Các nhà khoa học Mỹ vừa ứng dụng thành công hệ thống chỉnh sửa gien CRISPR/Cas9 để điều chỉnh góc lá của cây mía, qua đó tăng cường đáng kể khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và sản lượng sinh khối. Bước đột phá về cải tạo bộ gien phức tạp của cây mía đã đánh dấu một tiến bộ lớn giúp cải thiện năng suất cây trồng và sản xuất nhiên liệu sinh học.

Mía chỉnh sửa gien được đánh giá trước khi đem trồng thử nghiệm.

Mía là một trong những cây trồng phổ biến và quan trọng nhất, đóng góp tới 80% sản lượng đường và 40% sản lượng nhiên liệu sinh học cho thế giới. Xét về sinh khối (biomass - vật liệu sinh học tạo thành từ các loài thực vật, cây công nghiệp, phế phụ phẩm nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, trấu, mùn cưa...), mía cho sản lượng lớn nhất thế giới, ước tính gần 2 tỉ tấn/mỗi năm.

Nhờ có kích thước lớn với khả năng sử dụng nước và ánh sáng tối ưu, cây mía được đánh giá là nguyên liệu lý tưởng để sản xuất nhiều sản phẩm sinh học khác nhau, đặc biệt là nhiên liệu sinh học. Hiện nay, mía được sử dụng để sản xuất gần 40% nhiên liệu sinh học toàn cầu. Những người ủng hộ công nghệ này cho biết nó thậm chí có thể thay thế nhiên liệu dùng cho máy bay.

Chỉnh sửa gien của cây mía không phải là việc dễ dàng. Bởi hầu hết các giống mía đều được lai từ 2 dòng mía là Saccharum officinarum và Saccharum spontaneum, dẫn đến việc cây mía có bộ gien phức tạp nhất trong tất cả các loại cây trồng, với số lượng nhiễm sắc thể dao động từ 100-120. Sự phức tạp về mặt di truyền này đồng nghĩa rất khó biến đổi cây mía thông qua biện pháp nhân giống thông thường, mà cần phải áp dụng các phương pháp tiên tiến hơn.

Để khắc phục trở ngại trên, các chuyên gia tại Đại học Florida đã ứng dụng hệ thống chỉnh sửa gien CRISPR/Cas9, nhắm mục tiêu chính xác vào gien cây mía để cải thiện góc lá của cây trồng này. Cách làm này cho phép cây mía thu được nhiều ánh nắng hơn, từ đó làm tăng sản lượng sinh khối.

Theo nhóm nghiên cứu, bộ gien của cây mía phức tạp là vì nó sở hữu nhiều bản sao của mỗi gien (từ các giống mía). Sự dư thừa này đồng nghĩa những tính trạng mà cây mía thể hiện là kết quả của tác động kết hợp từ nhiều bản sao gien. Nhưng CRISPR/Cas9 (còn gọi là “kéo di truyền”) là công cụ hoàn hảo để chỉnh sửa gien cây mía, do có khả năng điều chỉnh một vài hoặc nhiều bản sao gien cùng lúc.

Trong nghiên cứu mới công bố, các chuyên gia đã tập trung vào LIGULELESS1 (hay LG1), một gien đóng vai trò chính trong việc định hình góc lá ở cây mía, quyết định lượng ánh sáng mà nó có thể thu được - yếu tố rất quan trọng cho việc sản xuất sinh khối. Do bộ gien cây mía chứa 40 bản sao LG1, nên các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa số lượng bản sao khác nhau của gien này, nhằm tạo ra các kiểu biểu hiện góc lá khác nhau. “Ở những cây mía đã được chỉnh sửa LG1, chúng tôi chỉ biến đổi một số bản sao. Khi làm như vậy, chúng tôi có thể điều chỉnh cấu trúc lá cho đến khi tìm ra góc tối ưu giúp tăng năng suất sinh khối” - Giáo sư Nông học Fredy Altpeter, trưởng nhóm nghiên cứu tại Đại học Florida, giải thích thêm.

Khi trồng thử nghiệm 3 dòng mía biến đổi gien với mức độ đồng chỉnh sửa LG1 khác nhau (12%, 53% và 95%), nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng kiểu hình lá thẳng đứng cho phép ánh nắng chiếu vào cây nhiều hơn, làm tăng năng suất sinh khối. Cuộc thử nghiệm cũng chỉ ra rằng ở dòng mía có mức độ đồng chỉnh sửa 12% số bản sao LG1, góc nghiêng của lá mía giảm 56% (tức lá mía mọc thẳng hơn) và năng suất sinh khối khô tăng 18%.

Các chuyên gia nhận định nhờ biện pháp tối ưu hóa gien để thu được nhiều ánh sáng hơn, những cây mía chỉnh sửa gien đã tăng sản lượng sinh khối mà không cần phải dùng thêm phân bón. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn chứng tỏ việc xây dựng hiểu biết sâu sắc về bộ gien phức tạp của cây trồng và khả năng chỉnh sửa gien có thể giúp các chuyên gia phát triển các phương pháp cải tạo những cây trồng khác nhằm tăng năng suất trong tương lai.

HUY MINH (Theo SciTechDaily, Zmescience.com)