Nghiên cứu và Phát triển công nghệ

Nghiên cứu tạo cây ngô chuyển gen giầu Carotenoid

.

Ngô là cây ngũ cốc quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu vì nó nuôi sống một phần ba dân số thế giới. Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực đứng thứ hai sau cây lúa. Nhu cầu về lương thực, thức ăn chăn nuôi và nhiên liệu trên thế giới ngày một tăng và đã vượt so với khả năng sản xuất. Theo dự báo, đến 2020 nhu cầu về ngũ cốc tăng 45%. Ở châu Á, đến 2020, nhu cầu về ngô sẽ tăng đến 87% so với 1995. Sản lượng ngô ở Việt Nam không đáp ứng do yêu cầu ngày càng tăng. Năm 2013, Việt Nam phải nhập khẩu 2,6 triệu tấn. Đến 2016, Việt Nam bỏ ra hơn 1,6 tỷ USD để nhập 8,3 triệu tấn ngô (http://cafef.vn/loay-hoay-giam-phu-thuoc-nhap-khau-ngo-20170814161948898.chn). Tuy nhiên, chất lượng dinh dưỡng của ngô lại rất thấp: thiếu lysine, triptophan và rất ít carotenoid, đặc biệt là các carotenoid tiền vitamin A. Trong ngô, các Carotenoid tiền vitamin A gồm α-carotene, β-carotene, và β-cryptoxanthin với giá trị tương ứng chỉ từ 0 đến 1,3; 0,13 đến 2,7; và  0,13 đến 1,9 nmol/g.

Do cơ thể người không tổng hợp được vitamin A, Carotenoid thực vật là nguồn tiền vitamin A chính cho con người. Thiếu vitamin A là vấn đề quan trọng trong dinh dưỡng ở nhiều nơi trên thế giới. Sự thiếu vitamin A ảnh hưởng tới 250 triệu người trên thế giới và dẫn đến mù lòa cho 500.000 trẻ em hàng năm (theo tổ chức Y tế thế giới). Ngoài ra Carotenoid còn có tác dụng giảm ung thư và các bệnh tim mạch. Chính vì vậy vấn đề cải tạo gia tăng hàm lượng Carotenoid trong một số cây trồng, đặc biệt là cây ngô có tính thời sự và cấp thiết cao.

Để cải tiến hàm lượng Carotenoid trong cây có thể can thiệp vào chu trình tổng hợp carotenoid bằng việc tăng cường thể hiện một số gen mã hóa cho các enzyme then chốt tham gia vào tổng hợp, hay ức chế một số gen mã hóa các chất phân giải và sử dụng các gen điều hòa quá trình tích lũy Carotenoid. Ứng dụng công nghệ gen để thể hiện các gen điều hòa tích lũy Carotenoid là một hướng quan trọng cho cải tiến hàm lượng Carotenoid. Gần đây, Berman et al (2017) chuyển gen Or của Arabidopsis (AtOr) và giống ngô trắng M37W chỉ chứa rất ít Carotenoid như zeaxanthin, lutein, violaxanthin và antheraxanthin và đã tạo được hai dòng ngô chuyển gen OR1và OR2 có hàm lượng carotenoid tổng tương ứng vào khoảng 9 và 17 μg/g khối lượng khô (KLK).

Gen Orange (Or)  đóng vai trò quan trọng trong tích lũy Carotenoid và tham gia vào sự phân hóa plastid không sắc tố thành thể nhiễm sắc, nhưng không can thiệp vào các khâu tổng hợp Carotenoid, nhưng lại điều hòa quá trình tạo ra bể dự trữ để cô lập và lưu trữ carotenoid. Sự thể hiện gen Or đã làm tăng tích lũy carotenoid trong mô sẹo lúa và khoai lang. Lu và cộng sự (2006) đã chỉ ra rằng gen Or mã hóa cho protein có chứa miền DnaJ giầu cysteine có liên quan đến sự tích lũy Carotenoid cao. Đây là những cơ sở khoa học quan trọng cho việc ứng dụng công nghệ gen trong việc tạo cây ngô giàu Carotenoid để gia tăng giá trị dinh dưỡng của cây ngô góp phần tăng cường sức khỏe cho con người và hiệu quả trong chăn nuôi.

Vì những lý do trên, Viện Hàn lâm KHCNVN đã phê duyệt đề tài “Nghiên cứu tạo cây ngô chuyển gen giầu carotenoid” với Mã số VAST.02.03/16-17 cho Viện Công nghệ Sinh học thực hiện từ tháng 01 năm 2016 đến tháng 12 năm 2017. Đề tài thuộc hướng ưu tiên Công nghệ Sinh học, do GS.TS. Nguyễn Đức Thành làm chủ nhiệm. Các mục tiêu cụ thể của đề tài là: (1) Xây dựng quy trình chuyển gen gia tăng tích lũy Carotenoid ở ngô hiệu suất trên 1%; (2) Tách dòng gen Or và thiết kế được cấu trúc mang gen Or tăng cường tích lũy Carotenoid phục vụ chuyển gen; (3) Tạo cây ngô chuyển gen tăng tích lũy Carotenoid cao hơn đối chứng không chuyển gen.

Sau hai năm triển khai đề tài đã thu được những kết quả sau:

  • Phân lập được gen Or từ giống khoai lang Hoàng Long ký hiệu là IbOr và đã đăng ký trên Ngân hàng Gen quốc tế với mã số: KX792094.1 và gen Or từ cây súp-lơ được đăng ký trên Ngân hàng Gen quốc tế với mã số: KX396544.1.
  • Thiết kế được 02 cấu trúc chuyển gen mang gen IbOr tăng cường tích lũy Carotenoid là: pCambia2300/Ubi/IbOr/Nos và pCambia2300/Glo1/IbOr/Nos.
  • Chuyển thành công cấu trúc pCambia2300/Glo1/IbOr/Nos vào một số dòng ngô và tạo được 18 dòng ngô chuyển gen có hàm lượng Carotenoid tổng tăng so với đối chứng tương ứng từ 1,756 đến 12,515 lần, và hàm lượng β-carotene tăng từ 2,022 đến 19,002 lần. Trong đó có 06 dòng có hàm lượng β-carotene tăng trên 10 lần (N618-IbOr.3, N618-IbOr.6, N618-IbOr.8, N618-IbOr.9; H145-IbOr.10, H145-IbOr.15).
  • Xây dựng được 01 quy trình chuyển gen IbOr gia tăng tích lũy Carotenoid ở ngô sử dụng mô phân sinh đỉnh và A. tumefaciens cho hiệu suất chuyển gen từ 1,50 đến 2,63%.

Đề tài đã công bố 01 bài báo trên tạp chí thuộc danh mục SCIE và  01 bài trên tạp chí khoa học của Viện Hàn lâm KHCNVN,  hỗ trợ đào tạo 01 thạc sĩ và 01 Cử nhân.

Đề tài là công trình đầu tiên trên thế giới và Việt Nam về thể hiện thành công gen IbOr từ giống khoai lang Hoàng Long trong một số dòng ngô trồng và tạo được cây ngô chuyển gen có hàm lượng β-carotene tăng gấp trên 10 lần so với đối chứng không chuyển gen.

Đề tài đã được Hội đồng nghiệm thu đánh giá kết quả đạt loại xuất sắc vào ngày 08/3/2018.

Một số hình ảnh tiêu biểu của đề tài:

ndthanh1
Hình ảnh tạo cây ngô chuyển gen IbOr gia tăng  tích lũy carotenoid thông qua Agrobacterium tumefaciens mang cấu trúc chuyển gen sử dụng mô phân sinh đỉnh (A, B) và sử dụng phôi non (C, D, E)

 ndthanh2
Các cây ngô chuyển gen trồng trong bầu giá thể (A); Các cây ngô chuyển gen có hình thái
bình thường (B) và không bình thường (C) trồng trong nhà lưới.

ndthanh3 
Cấu trúc vector chuyển gen (trên) và hình thái bắp ngô không chuyển gen (A, C) và bắp ngô chuyển gen (B, D)
 ndthanh4
Hình ảnh lai Southern thể hiện sự hòa nhập và số bản sao của gen chuyển IbOr trong một số cây ngô chuyển gen

 ndthanh5
Kết quả phân tích bằng hệ thống Hitachi Elite LaChrom HPLC cho thấy các cây ngô chuyển gen IbOr có hàm lượng β-carotene cao hơn nhiều (đường cong đậm) so với cây đối chứng không chuyển gen (đường cong mờ)

Nguồn tin: GS.TS. Nguyễn Đức Thành
Xử lý tin: Minh Tâm

Bản quyền thuộc về Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa chỉ: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Email: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Khi phát hành lại thông tin trên Website cần ghi rõ nguồn: "Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam".