Gamma aminobutyric acid (GABA) là một axit amin tự nhiên có nhiều trong trái cây, rau, trà, rượu vang và một số thực phẩm lên men. GABA hoạt động như một chất ức chế dẫn truyền thần kinh khi GABA gắn thụ thể GABA trong não sẽ giúp làm giảm cảm giác lo lắng, căng thẳng và sợ hãi. GABA cũng có thể giúp cải thiện giấc ngủ, ngăn ngừa co giật và tổn thương não bộ. Do đó, GABA được sử dụng nhiều trong chăm sóc sức khỏe.
Cà chua (Solanum lycopersicum) là một trong những cây trồng quan trọng, có nhiều giá trị kinh tế, dinh dưỡng [1], đặc biệt có khả năng sinh tổng hợp GABA trong quả. Trong cà chua, GABA được sinh tổng hợp từ glutamate nhờ xúc tác của enzyme glutamate decarboxylase (GAD) và gen này được nhân dòng đầu tiên năm 1905 trên dòng cà chua “Ailsa Craig.” Trên cà chua, có 03 gen GAD gồm SlGAD1, SlGAD2, và SlGAD3 tham gia vào sinh tổng hợp GABA, 03 gen SlGABA-T gồm SlGABA-T1, SlGABA-T2, và SlGABA-T3 tham gia phân giải GABA, và 01 gen SlSSADH được phân lập [2] (Hình 1).
Hình 1. Con đường sinh tổng hợp GABA trong cà chua. GAD, glutamate decarboxylase; GABA-TK, α-ketoglutarate-dependent GABA transaminase; GABA-TP, pyruvate-dependent GABA transaminase; SSA, succinic semialdehyde; SSADH, succinic semialdehyde dehydrogenase; GDH, glutamate dehydrogenase; SSR, succinic semialdehyde reductase; Asp-AT, aspartate aminotransferase
Tuy nhiên, hàm lượng GABA cao nhất trong giai đoạn quả xanh và giảm rất mạnh khi giai đoạn quả chín (Hình 2)
Hình 2. Con đường sinh tổng hợp GABA trong các giai đoạn phát triển của quả cà chua. (A) GABA được sinh tổng hợp giai đoạn quả cà chua xanh (MG). (B) Hàm lượng GABA giảm ở giai đoạn quả cà chua chín. MG, quả xanh; Br, ngả vàng; GAD, glutamate decarboxylase; GABA-T (K), (α-ketoglutarate-dependent) GABA transaminase; SSADH, succinic semialdehyde dehydrogenase; Asp-AT, aspartate aminotransferase; Glu, glutamate; Asp, aspartate. (Nguồn: [3])
Thêm vào đó, cà chua chịu sự tác động nặng nề bởi các tác nhân căng thẳng sinh học và phi sinh học. Do đó, phát triển công nghệ sinh học trong các chương trình chọn tạo giống cà chua có hàm lượng GABA cao trong quả chín và thích ứng với biến đổi khí hậu là rất cần thiết.
Công nghệ chỉnh sửa genome (genome editing – GE) đã được phát triển và ứng dụng phổ biến trong nhiều nghiên cứu về nông nghiệp và chăm sóc sức khỏe [4]. Trên cà chua, công nghệ chỉnh sửa genome đã được nghiên cứu và đạt được một số thành tựu ấn tượng, đột biến mất vùng C-terminal của gen SlGAD3 làm tăng khả năng tích lũy GABA trong quả [5], đột biến mất vùng domain của SlGAD2 và SlGAD3 bằng công nghệ CRISPR/ Cas9 tăng hàm lượng GABA lên 7-15 lần và tạo dạng biến dị về kích thước và năng suất quả [6]. Giống cà chua “Sicilian Rouge High GABA” có hàm lượng GABA cao được tạo ra bằng công nghệ chỉnh sửa genom bởi phòng thí nghiệm của giáo sư Ezura Hiroshi (Đại học Tsukuba, Nhật Bản), là cây trồng chỉnh sửa gen đầu tiên được các cơ quan có thẩm quyền của chính phủ Nhật Bản cấp phép thương mại hóa, và được công ty Sanatech (Nhật Bản) phát triển (Hình 3A và 3B).
Hình 3A. Giống cà chua chỉnh sửa genome “Sicilian Rouge High GABA”
(Nguồn: Sanatech Seed Ltd.)
Hình 3B. Hiệu quả của sử dụng cà chua chỉnh sửa genome GABA đến sức khỏe con người
(Nguồn: https://sanatech-seed.com/en/221226-2/)
Bên cạnh đó, công nghệ chỉnh sửa genome trên cà chua tập trung vào một số tính trạng quan trọng khác như khả năng chống chịu các điều kiện bất lợi phi sinh học (khả năng chịu lạnh, chịu nóng, chịu hạn), sinh học (bệnh do nấm, vi khuẩn và vi rút), cải thiện một số tính trạng chất lượng quả như hàm lượng carotenoids và anthocyanins [7], thời gian chín của quả [8]. Điều này mở ra một kỷ nguyên mới cho việc ứng dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo giống cà chua chất lượng cao./.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] V. Bergougnoux, “The history of tomato: From domestication to biopharming,” Biotechnology Advances. 2014, doi: 10.1016/j.biotechadv.2013.11.003.
[2] J. Lee, S. Nonaka, M. Takayama, and H. Ezura, “Utilization of a Genome-Edited Tomato (Solanum lycopersicum) with High Gamma Aminobutyric Acid Content in Hybrid Breeding,” J. Agric. Food Chem., vol. 66, no. 4, pp. 963–971, 2018, doi: 10.1021/acs.jafc.7b05171.
[3] M. Takayama and H. Ezura, “How and why does tomato accumulate a large amount of GABA in the fruit?,” Front. Plant Sci., vol. 6, no. AUG, pp. 1–7, 2015, doi: 10.3389/fpls.2015.00612.
[4] T. Wang, H. Zhang, and H. Zhu, “CRISPR technology is revolutionizing the improvement of tomato and other fruit crops,” Horticulture Research, vol. 6, no. 1. Nature Publishing Group, Dec. 01, 2019, doi: 10.1038/s41438-019-0159-x.
[5] M. Takayama, C. Matsukura, T. Ariizumi, and H. Ezura, “Activating glutamate decarboxylase activity by removing the autoinhibitory domain leads to hyper γ-aminobutyric acid (GABA) accumulation in tomato fruit,” Plant Cell Rep., vol. 36, no. 1, pp. 103–116, 2017, doi: 10.1007/s00299-016-2061-4.
[6] S. Nonaka, C. Arai, M. Takayama, C. Matsukura, and H. Ezura, “Efficient increase of Γ-aminobutyric acid (GABA) content in tomato fruits by targeted mutagenesis,” Sci. Rep., vol. 7, no. 1, pp. 1–14, 2017, doi: 10.1038/s41598-017-06400-y.
[7] H. Salava, S. Thula, V. Mohan, R. Kumar, and F. Maghuly, “Application of genome editing in tomato breeding: Mechanisms, advances, and prospects,” International Journal of Molecular Sciences, vol. 22, no. 2. MDPI AG, pp. 1–41, Jan. 02, 2021, doi: 10.3390/ijms22020682.
[8] Y. Ito et al., “Re-evaluation of the rin mutation and the role of RIN in the induction of tomato ripening,” Nat. Plants, vol. 3, no. 11, pp. 866–874, 2017, doi: 10.1038/s41477-017-0041-5.
Phạm Thị Dung - Khoa Công nghệ sinh học