Bản tin khoa học Bùi Chí Bửu

TINKHOAHOC. Bản thảo chuỗi trình tự bộ gen khoai mì. Giải thích tính chống chịu khô hạn. Cuộc chiến với thiếu hụt lương thực toàn cầu

Bản thảo chuỗi trình tự bộ gen khoai mì
Một nhóm các nhà khoa học kiệt xuất của nhiều quốc gia đã hoàn thành bản thảo đầu tiên bộ gen cây khoai mì (Manihot esculenta). Dự án quan trọng này đánh dấu một bước phát triển có tính chất lịch sử trong khoa học cây khoai mì. Chính cây trồng này là cây lương thực chủ lực đang nuôi sống 750 triệu người trên thế giới, mỗi ngày. Khoai mì nghèo dinh dưỡng, nhiễm một số bệnh hại, đặc biệt ở Châu Phi, nơi mà 1/3 người trên đại lục này bị mất mùa do bệnh virus. Trong số đó, bệnh Brown Streak trên khoai mì, hay bệnh CBSD, thường xuyên là mối hiểm hoạ của Đông Phi. Bill & Melinda Gates Foundation đã tài trợ 1,3 triệu USD cho ĐH Arizona, thực hiện vai trò dẫn dắt trong một consortium quốc tế nhằm phát triển nguồn dữ liệu bộ gen cây khoai mì để cung cấp cho các nhà chọn giống công cụ cải tiến giống khoai mì tốt phục vụ nông dân, đặc biệt giống kháng được bệnh virus CBSD. Steve Rounsley, PGS của School of Plant Sciences tại UA và một thành viên của BIO5 Institute, sẽ tham gia dự án này như là thành phần cốt cán của Viện Genome Sciences, ĐH Maryland, Baltimore, Viện Energy Joint Genome (DOE JGI) Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ, và 454 Life Sciences của Roche Company. Tác động của chuỗi trình tự bộ gen này trong 203 với sự hình thành nên “Global Cassava Partnership” (GCP-21), đồng chủ trì bởi Dr. Claude Fauquet, Giám Đốc của International Laboratory for Tropical Agriculture Biology (ILTAB), Donald Danforth Plant Science Center (DDPSC), St. Louis, và Dr. Joe Tohme của International Center for Tropical Agriculture (CIAT), Cali, Colombia. Cho đến 2006 đề nghị của Fauquet, Tohme và 12 khoa học gia quốc tế khác đều ủng hộ việc thực hiện chương trình DOE JGI's Community Sequencing như dự án trọng điểm của thế giới. Đầu năm 2009 sử dụng 454's Genome Sequencer FLX platform với đầu đọc GS FLX Titanium người ta nhanh chóng phát triển nhiều cơ sở dữ liệu mới về DNA sequence. Hơn 61 triệu lần đọc chuỗi trình tự và tổng hợp lại trên toàn bộ genome cây khoai mì với dự đoán 95% gen. Đây là lần đầu tiên sử dụng máy “454 Life Sciences' long-read sequencing platform” khẳng định chất lượng của bản thảo này.

Giải thích tính chống chịu khô hạn

Nghiên cứu cấu trúc tại Phòng thí nghiệm sinh học phân tử Châu Âu (EMBL) nhằm giải thích làm thế nào cây trồng chống chịu được khô hạn, đáp với với vấn đề thiếu nước toàn cầu. Ngày 8-11-2009 tại Grenoble, các nhà khoa học EMBL cho rằng adrenaline càng nhiều trong mạch truyền của thực vật càng giúp cây kháng lại stress; chính kích thích tố sinh trưởng abscisic acid (ABA) đứng sau sự kiện cây phản ứng lại stress thí dụ như khô hạn; nhưng làm thế nào mà điều này vẫn còn bí ẩn trong nhiều năm qua. Các nhà khoa học của Grenoble, Pháp, và tổ chức Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC) ở Valencia, Tây Ban Nha đã tìm thấy chìa khoá của cấu trúc protein, có tên gọi là PYR1 và người ta khám phá rằng làm thế nào nó tương tác với hormone ABA. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature, mở ra triển vọng làm gia tăng tính trạng kháng hạn. Dưới điều kiện bình thường, protein PP2Cs ức chế lộ trình biến dưỡng ABA nhưng khi cây bị khô hạn, nồng độ ABA trong tế bào tăng lên; chúng loại bỏ những chướng ngại trong lộ trình của chúng, cho phép tín hiệu truyền đi và đáp ứng lại stress do khô hạn trong các tế bào thực vật. Điều này làm cho gen chuyên biệt nào đó bị kích hoạt và hoạt động hoặc không hoạt động, kích thích cơ chế làm gia tăng sự hấp thu nước và dự trữ nước, làm giảm sự mất nước. Nhưng ABA không tương tác trực tiếp PP2Cs, mà làm cho nó bị ức chế? Các nghiên cứu gần đây cho thấy các thành viên của họ protein này với 14 protein khác nhau có thể mỗi thành viên hoạt động như “middle-men”. Chúng phát hiện ra ABA và ức chế PP2Cs. Đây vẫn còn là điều bí ẩn. Một nhóm các nhà khoa học dẫn đầu là José Antonio Márquez của EMBL Grenoble và Pedro Luis Rodriguez của CSIC; họ tìm kiếm một thành viên của họ protein này, có tên là PYR1. Họ sử dụng phương pháp “X-ray crystallography” nhằm xác định cấu trúc không gian 3 chiều của nó. Các nhà khoa học đã tìm thấy protein trông giống như một bàn tay. Khi thiếu ABA, bàn tay mở ra, nhưng khi ABA xuất hiện, nó nép vào trong “PYR1 hand”, làm đóng lại hormone này như giữ một quả bóng trên tay, rồi cho phép một phân tử PP2C định vị trên đầu của các ngón tay. Giống như để bảo tồn tất cả các thành viên của họ protein, nó phải làm như vậy. Phát hiện này xác định rằng họ protein ấy là những receptors chính của ABA. Để xác định cấu trúc của PYR1, họ sử dụng kiến thức cơ bản của Sinh Học kiến trúc (Structural Biology), thêm phương tiện tinh xảo của tinh thể học (European Synchrotron Radiation Facility). Xem chi tiết http://www.eurekalert.org/pub_releases/2009-11/embl-dre110909.php

Traditional cassava improvement is slow and difficult. The availability of large numbers Phần mềm giải thích (annotation) chuỗi trình tự bộ gen này sẵn sàng trên DOE JGI's Phytozome Web site, http://www.phytozome.net/cassava hoặc
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2009-11/uoa-rcd110909.php

Cuộc chiến với thiếu hụt lương thực toàn cầu
Theo Claudia Parsons, Russell Blinch and Svetlana Kovalyova, Reuters, Nov 9, 2009:
Monsanto, lảnh tụ trong công nghệ sinh học nông nghiệp đã tiêu khoảng 2 tỷ đô la mỗi ngày về khoa học nông nghiệp nhằm cải tiến Bà Mẹ Tự Nhiên của chúng ta (Mother Nature) và đóng vài trò then chốt trong cuộc chiến chống thiếu ăn và đói kém. Cuộc chiến này cần thời gian dài. Sự kiện kết hợp giữa khủng hoảng lương thực và khủng hoảng kinh tế toàn cầu đã làm số người đói trên thế giới tăng lên 1 tỷ người. Liên Hiệp Quốc cho rằng lương thực phải nuôi sống 70% tăng thêm vào 4 thập niên tới (+2,3 tỷ người) vào năm 2050. Học tập kinh nghiệm từ quá khứ trước Cách Mạng Xanh trong thập niên 1960s, 1970s, các nước đông dân như Ấn Độ, Trung Quốc đã chuyển đổi nông nghiệp của họ trở thành tự đủ ăn. Họ thúc ép công nghệ chọn giống để có lúa, lúa mì và cây lương thực chủ lực đạt năng suất cao. Trung Quốc đi vào con đường khai thác lúa lai thành công từ 2 tấn / ha năm 1960 tăng lên 10 tấn / ha vào năm 2004 và họ hi vọng đạt 13,5 t / ha vào năm 2015. Ở Ấn Độ, mực thuỷ cấp trên ruộng cạn dần, đất bị thoái hoá nghiêm trọng sau cách mạng xanh do thuốc sâu và phân hoá học. Nhưng nhân dân được cứu thoát khỏi nạn đói kém triền miên. IFPRI (Viện Chiến lược lương thực thế giới), trong tháng trước đã nói rằng do thay đổi khí hậu năng lượng từ lương thực thực phẩm cho người tiêu dùng sẽ giảm 7% vào năm 2050 so với năm 2000. Nhiệt độ cao làm giảm năng suất cây trồng, gia tăng sự phá hại của sâu bệnh. Tất cả cây trồng ở Nam Á đều giảm năng suất nghiêm trọng. IFPRI cho rằng sản lượng lúa trong vùng Nam Á sẽ giảm 14%. Xem chi tiết http://www.reuters.com/article/latestCrisis/idUSN09275722