Ứng dụng CRISPR/Cas chọn tạo giống lúa chống chịu các điều kiện bất lợi

Việt Nam là một trong những nước chịu tác động mạnh bởi các kịch bản biến đổi khi hậu. Cây lúa - loại cây có giá trị kinh tế và an ninh lương thực hàng đầu của nước ta - cũng ngày càng phải chống chịu với nhiều điều kiện bất lợi về môi trường - hay còn gọi là stress - như hạn hán, lũ lụt, ngập mặn, nắng nóng, côn trùng, dịch bệnh...

Khi tổn hao quá nhiều năng lượng vào quá trình chống chịu các điều kiện bất lợi, cây lúa sẽ phát triển kém đi; ngược lại, khi năng lượng tập trung cho quá trình phát triển, cây lúa dễ bị mẫn cảm hơn với các tác nhân stress từ môi trường - TS. Tô Thị Mai Hương, trưởng nhóm Công nghệ Sinh học Thực vật, Khoa Khoa học Sự sống, USTH, cho biết. “Chính vì thế, chúng tôi muốn tìm ra những gen chủ chốt có khả năng giúp cây lúa cân bằng năng lượng giữa quá trình sinh trưởng và phòng thủ, cho năng suất bền vững về lâu dài.”

Nhóm nghiên cứu của TS Hương tiếp cận mục tiêu nghiên cứu bằng phương pháp phân tích di truyền liên kết toàn bộ hệ gen GWAS (Genome - Wide Association Study) - một phương pháp phân tích khá hiện đại. Theo đó, khi muốn tìm hiểu về một tính trạng, người ta sẽ giải trình tự một tập đoàn các cá thể (càng đa dạng càng tốt), rồi đưa ra mô hình phân tích tiên lượng, dự đoán những vùng nào trên bộ gen ảnh hưởng tới tính trạng đó. Phương pháp này ban đầu được áp dụng trên người (từ năm 2007), sau đó được đưa sang áp dụng trên cả thực vật vào khoảng năm 2010.

“Trong hàng trăm, hàng nghìn giống lúa được sưu tập và giải trình tự gen, các nhà nghiên cứu sẽ bỏ qua những vị trí có trình tự giống nhau mà tập trung vào những vị trí có các biến thể khác nhau, hay còn được gọi là SNP, để tìm hiểu xem các biến thể đó qui định các tính trạng như thế nào. Sau đó, các công cụ tin sinh học sẽ giúp xây dựng mô hình phân tích tương quan giữa toàn bộ hệ gen với tính trạng đó, chẳng hạn vùng nào của hệ gen liên kết với tính trạng năng suất, tính trạng mùi thơm hay khả năng chống chịu mặn chẳng hạn” TS Hương giải thích.

Việc sàng lọc các tính trạng số lượng (QTL), các chỉ thị phân tử hay gen ứng viên bằng phương pháp GWAS giúp rút ngắn rất nhiều thời gian so với phương pháp lai truyền thống, tức xây dựng quần thể bố mẹ và lai dần cho đến khi đạt được kết quả mong muốn. “Nhiều khi phải mất 6-10 năm để tạo ra giống mới, rồi còn phải khảo nghiệm xem giống mới thích nghi với những vùng nào. Trong quá trình đó, hoàn toàn có thể xuất hiện những tác nhân stress mà giống mới không kiểm soát được.” Chưa kể, sàng lọc trên cơ sở rà soát toàn bộ hệ gen cũng đem lại cái nhìn tổng thể hơn và đầy đủ hơn về bản chất cơ chế điều khiển các tính trạng, từ đó giúp kiểm soát tận gốc các tính trạng quan tâm.

Trong các nghiên cứu của mình, TS Hương cùng các cộng sự tìm hiểu khả năng chống chịu của cây lúa Việt Nam đối với một số điều kiện stress phi sinh học - bao gồm hạn, mặn, thiếu hụt dinh dưỡng … - dựa trên bộ dữ liệu giải trình tự gen của khoảng 200 giống lúa bản địa thuộc các vùng địa lý khác nhau từ Bắc tới Nam và các hệ sinh thái khác nhau (đồi núi, ngập mặn, vùng tưới tiêu tự nhiên, vùng trũng…).

Các nghiên cứu này cũng tập trung vào vai trò của Jasmonic acid – một hormon thực vật tham gia vào mọi khía cạnh của quá trình cây lúa phát triển, trong đó có việc điều hòa các phản ứng đối với các stress sinh học và phi sinh học. “Khi gặp điều kiện bất lợi, cây lúa sản sinh một hormon phòng vệ là Jasmonic acid. Hormon này được vận chuyển trong cây và phát những tín hiệu cảnh báo để cây kích hoạt cơ chế phòng vệ - có thể là sản sinh ra hợp chất thứ cấp để chống chịu hoặc khởi động biểu hiện gen để vượt qua bất lợi đó,” TS Hương giải thích.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế thí nghiệm dùng các điều kiện bất lợi nhân tạo, quan sát sự biến thiên của chúng, đo đạc và ghi lại tất cả các thông số rồi sử dụng mô hình tính toán để xác định những vùng trên hệ gen đóng vai trò nổi bật trong việc giải mã tín hiệu Jasmonic acid ở cây lúa. Tiếp theo, nhóm đã và đang phát triển một nền tảng chuyên về chỉnh sửa gen, tạo ra đột biến trên cây lúa. Hiện nhóm đang trong giai đoạn phân tích các cây chỉnh sửa gen ở các thế hệ để nghiên cứu đường hướng Jasmonic acid.

“Công nghệ CRISPR/Cas còn gây tranh cãi khi áp dụng trên người, nhưng với ứng dụng trên thực vật, nhất là để nghiên cứu chức năng gen trong phòng thí nghiệm, thì đây là một phương pháp rất mạnh, nhanh hơn phương pháp truyền thống như sử dụng đột biến bằng chiếu xạ, đột biến hóa chất, T-DNA, hay RNA bất hoạt,” TS Mai Hương cho biết. “Khác với biến đổi gen thông thường vẫn để lại các trình tự gen ngoại lai (transgene), chỉnh sửa gen không để lại dấu vết mà tạo ra những đột biến giống như những đột biến tự nhiên xuất hiện sau rất nhiều thế hệ để thích nghi với môi trường.”

Các nghiên cứu của TS Hương và cộng sự được triển khai thuận lợi trong khuôn khổ đề tài khai thác đa dạng sinh học của cây lúa do NAFOSTED tài trợ và có sự kế thừa từ các nghiên cứu hợp tác trước đó giữa USTH với Viện Nghiên cứu phát triển IRD (Pháp), Trường Đại học Montpellier (Pháp), Viện Di truyền Nông nghiệp, và Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế IRRI.

Từ hướng nghiên cứu này, nhóm của chị đã công bố 3 bài báo quốc tế, trong đó có 1 bài về phương pháp GWAS trên tạp chí RICE (ISI Q1); 1 chương sách về phương pháp chỉnh sửa gen sinh tổng hợp Jasmonic acid OsAOC bằng công nghệ CRISPR/Cas9 trong ấn phẩm "Các phương pháp nghiên cứu trong Sinh học phân tử" của NXB Springer Nature; 1 nghiên cứu tổng quan về vai trò của Jasmonic Acid trên cây lúa trên tạp chí Plants (Scopus Q1); 2 bài báo trên tạp chí Công nghệ Sinh học của Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam và 1 kỷ yếu hội nghị quốc gia. Ngoài ra, nhóm còn 2 bản thảo về nghiên cứu sử dụng GWAS đã được gửi tới 2 tạp chí ISI uy tín và đang trong quá trình chỉnh sửa, sau khi hoàn thành quá trình phản biện kín.

Đề tài do NAFOSTED tài trợ đến hết năm nay là kết thúc nhưng TS Hương cho biết, chị hy vọng được tiếp tục theo đuổi hướng nghiên cứu này vì muốn tìm hiểu sâu hơn về cơ chế điều hòa các gen để cây lúa có khả năng đáp ứng với các stress. “Đây là dạng nghiên cứu cơ bản, để nói là ứng dụng ngay thì khó nhưng nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới vẫn đi con đường này vì nó hiệu quả về lâu dài.”

Những giới hạn về dữ liệu và công cụ

Theo TS Tô Mai Hương, Việt Nam hiện có khoảng từ 6 nghìn đến 10 nghìn giống lúa bản địa, muốn khai thác giá trị của sự đa dạng này thì số giống lúa cần được giải trình tự phải nhiều hơn con số 200 rất nhiều và độ sâu của dữ liệu giải trình tự cũng phải cao hơn. “Phân tích kiểu hình hiện giờ của chúng tôi vẫn theo các phương pháp định lượng thông thường, dựa trên những phần mềm đo đếm đơn giản chứ chưa phải là những thuật toán phân tích ảnh tự động sử dụng phương pháp học máy, những hệ thống giải trình tự hiệu năng cao cũng như những hệ thống phân tích các chất chuyển hóa cực kỳ chính xác. Mình bị giới hạn bởi dữ liệu và công cụ - những nút thắt mà giải quyết được, nghiên cứu sẽ được đẩy lên một tầm khác.”

GWAS hay CRISPR/Cas đều là những tiếp cận mang tính liên ngành, bởi vậy đòi hỏi nhà nghiên cứu phải có nhiều hơn một năng lực chuyên môn. “Việc xây dựng mô hình tiên lượng cần có sự kết hợp của sinh học, tin học và toán học để cùng giải quyết một vấn đề,” TS Hương nói.

Bản thân TS Hương ban đầu theo học ngành công nghệ sinh học nhưng như chị chia sẻ, từ hồi còn là sinh viên ĐH Bách khoa Hà Nội, chị đã thích học về mô hình, vốn sử dụng rất nhiều hiểu biết toán học. Năm 2013, khi về nước và tham gia Phòng thí nghiệm LMI-RICE của GS Pascal Gantet, Trưởng khoa Khoa học sự sống ở USTH, chị nhận thấy rõ xu hướng phát triển mạnh mẽ của tin sinh học, từ đó càng cố gắng không bỏ lỡ cơ hội nào tham gia các khóa học liên quan đến giải trình tự hệ gen, giải trình tự ARN, và phân tích dữ liệu lớn.

“Nếu học để trở thành chuyên gia tin sinh hay người phát triển phần mềm thì rất khó, không phải người trái ngành nào cũng theo được. Nhưng ở đây mình chỉ học để biết cách ứng dụng và biết cần tìm ai để hợp tác thôi,” chị giải thích. “Chẳng hạn, những bài toán về xử lý ảnh của chúng tôi đều được chuyển sang nhóm nghiên cứu về công nghệ thông tin để họ giúp.”

Tin vui, theo chị Hương là, các khóa tập huấn và workshop về mảng tin sinh rất nhiều. “Viện Pasteur, Đơn vị nghiên cứu lâm sàng ĐH Oxford (OUCRU) ở Bệnh viện Bệnh Nhiệt đới Trung ương, và Viện Vệ sinh Dịch tễ thường xuyên tổ chức các khóa ngắn ngày cực kỳ hay do các chuyên gia nước ngoài giảng dạy. Nếu biết cách tận dụng thì nhà nghiên cứu không thiếu cơ hội để update bản thân và biết được các nhóm nghiên cứu khác đang làm gì.”

Với cây lúa, TS Hương mong muốn tìm ra những yếu tố chủ chốt điều hòa quá trình phát triển và phòng thủ. Tương tự như vậy, trong cuộc sống, chị cũng luôn phải tìm cách duy trì sự hài hòa giữa công việc và gia đình - một vấn đề không kém phần thách thức.“Phụ nữ làm nghiên cứu sẽ luôn bị nhắc nhở là ham mê công việc vừa thôi, kẻo bỏ bê gia đình. Nhưng quả là không dễ, vấn đề của mình là khi bị cuốn vào công việc rồi thì rất khó đứng dậy nếu công việc còn đang dang dở,” chị thừa nhận, không giấu được vẻ áy náy.