Thiết kế cấu trúc CRISPR/CAS9 nhằm gây đột biến trên promoter của gen ZmCLE7 ở một số giống ngô Việt Nam

Ngô (Zea mays) là một trong những cây trồng chiến lược, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lương thực cho người và thức ăn cho chăn nuôi tại Việt Nam cũng như trên toàn thế giới. Tuy nhiên, ngành trồng ngô đang đối mặt với thách thức lớn từ biến đổi khí hậu toàn cầu, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự sinh trưởng và năng suất. Để đáp ứng nhu cầu lương thực trong tương lai, việc nâng cao năng suất trên mỗi đơn vị diện tích trở thành yêu cầu cấp thiết đối với công tác chọn tạo giống ngô. Việc phát triển các giống ngô năng suất cao được xem là giải pháp then chốt, không chỉ giúp tăng thu nhập cho nông dân, đảm bảo an ninh lương thực mà còn góp phần bảo vệ môi trường và thực hiện thành công chiến lược phát triển nông nghiệp bền vững, giá trị gia tăng cao của Việt Nam.

Trong các nghiên cứu trước đây, chiều dài bắp (EL), số hàng hạt (ERN), đường kính bắp (ED), số hạt trên hàng (KNR), tỷ lệ phần trăm hạt (KP) và trọng lượng hạt trên mỗi bắp (KWE) được biết là những tính trạng quan trọng liên quan đến cấu thành năng suất ngô. Trong đó, việc tăng số lượng hàng hạt/bắp và cân bằng giữa đường kính và chiều dài lõi là mục tiêu chính của hầu hết các chương trình chọn giống để cải thiện năng suất ngô. Kích thước bắp ngô được xác định trong quá trình phát triển, trong đó mô phân sinh chồi hoa (inflorescence meristems, IM) được nhân lên để tạo ra các mô phân sinh cụm hoa và hoa nhỏ mà sau đó sẽ trở thành các hạt sau khi thụ phấn. Do đó, số hạt trên mỗi bắp phụ thuộc vào hoạt động IM và hoạt động của IM được duy trì bởi con đường dẫn truyền tín hiệu khống chế qua lại giữa CLAVATA (CLV) và WUSCHEL(WUS), được phát hiện ở Arabidopsis. Khi yếu tố phiên mã WUS biểu hiện ở trung tâm mô phân sinh, biểu hiện của peptide CLV3 sẽ thúc đẩy và CLV3 lại quay ra liên kết với thụ thể CLV1 để ức chế biểu hiện WUS, duy trì số lượng nhất định của mô phân sinh hoa nhỏ.

Ở ngô, protein tương tự CLV3 bao gồm: EmBRYO SURROUNDING REGION-RELATED7 (ZmCLE7) và ZmFON2-LIKE CLE PROTEIN1 (ZmFCP1). Đột biến các gen CLE giúp cải thiện năng suất thông qua gia tăng biểu hiện các gen liên quan đến kích thước của cả hoa và quả. Trên ngô, trong số 49 gen CLE được xác định, ZmCLE7, ZmFCP1 và ZmCLE5 là các gen được đặc biệt quan tâm. Gần đây, một số nghiên cứu đã cho thấy việc tác động vào vùng promoter của ZmCLE7 và ZmFCP1 đã thay đổi biểu hiện của hai gen này và làm tăng số hàng hạt trên một số giống ngô khác nhau.

Nhằm xây dựng cơ sở cho việc cải thiện giống ngô Việt Nam, Nguyễn Hồng Nhung và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu “Thiết kế cấu trúc CRISPR/CAS9 nhằm gây đột biến trên Promoter của Gen ZmCLE7 ở một số giống Ngô Việt Nam” nhằm phát triển công cụ phân tử có khả năng tạo ra các đột biến tiềm năng giúp cải thiện số hàng hạt trên bắp, qua đó góp phần nâng cao năng suất cho các giống ngô trong nước.

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng trình tự promoter của gen ZmCLE7 trên các giống ngô Việt Nam có mức độ tương đồng cao, lên đến 99%, so với trình tự tham chiếu. Dựa trên các trình tự đặc hiệu này, ba sgRNA đã được thiết kế để thực hiện chỉnh sửa có định hướng trên vùng promoter của gen ZmCLE7 ở các giống ngô bản địa của Việt Nam. Vector pBUE-PrCLE7 mang đồng thời ba trình tự sgRNA, đã được thiết kế thành công thông qua kiểm tra bằng cắt enzyme giới hạn và giải trình tự Sanger. Kết quả thiết kế vector chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 này sẽ được ứng dụng trong các nghiên cứu chuyển gen nhằm tạo đột biến định hướng ở vùng promoter của gen ZmCLE7, mở ra cơ hội cải thiện năng suất cho các giống ngô Việt Nam trong tương lai.

Đây là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 làm tăng số hàng hạt của giống ngô Việt Nam” thuộc Chương trình Đề án phát triển công nghiệp sinh học ngành nông nghiệp đến năm 2030, do Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn quản lý.

P.T.T (tổng hợp)