệ sinh học đang sử dụng CRISPR để chỉnh sửa các chuỗi RNA trong Cavendish để chúng làm im lặng hoặc "tắt" các gen trong TR4.

Nhưng vẫn chưa rõ các nhà quản lý trên thế giới sẽ phản ứng thế nào với chuối chỉnh sửa gen.

Năm 2016, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ quyết định không hợp thức hóa một loại nấm có bộ gen được chỉnh sửa bằng CRISPR, cho thấy họ có thể đối xử với chuối đã được chỉnh sửa theo cách tương tự.

Các chính phủ Colombia, Chile, Brazil, Nhật Bản và Israel đưa ra những tuyên bố chính thức cho thấy họ cũng có thể cởi mở đối với các loại cây trồng do CRISPR chỉnh sửa. Tuy nhiên, Liên minh châu Âu cho biết họ sẽ đánh giá các loại cây trồng được chỉnh sửa gen nghiêm ngặt như các loại thực phẩm biến đổi gen khác.

Ortiz ủng hộ các nỗ lực kỹ thuật của các nhà nghiên cứu, nhưng ông cảnh báo không nên chỉ tập trung vào một giải pháp công nghệ sinh học khi ứng phó với TR 4. Có hơn một ngàn loại chuối khác ngoài Cavendish, ông nói. Họ không sản xuất sản lượng lớn như Cavendish, cũng như khó vận chuyển hơn, hoặc không có hương vị tương tự, nhưng Ortiz nói rằng các công ty chuối thương mại có thể thử tạo ra một thị trường cho các giống thay thế này.

"Chúng ta nên khai thác sự đa dạng có sẵn", ông nói, "và xây dựng một chiến dịch tiếp thị cho các loại chuối khác".