Công nghệ chỉnh sửa gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas được xem là phương pháp chính xác và hiệu quả nhất được sử dụng trong cải tạo giống cây trồng, bởi nó cho phép tạo ra các đột biến theo định hướng, có thể tác động tới nhiều gene cùng một lúc và đặc biệt là có thể chọn được các dòng đột biến không mang theo bất cứ trình tự ADN ngoại lai trong hệ gene.

Nằm trong khôn khổ đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu nâng cao hàm lượng đường và amino acid trong quả cà chua (solanum lycopersicum) thông qua đột biến gene bằng hệ thống CRISPR/Cas9" do Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam tài trợ (mã số đề tài ĐLTE00.10/20-21), TS. Đỗ Tiến Phát làm chủ nhiệm, các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ sinh học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã thành công phát triển và ứng dụng thành công công nghệ chỉnh sửa hệ gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas trong gây tạo đột biến định hướng để nâng cao hàm lượng đường và acid amin trong quả của giống cà chua Việt Nam.

Chia sẻ về nghiên cứu, TS. Đỗ Tiến Phát cho biết, hiện nay, phần lớn giống cà chua trên thế giới cũng như ở Việt Nam đước chọn lọc theo hướng phục vụ tiêu thụ hàng ngày và sử dụng trong công nghiệp chế biến với đặc điểm sinh trưởng nhanh, quả to, năng suất cao, ... Tuy nhiên, vấn đề hương vị lại chưa được chú trọng.

Để tăng hương vị và giá trị dinh dưỡng của quả cà chua, các nghiên cứu gần đây đã áp dụng công nghệ chỉnh sửa hệ gene để tác động vào một đường hướng sinh tổng hợp các chất trong quả. Một ví dụ điển hình là cà chua GABA, một giống cà chua chỉnh sửa gene của Nhật Bản, có khả năng hỗ trợ giảm căng thẳng và hạ huyết áp. Đây là một trong những loại cây chỉnh sửa gene đầu tiên được thương mại hóa trên thế giới.

Kế thừa những kết quả nghiên cứu đã có trước đó, trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học Việt Nam đã đi theo hướng tăng hàm lượng đường, giúp cho quả cà chua có vị tốt hơn, đồng thời làm tăng hàm lượng các acid amin có lợi cho sức khỏe người tiêu dùng.

Để hiện thực hóa điều đó, TS. Đỗ Tiến Phát cùng các cộng sự đã phát triển một hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 mang 2 trình tự định hướng để tạo ra các đột biến có mục tiêu trong các vùng trình tự phía trước (uORF) của gene SlbZIP1 liên quan đến quá trình sinh tổng hợp đường và acid amin ở cây cà chua.

Để nghiên cứu vừa có tính khoa học, vừa có tính ứng dụng, các nhà khoa học đã lựa chọn đối tượng thực hiện chỉnh sửa là giống cà chua PT18 của Việt Nam. Đây là giống cà chua thuần và được trồng khá phổ biến ở nước ta trước đây. Kết quả phân tích thành phần quả của các dòng cây được chỉnh sửa gene cho thấy sự tăng lên đáng kể hàm lượng đường và acid amin tổng số.

Đáng chú ý, các dòng cà chua đột biến SlbZIP1-uORF mang các đặc tính mong muốn, như hàm lượng đường và acid amin cao hơn cây đối chứng (không chỉnh sửa), nhưng không ảnh hưởng xấu đến kiểu hình, cũng như khả năng sinh trưởng và phát triển của cây trong điều kiện phân tích tại phòng thí nghiệm, buồng sinh trưởng. Ngoài ra, các đột biến trong vùng SlbZIP1-uORF được xác định ở thế hệ T0 đã được di truyền ổn định cho thế hệ tiếp theo và không mang theo các đột biến ngoài mục tiêu.

Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng của hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 trong việc cải thiện chất lượng quả cà chua nói riêng và mở rộng ra các loại cây trồng quan trọng khác. Nghiên cứu đã được công bố trên Planta, một tạp chí uy tín về công nghệ sinh học thực vật, thuộc nhóm Q1 ISI.

Trước đó, TS Đỗ Tiến Phát cũng các cộng sự tại Viện Công nghệ sinh học (IBT), Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng đã chỉnh sửa thành công gene đu đủ kháng bệnh đốm vòng bằng công nghệ chỉnh sửa gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas9.

Theo đó, từ năm 2018, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu và phát triển hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 nhằm tạo cây đu đủ đột biến kháng bệnh virus PRSV. Theo đó, các cấu trúc chỉnh sửa hệ gene được thiết kế để tạo ra đột biến định hướng làm mất chức năng gene mã hóa cho một nhân tố quan trọng (eIF4E) trong phức hệ khởi đầu dịch mã ở trong cây đu đủ. Đột biến này ức chế quá trình dịch mã hệ gene virus và ngăn cản sự nhân lên gây hại của virus với cây chủ, từ đó tạo ra tính kháng bệnh ở các dòng cây được chỉnh sửa gene. Điểm mạnh của công nghệ này là tạo ra cây đột biến định hướng và có thể phân ly khỏi gene chuyển.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã xây dựng hệ thống cảm ứng tạo rễ tơ hiệu quả trong điều kiện in vivo trên giống đu đủ Lý Nhân của Việt Nam để sử dụng trong đánh giá biểu hiện của gene chuyển cũng như hoạt động của hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9. Bằng các thí nghiệm chuyên sâu, nhóm đã thành công tạo được cây đu đủ đột biến định hướng trên gene eIF4E. Đánh giá bước đầu trong điều kiện buồng sinh trưởng hay nhà lưới cho thấy, các dòng đu đủ chỉnh sửa gene có tính kháng hoàn toàn với bệnh virus đốm vòng. Ngoài ra, các dòng cây đu đủ chỉnh sửa gene không ghi nhận sự khác biệt về hình thái, sinh trưởng phát triển và khả năng tạo quả so với giống gốc (không chỉnh sửa gene).

Theo TS Phát, các phương pháp truyền thống như sử dụng hóa chất hay phóng xạ có thể áp dụng để tạo và chọn lọc các dòng đu đủ đột biến kháng bệnh, song khả năng thành công thấp và quá trình chọn tạo tốn nhiều thời gian, công sức. Các đột biến tạo được với phương pháp truyền thống mang tính ngẫu nhiên và không kiểm soát nên có thể dẫn tới tác động không tốt đối với sinh trưởng và phát triển của cây. Ở phương pháp chỉnh sửa gene thông qua hệ thống CRISPR/Cas9, các đột biến hoàn toàn được định hướng trên các vùng gene quan tâm để tạo tính trạng mong muốn mà không ảnh hưởng (hoặc rất ít) tới các đặc điểm khác. "Chúng tôi tiếp tục phân tích và sàng lọc các dòng đu đủ chỉnh sửa gene tiềm năng không mang DNA ngoại lai để phục vụ cho công tác chọn dòng, giống phục vụ sản xuất trong tương lai", TS Phát cho hay.

Kết quả của nghiên cứu này cũng đã được công bố trên tạp chí Plant Cell, Tissue and Organ Culture của Springer Nature năm 2022.

Mặc dù có chất lượng tốt hơn so với các sản phẩm có sẵn, nhưng do Việt Nam chưa có hành lang pháp lý cho các sản phẩm chỉnh sửa gene nên các nghiên cứu liên quan hiện chỉ  được triển khai trong phòng thí nghiệm.

Quỳnh Trang