Ứng dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo giống cây trồng kháng bệnh virus

Virus gây bệnh trên thực vật có sự đa dạng lớn về kích thước, thành phần sinh hóa, cấu trúc cũng như độ lớn của hệ gen. Theo thống kê của tổ chức quốc tế về phân loại virus, hiện nay đã có trên 6.500 loài virus được phát hiện, trong đó trên 1.500 loài virus thực vật. Sự xâm nhiễm và lây lan của virus với cây trồng thường gây ra những thiệt hại đáng kể về năng suất và chất lượng nông sản. Theo ước tính, hàng năm thiệt hại do bệnh virus gây ra với sản xuất nông nghiệp trên thế giới lên đến trên 30 tỷ đô la Mỹ. Việc phát hiện và điều trị các bệnh virus thực vật thường khó khăn và hiệu quả không cao. Do tính chất nguy hiểm của bệnh virus gây ra với cây trồng và ngành sản xuất nông nghiệp, rất nhiều biện pháp, công nghệ đã được xây dựng và phát triển phục vụ công tác quản lý, phòng trừ và nâng cao tính kháng bệnh virus ở thực vật.

Bên cạnh các phương pháp mang tính truyền thống đã được phát triển và ứng dụng, thành tựu của công nghệ sinh học đã tạo ra những bước tiến vượt bậc trong công tác chọn tạo giống cây trồng kháng lại bệnh virus. Việc áp dụng các kỹ thuật di truyền và phương pháp chuyển gen thực vật đã nâng cao tính kháng bệnh virus ở một số loài cây trồng khác nhau. Đặc biệt, sự ra đời và phát triển của công nghệ RNAi (RNA interference) đã mang lại thành công vượt bậc trong nghiên cứu nâng cao tính kháng bệnh virus trên thực vật. Gần đây, công nghệ chỉnh sửa hệ gen đã được phát triển và ứng dụng trong chọn tạo giống cây trồng kháng lại virus và đã ghi nhận những thành tựu đáng kể. Để ứng dụng thành công công nghệ RNAi và CRISPR/Cas trong tạo giống kháng bệnh, yêu cầu tiên quyết và quan trọng là thông tin về hệ gen virus gây bệnh. Do vậy, việc phân lập, đánh giá sự đa dạng di truyền và phân tích trình tự gen của một số virus gây bệnh phổ biến trên cây trồng đóng vai trò quan trọng với sự thành công của nghiên cứu chọn tạo giống kháng bệnh virus.

Với bề dày kinh nghiệm trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh hoc trong chọn tạo giống kháng bệnh virus thông qua các đề tài dự án các cấp đã được thực hiện trong những năm qua trên một số cây trồng quan trọng và chủ lực ở Việt Nam, nhiều thành tựu đáng kể đã được ghi nhận thông qua công trình công bố trong, ngoài nước cũng như giải pháp hữu ích. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã tập hợp, tóm lược và trình bày dưới dạng một cuốn sách chuyên khảo với tiêu đề “Ứng dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo giống cây trồng kháng bệnh virus”.  Cuốn sách là nguồn thông tin hữu ích với các kiến thức cơ bản và chuyên sâu về lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo giống cây trồng kháng bệnh virus bao gồm: việc thu thập, nghiên cứu hệ gen virus, phát triển hệ thống vector chuyển gen, tạo các dòng cây mang cấu trúc biểu hiện gen hay chỉnh sửa gen, đánh giá tính kháng bệnh virus của các dòng cây tạo được thông qua các phương pháp công nghệ sinh học, đồng thời mở rộng tiềm năng ứng dụng các dòng cây tiềm năng kháng bệnh virus vào công tác chọn tạo giống cũng như thực tế sản xuất.

Chương 1: Giới thiệu tóm tắt các kỹ thuật, công nghệ đã và đang được phát triển và ứng dụng trong công tác tạo cây sạch virus và nâng cao tính kháng virus ở thực vật. Nguyên lý và cách thức áp dụng của mỗi phương thức được tổng hợp trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp. Thêm vào đó, nhóm tác giả sẽ tập trung giới thiệu và phân tích chuyên sâu với phương pháp bất hoạt gen (RNAi) và hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9. Ngoài ra, nhóm tác giả cũng thảo luận về xu hướng phát triển của các công nghệ mới cũng như tiềm năng và thách thức với các công nghệ này trong nghiên cứu chọn tạo giống cây trồng kháng lại bệnh virus trong tương lai.

Chương 2: Trình bày các kết quả về phân lập và nghiên cứu trình tự gen của một số loại virus gây bệnh phổ biến trên cây trồng ở Việt Nam. Các kỹ thuật tách dòng, giải trình tự gen, phân tích cấu trúc hệ gen, đánh giá đa dạng các dòng virus phân lập,… được trình bày chi tiết với từng đối tượng cây trồng cụ thể.

Chương 3: Trình bày chi tiết các bước thực hiện quá trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ RNAi trong tạo cây thuốc lá kháng lại 2 loại bệnh khảm lá do CMV và CTV gây ra. Quy trình tái sinh và chuyển gen vào cây thuốc lá được xây dựng dựa trên các giống thuốc lá đang được ứng dụng sản xuất; cấu trúc chuyển gen RNAi được thiết lập dựa trên thông tin về hệ gen của 2 loại virus đã được phân lập ở Việt Nam; cây thuốc lá chuyển gen được phát triển; tính kháng bệnh virus của các dòng thuốc lá chuyển gen được đánh giá thông qua phương pháp lây nhiễm nhân tạo.

Chương 4: Đề cập các kết quả trong nghiên cứu phát triển công nghệ RNAi với cấu trúc đa đoạn nhằm nâng cao tính kháng lại bệnh do CTV gây ra trên cây trồng thuộc họ Cam quýt. Quy trình tái sinh và chuyển gen của các đối tượng thuộc họ Cam quýt được thiết lập và tối ưu; các phân đoạn đặc trưng của các gen mã hóa cho protein của virus được nhân bản và dùng trong thiết kế cấu trúc RNAi mang gen đa đoạn; cây cam quýt chuyển gen được chọn lọc và kiểm tra sự có mặt và biểu hiện của gen chuyển; các dòng cam quýt mang cấu trúc RNAi đa đoạn được đánh giá tính kháng thông qua lây nhiễm nhân tạo với CTV.

Chương 5: Trình bày kết quả nghiên cứu tạo cây đu đủ kháng lại bệnh do virus PRSV gây ra sử dụng công nghệ RNAi với các trình tự đa đoạn của các loại protein khác nhau của virus. Quy trình tái sinh và chuyển gen thông qua phôi soma của các giống đu đủ Việt Nam được xây dựng và tối ưu; hệ thống vector RNAi mang gen đa đoạn của gen mã hóa cho protein CP, NIb và Hc-pro được thiết lập và chuyển vào cây đu đủ thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens; các dòng đu đủ chuyển gen được xác định và kiểm tra tính kháng thông qua lây nhiễm nhân tạo.

Chương 6: Trình bày các kết quả nghiên cứu ứng dụng hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR/Cas9 để tạo đột biến định hướng trên các gen mã hóa cho thành phần eIF4E trên cây thuốc lá nhằm tăng cường tính kháng lại bệnh do PVY gây ra. Trình tự các gen mã hóa cho thành phần eIF4E/eIF(iso)4E trên giống thuốc lá Việt Nam được phân tích và so sánh; các trình tự định hướng và cấu trúc CRISPR/Cas9 được thiết lập; cây thuốc lá mang đột biến trên các gen nghiên cứu được sàng lọc và phân tích; tính kháng bệnh PVY được đánh giá thông qua lây nhiễm nhân tạo; tính di truyền và phân ly của các đột biến cũng như tính kháng virus qua các thế hệ được đề cập.

Nhóm tác giả mong muốn với lượng kiến thức được trình bày chi tiết trong 6 chương của cuốn sách sẽ mang lại cho độc giả một cái nhìn tổng thể về các biện pháp dùng trong nghiên cứu và ứng dụng chọn tạo giống cây trồng chống chịu lại bệnh virus. Thêm vào đó, cuốn sách chuyên khảo này cũng trình bày chi tiết các bước tiếp cận, thực hiện nghiên cứu nâng cao tính kháng bệnh virus thông qua Công nghệ sinh học trên các đối tượng cây trồng cụ thể. Đây sẽ là tài liệu chuyên khảo hữu ích trong nghiên cứu thực nghiệm, trong giảng dạy, đào tạo tại các trường đại học và các đơn vị nghiên cứu tại Việt Nam.