Do đó, nội dung của giáo trình chỉ tập trung vào hai công nghệ chính là công nghệ nuôi cấy mô tế bào và công nghệ gene thực vật, được cấu trúc gồm 11 chương: Chương 1 - Giới thiệu chung
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Một số khái niệm
1.1.1 Công nghệ sinh học thực vật
Thuật ngữ “Công nghệ sinh học” (Biotechnology) lần đầu tiên được Karl Ereky, một kỹ sư nông nghiệp người Hungari, giới thiệu vào năm 1919, nhằm mô tả việc ứng dụng sinh vật sống để chuyển đổi nguyên liệu thô thành các sản phẩm hữu ích Mặc dù các hoạt động ứng dụng công nghệ sinh học đã xuất hiện từ lâu, khái niệm này đã góp phần định hình ngành công nghiệp hiện đại.
Công nghệ sinh học, trải qua hơn một thế kỷ phát triển, đã đạt được nhiều thành tựu nổi bật trong nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt trong các lĩnh vực như công nghiệp chế biến, nông nghiệp, y học, năng lượng, vật liệu và môi trường Với sự tiến bộ của ngành, định nghĩa về công nghệ sinh học cũng đã thay đổi, nhưng chung quy lại, đây là lĩnh vực khai thác các quá trình sinh học của tế bào hoặc phân tử sinh học kết hợp với kỹ thuật để tạo ra sản phẩm hữu ích Mục tiêu của công nghệ sinh học là biến các tác nhân sinh học, như tế bào và các phân tử sinh học (enzyme, acid nucleic), thành công cụ hữu ích dựa trên nền tảng hiểu biết về các quá trình sinh học.
Công nghệ sinh học là một lĩnh vực đa dạng, bao gồm các sản phẩm, giải pháp công nghệ và dịch vụ nhằm giải quyết vấn đề trong cuộc sống Các tác nhân sinh học có thể được khai thác từ động vật, thực vật và vi sinh vật Trong đó, công nghệ sinh học thực vật là một nhánh quan trọng, tập trung vào việc áp dụng các phương pháp và kỹ thuật để biến tế bào và phân tử sinh học thực vật thành các sản phẩm hữu ích Mức độ can thiệp chủ yếu ở cấp độ tế bào và phân tử, nhờ vào sự hiểu biết về bản chất sinh học của thực vật và sự hỗ trợ từ các ngành khoa học khác Những thành tựu trong sinh học phân tử, sinh học tế bào, sinh lý thực vật, di truyền và vi sinh vật đã đóng góp nền tảng cho sự phát triển của công nghệ sinh học thực vật.
1.1.2 Các công nghệ của công nghệ sinh học thực vật
Dựa vào bản chất, công nghệ sinh học thực vật bao gồm các công nghệ sau:
❖ Công nghệ nuôi cấy mô và tế bào
Công nghệ nuôi cấy mô và tế bào thực vật bao gồm các nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật để phát triển mô và tế bào trong điều kiện vô trùng, nhằm kiểm soát quá trình sống theo mục đích nhất định Đây là công nghệ có lịch sử lâu dài với nhiều thành tựu nổi bật, cho phép nhân giống thành công nhiều loài cây trồng có giá trị mà khó có thể thực hiện bằng phương pháp truyền thống Ngoài ra, các kỹ thuật tiên tiến như nuôi cấy đơn bội, dung hợp tế bào trần, chọn dòng biến dị soma và giao tử đã được áp dụng để tạo ra các cây trồng có tính trạng mới, khả năng chống chịu tốt và sản xuất cây sạch bệnh, đồng thời bảo tồn nguồn gene in vitro Các nguyên lý cơ sở, quy trình kỹ thuật và ứng dụng của công nghệ này sẽ được trình bày chi tiết.
❖ Công nghệ chỉ thị phân tử
Chỉ thị phân tử, hay dấu phân tử, là các trình tự DNA đặc hiệu trong hệ gene của sinh vật, phản ánh sự khác biệt giữa các cá thể Chúng là công cụ hiệu quả để nhận biết và phân biệt sự sai khác về kiểu gene và kiểu hình, từ đó hỗ trợ đánh giá tính đa dạng sinh học, nhận dạng cá thể và chọn tạo giống Công nghệ chỉ thị phân tử tập trung vào việc tìm kiếm và phát triển các trình tự đặc hiệu, giúp phân biệt sự khác biệt di truyền giữa các cá thể và xác định trực tiếp kiểu gene thông qua việc phân tích trình tự gene hoặc các trình tự liên kết chặt với gene.
Phân tích trực tiếp kiểu gene giúp khắc phục những hạn chế trong việc chọn tạo giống dựa trên sự khác biệt kiểu hình Các phương pháp tìm kiếm và phát triển chỉ thị phân tử, cùng với kỹ thuật phân tích, đang thu hút sự chú ý trong công nghệ chỉ thị phân Mặc dù giáo trình này không đi sâu vào chủ đề này, nhưng bạn đọc có thể dễ dàng tìm thấy nhiều tài liệu tham khảo khác.
❖ Công nghệ gene thực vật
Công nghệ gene thực vật, hay còn gọi là kỹ thuật gene, cho phép thay đổi vật chất di truyền của tế bào để tạo ra các tính trạng mới theo mong muốn Quá trình này thực hiện bằng cách dung hợp các gene ngoại lai vào hệ gene hiện có hoặc tiếp nhận các trình tự DNA chức năng nhằm chỉnh sửa vật chất di truyền của tế bào.
Việc thay đổi vật chất di truyền ở thực vật bậc cao thông qua việc đưa DNA ngoại lai vào tế bào là một quá trình phức tạp Tuy nhiên, sự kết hợp của các công nghệ như nuôi cấy mô và tế bào, DNA tái tổ hợp, và các kỹ thuật sinh học phân tử đã giúp đơn giản hóa quá trình này Thông tin di truyền được chuyển vào thực vật không chỉ thể hiện ở cấp độ tế bào và cơ thể mà còn được di truyền qua các thế hệ sau Công nghệ gene thực vật không chỉ mở ra cơ hội chuyển các gene có giá trị kinh tế vào cây trồng mà còn là công cụ quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc và hoạt động của gene.
Trong hoạt động nghiên cứu và ứng dụng, an toàn và đạo đức là hai vấn đề quan trọng được các nhà khoa học và quản lý đặc biệt chú ý Những nội dung cơ bản liên quan đến công nghệ này đã được đề cập chi tiết từ Chương 8 đến Chương 11.
Các nguyên lý cơ sở
1.2.1 Tính toàn năng của tế bào
Tính toàn năng là khả năng của tế bào sinh dưỡng phát triển thành một cá thể hoàn chỉnh, dựa trên giả thuyết của học thuyết tế bào và được chứng minh thực nghiệm Tế bào chuyển từ trạng thái sinh dưỡng sang trạng thái toàn năng thông qua việc tái thiết chương trình tế bào Tính toàn năng của tế bào đóng vai trò quan trọng trong công nghệ nuôi cấy mô và tế bào.
Hiện tượng tái tổ hợp vật liệu di truyền trong tế bào, như trao đổi chéo giữa các đoạn DNA trên nhiễm sắc thể tương đồng và sự kí sinh của virus, là nền tảng cho việc phát triển các phân tử DNA tái tổ hợp thông qua kỹ thuật in vitro Công nghệ DNA tái tổ hợp được ứng dụng nhằm tạo ra phân tử DNA từ các nguồn di truyền khác nhau, phục vụ cho nghiên cứu chức năng trình tự DNA, tạo dòng hoặc biểu hiện gene Để tạo ra các phân tử DNA tái tổ hợp, các enzyme cắt giới hạn, enzyme nối và enzyme tổng hợp DNA đóng vai trò quan trọng.
Công nghệ DNA tái tổ hợp là một công cụ thiết yếu trong công nghệ sinh học thực vật, cho phép thay đổi nhân tạo vật chất di truyền Quy trình này sử dụng hệ thống enzyme cắt giới hạn và nối, bao gồm nhiều bước khác nhau Hiện nay, công nghệ DNA tái tổ hợp đã phát triển thành kỹ thuật di truyền, kết hợp các kỹ thuật phân tử và hệ thống công cụ phân tử, mang lại độ chính xác và linh hoạt trong thao tác vật liệu di truyền trong tế bào.
Biến nạp di truyền là hiện tượng dung hợp vật chất di truyền ngoại lai, làm thay đổi bản chất di truyền của tế bào nhận Lần đầu tiên, hiện tượng này được Frederick Griffith quan sát ở vi khuẩn vào năm 1928 Biến nạp di truyền cũng xảy ra ở thực vật, ví dụ như quá trình chuyển vật chất di truyền từ Agrobacterium tumefaciens vào tế bào cây họ đậu Để tiếp nhận vật chất di truyền ngoại lai, các tế bào cần ở trạng thái khả biến Đây là cơ sở sinh học quan trọng cho khả năng thay đổi di truyền của thực vật Hiện nay, có nhiều phương pháp để biến nạp vật liệu di truyền vào tế bào (xem Chương 9).
Các giai đoạn phát triển của công nghệ sinh học thực vật
Công nghệ sinh học thực vật đã chính thức hình thành từ đầu thế kỷ XX và trải qua hơn một thế kỷ với nhiều giai đoạn phát triển khác nhau Dựa trên các thành tựu nổi bật, lịch sử phát triển của công nghệ sinh học thực vật có thể được phân chia thành các thời kỳ khác nhau.
1.3.1 Giai đoạn phát triển nền tảng công nghệ nuôi cấy mô và tế bào
Giai đoạn từ 1900 đến 1980 chứng kiến nhiều nghiên cứu quan trọng về tính toàn năng của tế bào, được đề cập trong học thuyết tế bào và các ý tưởng về phân lập, nuôi cấy mô thực vật nhằm tái sinh cây Mặc dù các nghiên cứu thực nghiệm chính thức chỉ bắt đầu vào năm 1902 với Haberlandt, và kết quả ban đầu chưa đạt yêu cầu khi mô nuôi cấy chỉ sinh trưởng mà không phân chia tế bào, ông vẫn lạc quan rằng tế bào sẽ thể hiện tính toàn năng trong điều kiện thích hợp.
Trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học đã nỗ lực tìm kiếm điều kiện nuôi cấy tối ưu Từ năm 1943 đến 1962, nhiều công thức môi trường dinh dưỡng mới đã được phát triển, khắc phục những hạn chế của môi trường Knop trước đó Hợp chất phân lập từ thực vật, vi sinh vật hoặc tổng hợp hóa học, được gọi là chất điều hòa sinh trưởng, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
8 các quá trình phát sinh hình thái của tế bào thực vật cũng dần được khám phá Vào năm
Vào năm 1958 - 1959, hai nhà khoa học Reinert và Steward đã thành công trong việc thiết lập hệ thống nuôi cấy cảm ứng các phôi từ mô sinh dưỡng Tuy nhiên, tính toàn năng của tế bào chỉ thực sự được chứng minh qua các thí nghiệm hệ thống của nhóm nghiên cứu Hildebrandt vào năm 1965 – 1967 Họ đã thiết kế một hệ thống buồng vi nuôi cấy “microculture chamber” để cảm ứng phôi sinh dưỡng từ tế bào đơn của thuốc lá nuôi cấy ở dạng giọt treo Các phôi này có khả năng tái sinh thành cây hoàn chỉnh, mở ra cơ hội cho sự phát triển công nghệ nhân giống in vitro và nghiên cứu sinh học thực vật.
Hình 1.1 Sinh trưởng của tế bào sinh dưỡng thuốc lá trong hệ thống buồng vi nuôi cấy (Hildebrandt và cộng sự, 1960)
Các nghiên cứu đã chứng minh tính toàn năng của tế bào, cùng với những kỹ thuật nuôi cấy như nuôi cấy hạt phấn đơn bội, nuôi cấy protoplast và nuôi cấy tế bào đơn đã đạt được nhiều thành công đáng kể Từ cuối những năm 1970, các công nghệ nuôi cấy này đã được ứng dụng để sản xuất một số giống cây trồng có giá trị kinh tế cao trong thực tiễn.
1.3.2 Giai đoạn hình thành công nghệ gene thực vật
Nghiên cứu công nghệ gene bắt đầu vào những năm 1970, khi cơ chế biến nạp vật chất di truyền của vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens ở rễ cây họ đậu được làm sáng tỏ Năm 1974, nhóm nghiên cứu của Schell và Zaenen đã có những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này.
Sự phát hiện Ti plasmid trong Agrobacterium tumefaciens đã chỉ ra vai trò của nó trong việc mang gene gây hình thành khối u Sau đó, một đoạn trình tự đặc biệt trên Ti plasmid đã được xác định, có chức năng quan trọng trong việc chuyển giao vật chất di truyền từ vi khuẩn vào cây Những nỗ lực nghiên cứu không ngừng đã giúp làm rõ cơ chế của quá trình biến nạp và phát triển Ti plasmid thành công cụ chuyển gene hiệu quả Các thành tựu trong sinh học phân tử trong giai đoạn này cũng đã góp phần quan trọng vào sự phát triển công nghệ gene thực vật.
Năm 1983 đánh dấu một cột mốc lịch sử quan trọng khi ba nhóm nghiên cứu do Chilton, Fraley và Schell dẫn đầu đã thành công trong việc tạo ra cây thuốc lá mang gene kháng kháng sinh đầu tiên.
Cuộc cách mạng công nghệ sinh học thực vật bắt đầu từ đây, mở ra nhiều thành tựu trong việc chuyển gene ngoại lai vào cây trồng nhằm cải thiện giống Tuy nhiên, phương pháp chuyển gene bằng Agrobacterium chỉ hiệu quả với cây một lá mầm, trong khi nhiều cây trồng giá trị lại thuộc nhóm này Đến cuối những năm 1980 và đầu 1990, kỹ thuật Agroinfection đã khắc phục hạn chế này, cho phép virus xâm nhiễm thông qua vi khuẩn và sử dụng chất cảm ứng kết hợp với tạo vết thương (Vasil, 2008).
Vào cuối thế kỷ XX, cây trồng chuyển gene bắt đầu được ứng dụng thực tiễn, với cây thuốc lá mang gene kháng bệnh khảm do virus là cây chuyển gene đầu tiên được thương mại hóa vào năm 1992 Sau đó, nhiều cây trồng khác như thuốc lá kháng thuốc diệt cỏ bromoxynil, cà chua chín chậm, khoai tây kháng sâu và đậu nành kháng thuốc diệt cỏ cũng được cho phép thương mại Thời điểm này, các công ty công nghệ sinh học thực vật đã hình thành và tham gia vào nghiên cứu phát triển cây trồng chuyển gene, cùng với việc ban hành các quy định an toàn sinh học liên quan Kỹ thuật dung hợp hai tế bào và chuyển gene trực tiếp vào protoplast cũng được phát triển, với nghiên cứu của Takebe và cộng sự vào năm 1970-1971 đã tái sinh cây hoàn chỉnh từ protoplast, mở ra những ứng dụng mới cho chuyển gene.
Vào đầu những năm 1980, 10 gene đã được nghiên cứu trên một số đối tượng cây một lá mầm Năm 1987, Sanford phát triển phương pháp dội bom, một kỹ thuật chuyển gene trực tiếp hiệu quả Phương pháp này đã được hoàn thiện về mặt kỹ thuật và ứng dụng thành công trên nhiều loại cây khác nhau.
Công nghệ chỉ thị phân tử ở thực vật bắt đầu xuất hiện vào cuối những năm 1980, nhờ vào sự phát hiện hệ thống enzyme cắt giới hạn Chỉ thị đa hình chiều dài đoạn giới hạn là công cụ đầu tiên được sử dụng để lập bản đồ gene ở cà chua và khoai tây vào năm 1988 Sau đó, nhiều chỉ thị phân tử khác đã được phát triển, bao gồm đa hình DNA khuếch đại ngẫu nhiên, lặp lại trình tự đơn giản, và các biến thể của chúng Các chỉ thị này đã được ứng dụng rộng rãi trong việc thiết lập bản đồ hệ gene, xác định biến dị cá thể, đa dạng quần thể, và trong quá trình chọn tạo giống.
1.3.3 Giai đoạn ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu của công nghệ sinh học thực vật vào thực tiễn
Từ đầu thế kỷ XXI, công nghệ sinh học thực vật đã có những bước tiến đáng kể trong ứng dụng thực tiễn Công nghệ nuôi cấy mô tế bào hiện đang được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích như nhân giống, bảo tồn nguồn gene in vitro, sản xuất hợp chất hóa học, và làm công cụ nghiên cứu sinh học thực vật và phân tử Các hệ thống nuôi cấy mới đã được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế của các hệ thống trước đó, đặc biệt là trong nuôi cấy tế bào (Loyola-Vargas và cộng sự).
2018) Nuôi cấy tế bào đã trở thành công nghệ ứng dụng sản xuất có hiệu quả nhiều hợp chất thức cấp có giá trị (Chandran và cộng sự, 2020)
Công nghệ di truyền đang trải qua một giai đoạn phát triển ấn tượng với sự gia tăng danh sách các cây trồng chuyển gene được phép ứng dụng sản xuất Trong khi thế hệ cây trồng chuyển gene đầu tiên chủ yếu tập trung vào tính trạng năng suất, thế hệ thứ hai hiện nay chú trọng nhiều hơn đến việc cải thiện chất lượng và khả năng chống chịu với các điều kiện stress Điều này cho thấy thực vật không chỉ là cây trồng nông nghiệp đơn thuần mà đã trở thành những nhà máy sản xuất đa năng.
Nhiều kỹ thuật phân tử đã được phát triển để thao tác và biểu hiện gene trong tế bào thực vật một cách hiệu quả, giúp thay đổi vật liệu di truyền trở nên linh hoạt và dễ dàng hơn Các gene có thể được điều khiển để biểu hiện theo ý muốn, không chỉ giới hạn ở nhân mà còn có thể thao tác cả hệ gene lục lạp Đặc biệt, từ đầu những năm 2000, phương pháp "chỉnh sửa trực tiếp vật liệu truyền" đã mở ra nhiều nghiên cứu phát triển các công cụ chỉnh sửa gene, trong đó ba hệ thống chỉnh sửa gene nổi bật là "Zinc-finger nucleases" (ZFNs).
Các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ sinh học thực vật
Trồng trọt đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thực phẩm cho con người, đặc biệt khi dân số thế giới dự kiến sẽ đạt khoảng 9,7 tỷ người vào năm 2050, dẫn đến nhu cầu lương thực tăng từ 58 đến 98% (Ranjan và cộng sự, 2017) Tuy nhiên, những thách thức như gia tăng nhiệt độ trái đất, hạn hán, lũ lụt và dịch bệnh ngày càng phức tạp đang đe dọa đến ngành nông nghiệp và an ninh lương thực của nhiều quốc gia Do đó, việc tìm kiếm giải pháp bền vững cho sản xuất nông nghiệp trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.
12 chất lượng thực phẩm, nhu cầu về những thực phẩm tốt cho sức khỏe ngày càng tăng
Công nghệ sinh học thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện phương pháp sản xuất giống và chất lượng giống, từ đó nâng cao năng suất sản xuất nông nghiệp.
1.4.1.1 Cải tiến phương pháp sản xuất giống
Công nghệ nhân giống in vitro có thể thay thế hiệu quả các phương pháp nhân giống truyền thống như ghép cành, chiết cành và giâm cành, đặc biệt đối với những loại cây khó thực hiện bằng phương pháp truyền thống.
Cải thiện giống cây trồng là yếu tố quan trọng để nâng cao năng suất và đảm bảo sản xuất nông nghiệp bền vững Việc áp dụng phương pháp lai tạo truyền thống kết hợp với công nghệ hiện đại như chỉ thị phân tử và nuôi cây mô tế bào là cần thiết để tạo ra các giống cây mang tính trạng ưu thế Công nghệ gene sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển những tính trạng mới, giúp nâng cao năng suất và chất lượng nông sản.
1.4.2 Công nghiệp chế biến và năng lượng
Thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguyên liệu phong phú cho nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là năng lượng và chế biến Công nghệ sinh học thực vật đang thúc đẩy sự phát triển nguồn nguyên liệu cho sản xuất công nghiệp theo hai hướng chính.
Tạo ra nguồn nguyên liệu dồi dào hoặc phát triển nguyên liệu mới là rất quan trọng, chẳng hạn như nguồn cellulose cho ngành công nghiệp chế biến gỗ và nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học (Li và cộng sự, 2014).
Hai là, phát triển quy trình sản xuất mới trong đó tế bào hoặc các thành phần của chúng đóng vai trò là chất xúc tác hiệu quả cho các quá trình sản xuất (Miflin, 1992).
Thực vật cung cấp nhiều hợp chất có giá trị y học và lợi ích cho sức khỏe con người, làm cho công nghệ sinh học thực vật trở thành công cụ quan trọng trong việc khai thác nguồn dược chất này Điều này không chỉ thúc đẩy sự phát triển của ngành sản xuất dược phẩm mà còn mở ra nhiều hướng tiếp cận mới trong công nghệ sản xuất dược phẩm từ thực vật.
- Một là, khai thác các dược chất mới có giá trị y học từ thực vật;
Sử dụng công nghệ nuôi cấy và chỉnh sửa gene có thể tăng cường sự tích lũy và hoạt tính của các dược chất trong tế bào thực vật.
Ba là, việc sử dụng tế bào thực vật để chế biến các sản phẩm mục tiêu đang trở thành xu hướng mới trong công nghệ sinh học Các tế bào này có thể được ứng dụng để sản xuất vaccine tái tổ hợp từ virus, cũng như tạo ra các kháng thể người, mang lại nhiều lợi ích cho y học và sức khỏe cộng đồng.
1.4.4 Bảo tồn nguồn gene thực vật Đa dạng nguồn tài nguyên thực vật có xu hướng ngày càng giảm với tác động của biến đổi khí hậu và hoạt động sống của con người Nhiều nguồn gene quý đang và sẽ đứng trước nguy cơ tuyệt chủng Bên cạnh các giải pháp bảo tồn truyền thống, bảo tồn in vitro đã trở thành giải pháp hữu ích giúp cho việc gìn giữ các nguồn gene an toàn hơn
Chỉ thị phân tử cũng mang lại ý nghĩa thực tiễn công tác bảo tồn
Thực vật có khả năng hấp thu và chuyển hoá các chất ô nhiễm môi trường, đặc biệt là các chất ô nhiễm vô cơ, khiến việc ứng dụng các loài thực vật để xử lý môi trường trở thành một chủ đề quan trọng từ lâu Nhiều loài thực vật đã được sử dụng để cải thiện chất lượng nước và đất Tuy nhiên, việc phát triển các loài thực vật có khả năng hấp thụ và chuyển hoá chất ô nhiễm với hiệu quả cao hơn vẫn là một thách thức lớn Công nghệ gene hứa hẹn sẽ là công cụ tiềm năng để giải quyết vấn đề này, đặc biệt khi cơ chế hấp thụ chất ô nhiễm ở thực vật được làm rõ.
1.4.6 Nghiên cứu sinh học thực vật
Công nghệ sinh học thực vật không chỉ ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống mà còn cung cấp công cụ quan trọng cho nghiên cứu sinh học thực vật, bao gồm nghiên cứu đa dạng di truyền, sinh lý, phân tử và genomics Một ví dụ điển hình là công nghệ nuôi cấy mô tế bào, giúp tạo ra hệ thống nuôi cấy phục vụ cho các nghiên cứu về sinh lý thực vật và chức năng gene.
Xu hướng phát triển của công nghệ sinh học thực vật
Công nghệ sinh học thực vật đã có những ứng dụng đáng kể trong nhiều lĩnh vực trong hơn một thế kỷ qua, với công nghệ nuôi cấy mô tế bào trở thành công cụ chính trong sản xuất giống cây trồng và bảo tồn nguồn gene quý Công nghệ chuyển gene cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải tiến cây trồng, trong khi các chỉ thị phân tử mang lại ý nghĩa lớn cho việc chọn tạo giống cây Trong tương lai gần, công nghệ sinh học thực vật sẽ tiếp tục phát triển để khắc phục các hạn chế của công nghệ hiện tại và khai thác các tiềm năng mới.
1.5.1 Phát triển công nghệ nuôi cấy tế bào
Các nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ nuôi cấy mô tế bào sẽ phát triển theo các xu hướng sau:
Cải tiến công nghệ nuôi cấy hiện có nhằm nâng cao tính tự động và hiệu quả, đồng thời phát triển các kỹ thuật và công nghệ nuôi cấy mới là rất quan trọng Các thành tựu mới trong lĩnh vực kỹ thuật như công nghệ nano và công nghệ thông tin có thể trở thành những công cụ hữu ích để đạt được những mục tiêu này.
- Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng nuôi cấy mô tế bào ở nhiều đối tượng thực vật, đặc biệt gắn liền với các đối tượng cần bảo tồn;
- Thiết lập các hệ thống nuôi cấy tế bào gắn liền với kỹ thuật chuyển hoá để sản xuất các hợp chất có giá trị y học;
- Ứng dụng các công cụ biến đổi di truyền trong việc thay đổi con đường chuyển hoá của tế bào để sản xuất các sản phẩm có giá trị
1.5.2 Ứng dụng của các công nghệ di truyền ở thực vật
Phát triển công nghệ di truyền và ứng dụng vào việc cải thiện tính trạng cây trồng là một chủ đề quan trọng trong tương lai Để đạt được hiệu quả thực tiễn cao hơn, cần giải quyết một số vấn đề cấp bách hiện nay.
- Biểu hiện có hiệu quả nhiều gene cho nhiều tính trạng khác nhau trong một đối tượng cây trồng;
- Tạo công nghệ kháng virus với phổ rộng để kháng lại hiện tượng biến chủng của virus gây bệnh ở cây trồng;
- Khắc phục các vấn đề về biểu hiện gene như loại bỏ hiện tượng bất hoạt gene chuyển, mức độ biểu hiện thấp;
- Ứng dụng hệ thống chỉnh sửa hệ gene CRISPRs-Cas để tạo ra các cây trồng biến đổi gene;
Công nghệ genomics và tin sinh học đang đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại cây trồng có tính trạng nâng cao chất lượng và khả năng chống chịu với các điều kiện stress phi sinh học như mặn, hạn hán và nhiệt độ cực đoan Những công nghệ này sẽ giúp hiện thực hóa nhanh chóng mục tiêu tạo giống cây trồng ưu thế.
Sự đồng thuận về an toàn sinh học đối với sản phẩm biến đổi gene vẫn là một chủ đề thu hút sự chú ý lớn.
1.5.3 Phát triển công nghệ mã vạch dựa vào chỉ thị phân tử
Công nghệ chỉ thị phân tử đang tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật tạo ra chỉ thị có độ chính xác và đặc trưng cao cho từng cá thể Đồng thời, việc ứng dụng các công cụ hiện có để xây dựng "mã vạch định danh" cho các loài cũng đang được chú trọng.
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học thực vật
Lĩnh vực công nghệ sinh học thực vật tại Việt Nam khởi đầu vào những năm 1970 với sự ra đời của các phòng thí nghiệm nghiên cứu công nghệ nuôi cấy mô tế bào Trong giai đoạn này, đội ngũ các nhà khoa học và trang thiết bị còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào việc nhân giống một số cây trồng nông nghiệp.
Nhận thức được tầm quan trọng chiến lược của công nghệ sinh học thực vật trong phát triển nông nghiệp, Chính phủ Việt Nam đã triển khai nhiều chính sách nhằm thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng lĩnh vực này Cụ thể, Ban Bí thư đã ban hành Chỉ thị số 50 CT/TW vào ngày 4/3/2005, nhằm tăng cường phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Sau gần 50 năm, công nghệ sinh học thực vật tại Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể trong việc phát triển nguồn lực và đạt được nhiều thành tựu nghiên cứu ứng dụng.
1.6.1 Phát triển nguồn lực Đội ngũ các nhà khoa học và nguồn nhân lực phục vụ được đào tạo bài bản từ các nước phát triển và tăng nhanh về số lượng so với trước đây Các cơ sở đào tào, nghiên cứu và ứng dụng có sự thay đổi lớn cả về số lượng và quy mô với các trang thiết bị tương đối hiện đại Các nhà khoa học Việt Nam đã có thể làm chủ các công nghệ tiên tiến hiện nay
1.6.2 Thành tựu nghiên cứu và ứng dụng
Công nghệ nuôi cấy mô tế bào đã đạt được nhiều thành tựu nổi bật, với ứng dụng rộng rãi trong việc nhân nhanh các giống cây trồng như hoa, cây cảnh, cây lâm nghiệp, và cây thuốc, đồng thời bảo tồn nhiều nguồn gene dược liệu quý hiếm Hiện có hơn 100 phòng thí nghiệm sử dụng kỹ thuật này, sản xuất gần 30 triệu cây giống vô tính (Dương Tấn Nhựt và Hoàng Xuân Chiến, 2012) Nhiều hệ thống nuôi cấy cải tiến và kỹ thuật mới, như nuôi cấy lát cắt mỏng và ứng dụng đèn LED trong nhân giống in vitro, đã được phát triển (Dương Tấn Nhựt, 2011) Mặc dù công nghệ di truyền đã đạt được một số thành tựu trong nghiên cứu, các ứng dụng thực tế vẫn còn hạn chế, với nhiều chỉ thị phân tử giá trị được phát triển để hỗ trợ lai tạo giống và đánh giá tính đa dạng của cây trồng Công nghệ gene thực vật vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, chủ yếu phát triển kỹ thuật và ứng dụng cho nghiên cứu sinh học phân tử thực vật.
1.6.3 Định hướng phát triển đến năm 2030
Các quyết định quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển công nghệ sinh học thực vật tại Việt Nam đến năm 2030 bao gồm Nghị quyết số 23-NQ/TW về chính sách phát triển công nghiệp quốc gia và Quyết định số 553/QĐ-TTg về kế hoạch phát triển công nghiệp sinh học Những văn bản này xác định định hướng phát triển công nghệ sinh học thông qua việc đầu tư, đổi mới chính sách và hợp tác quốc tế, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho doanh nghiệp trong việc sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học, từ đó khẳng định vị thế của ngành này trong nền kinh tế - kỹ thuật quốc gia.
Công nghệ sinh học thực vật là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp sinh học để cải thiện cây trồng, bao gồm việc phát triển giống cây mới, nâng cao năng suất và khả năng chống chịu với sâu bệnh Phạm vi đối tượng của công nghệ sinh học thực vật bao gồm các loại cây nông nghiệp, cây lương thực, cây công nghiệp và cây cảnh Ba công nghệ chính trong công nghệ sinh học bao gồm công nghệ chuyển gen, công nghệ nuôi cấy mô và công nghệ sinh học phân tử, mỗi công nghệ đều đóng vai trò quan trọng trong việc cải tiến và phát triển cây trồng bền vững.
Câu 3: Trình bày đặc điểm chính của các giai đoạn phát triển của công nghệ sinh học thực vật ?
Câu 4: Giải thích vai trò của các quá trình sinh học cơ sở: tính toàn năng, tái tổ hợp
DNA và biến nạp di truyền đối với sự hình thành công nghệ sinh học thực vật ?
Câu 5: Tại sao nói công nghệ DNA tái tổ hợp là công cụ quan trọng cho sự phát triển của công nghệ sinh học thực vật ?
Công nghệ sinh học thực vật có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như cải thiện giống cây trồng, sản xuất thực phẩm, bảo vệ môi trường và phát triển dược phẩm Nó giúp tăng năng suất và chất lượng cây trồng, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực của sâu bệnh và biến đổi khí hậu Nhờ vào công nghệ sinh học thực vật, nông nghiệp có thể phát triển bền vững, đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng cao và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.
Câu 7: Phân tích các xu hướng phát triển trong tương lai của công nghệ sinh học thực vật ?
GIỚI THIỆU VỀ NUÔI CẤY MÔ VÀ TẾ BÀO THỰC VẬT
Lịch sử phát triển
Nuôi cấy mô và tế bào thực vật là quá trình nuôi cấy vô trùng các tế bào, mô và cơ quan thực vật trong điều kiện in vitro, giúp nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực thực vật Phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu cơ bản cũng như trong việc thương mại hóa các sản phẩm từ thực vật.
Bắt nguồn từ ý tưởng của nhà khoa học người Đức Haberlandt vào đầu thế kỷ XX, nghiên cứu về nuôi cấy rễ, phôi và mô thực vật đã được thực hiện lần đầu tiên Từ giữa những năm 1940 đến 1960, các kỹ thuật nuôi cấy mới được phát triển và cải tiến, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu Đến những năm 1990, ứng dụng các kỹ thuật in vitro đã được tiếp tục phát triển nhằm tăng số lượng các loài thực vật Nuôi cấy tế bào thực vật đã trở thành một công cụ quan trọng trong lĩnh vực nông nghiệp và sinh học.
20 nghiên cứu quan trọng trong sinh học và hóa sinh học đã được công nhận là nền tảng cho nghiên cứu sinh học phân tử và công nghệ sinh học nông nghiệp Lịch sử phát triển công nghệ nuôi cấy mô và tế bào thực vật được tóm tắt qua các mốc thời gian đáng chú ý.
- Năm 1902, Haberlandt lần đầu tiên thí nghiệm nuôi cấy mô cây một lá mầm nhưng không thành công
Vào năm 1934, Kogl đã phát hiện ra vai trò quan trọng của IAA, một loại hormone thực vật đầu tiên thuộc nhóm auxin, có khả năng kích thích sự tăng trưởng và phân chia tế bào.
Vào năm 1939, ba nhà khoa học Gautheret, Nobecourt và White đã thành công trong việc nuôi cấy mô sẹo (callus) từ mô thượng tầng của cà rốt và thuốc lá, cho thấy callus có khả năng sinh trưởng liên tục trong thời gian dài.
- Năm 1941, Overbeek và cs đã sử dụng nước dừa trong nuôi cấy phôi non ở cây cà rốt Datura
- Năm 1949, Limmasets và Cornuet đã phát hiện rằng virus phân bố không đồng nhất trên cây và thường không thấy có virus ở vùng đỉnh sinh trưởng
Năm 1952, Morel và Martin đã phát triển thành công phương pháp nuôi cấy đỉnh sinh trưởng để tạo ra cây khoai tây sạch bệnh virus từ 6 giống khác nhau Kỹ thuật này, sau một số cải tiến, đã trở thành phương pháp phổ biến để loại trừ bệnh virus ở nhiều loại cây trồng khác Họ cũng là những người đầu tiên thực hiện vi ghép in vitro thành công, mở ra hướng đi mới cho việc tạo nguồn giống sạch bệnh virus, đặc biệt là trong lĩnh vực cây ăn quả và các cây trồng nhân giống vô tính khác.
Vào năm 1955, Miller và các cộng sự đã phát minh ra cấu trúc và quá trình sinh tổng hợp của kinetin, một cytokinin quan trọng trong việc phân bào và phân hóa chồi trong mô nuôi cấy.
Năm 1957, Skoog và Miller đã phát hiện ra rằng tỷ lệ nồng độ auxin và cytokinin trong môi trường ảnh hưởng đến sự phát sinh cơ quan như rễ hoặc chồi Cụ thể, khi tỷ lệ auxin/cytokinin (ví dụ: nồng độ IAA so với nồng độ kinetin) nhỏ hơn 1, mô có xu hướng tạo chồi, trong khi khi tỷ lệ này lớn hơn 1, mô có xu hướng phát triển thành rễ.
21 hướng tạo rễ Tỷ lệ nồng độ auxin và cytokinin thích hợp sẽ kích thích phân hoá cả chồi và rễ, tạo cây hoàn chỉnh
- Năm 1959, Tulecke và Nickell đã thử nghiệm sản xuất sinh khối mô thực vật quy mô lớn (134 lít) bằng nuôi cấy chìm
Năm 1960, Morel đã cách mạng hóa kỹ thuật nuôi cấy đỉnh sinh trưởng để nhân nhanh địa lan Cymbidium, đánh dấu sự khởi đầu của ngành vi nhân giống thực vật Cocking là người đầu tiên áp dụng enzym phân giải tế bào, tạo ra số lượng lớn protoplast Kỹ thuật này sau đó được cải tiến để tách và nuôi protoplast ở nhiều loại cây trồng khác nhau.
Năm 1964, Guha và Maheshwari đã thành công trong việc tạo ra cây đơn bội từ nuôi cấy bao phấn của cây cà Datura, mở ra một bước tiến quan trọng trong sinh học thực vật Kỹ thuật này đã được nhiều tác giả phát triển và ứng dụng rộng rãi, cho phép tạo ra các dòng đơn bội (1x) và dòng thuần nhị bội kép (2x) Ngoài ra, nó cũng giúp cố định ưu thế lai bằng cách nuôi cấy bao phấn hoặc hạt phấn của dòng lai F1 để tạo ra giống thuần mang tính trạng ưu thế lai.
- Năm 1971, Takebe và cs đã tái sinh được cây từ protoplast mô thịt lá ở thuốc lá
Năm 1972, Carlson và nhóm nghiên cứu đã thực hiện thành công việc lai tế bào soma giữa các loài, tạo ra cây từ sự dung hợp protoplast của hai loài thuốc lá Nicotiana glauca và N langsdorfii.
- Năm 1974, Zaenen và cs đã phát hiện plasmid Ti đóng vai trò là yếu tố gây u ở cây trồng
- Năm 1977, Noguchi và cs đã nuôi cấy tế bào thuốc lá trong bioreactor dung tích lớn 20.000 lít
Vào năm 1978, Melchers và cộng sự đã thành công trong việc tạo ra cây lai soma "Cà chua thuốc lá" thông qua quá trình lai xa protoplast của hai cây khác nhau Đến nay, công nghệ tái sinh cây hoàn chỉnh từ protoplast hoặc từ lai protoplast đã được áp dụng thành công ở nhiều loài thực vật khác nhau, mở ra những tiềm năng mới trong lĩnh vực công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật.
Vào năm 1978, Tabata và cộng sự đã tiến hành nuôi cấy tế bào cây thuốc ở quy mô công nghiệp nhằm sản xuất shikonin Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc chọn lọc dòng tế bào có khả năng sản xuất các sản phẩm thứ cấp, đặc biệt là shikonin, với năng suất cao hơn.
- Năm 1979, Marton và cs đã xây dựng quy trình chuyển gene vào protoplast bằng đồng nuôi cấy protoplast và Agrobacterium
Năm 1981, Larkin và Scowcroft đã phát hiện ra rằng trong nuôi cấy mô và tế bào, có sự xuất hiện phổ biến của các biến dị với tần số cao, từ đó họ đã đề xuất thuật ngữ mới để mô tả hiện tượng này.
Biến dị dòng soma là hiện tượng thay đổi di truyền tính trạng xảy ra qua quá trình nuôi cấy mô và tế bào in vitro Từ các dòng tế bào hoặc cây biến dị di truyền ổn định, có thể nhân nhanh để tạo ra các dòng và giống đột biến với năng suất cao, hàm lượng hoạt chất hữu ích lớn, đồng thời kháng lại các điều kiện bất lợi như bệnh tật, độ mặn và hạn hán.
Cơ sở khoa học của nuôi cấy mô và tế bào thực vật
Năm 1662, Robert Hooke thiết kế kính hiển vi đơn giản đầu tiên và phát hiện cấu trúc của miếng bấc bần, gọi các hạt nhỏ trong đó là tế bào Đến năm 1675, Leeuwenhoek xác nhận rằng cơ thể động vật cũng bao gồm tế bào, quan sát thấy máu động vật chứa hồng cầu và gọi chúng là tế bào máu Tuy nhiên, mãi đến năm 1838 và 1839, Schleiden và Schwann mới chính thức xây dựng học thuyết tế bào, khẳng định rằng mỗi cơ thể động thực vật đều bao gồm những tế bào độc lập, riêng rẽ và tách biệt Schleiden và Schwann được coi là hai ông tổ của học thuyết tế bào, mặc dù họ không phải là những người đầu tiên phát biểu nguyên tắc này, mà chỉ diễn đạt nó một cách rõ ràng và hiển nhiên, dẫn đến sự công nhận rộng rãi trong giới sinh học thời bấy giờ.
Năm 1902, Haberlandt đã đề xuất phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật, chứng minh tính toàn năng của tế bào Ông cho rằng mỗi tế bào trong cơ thể sinh vật đa bào đều có khả năng phát triển thành một cá thể hoàn chỉnh, chứa đầy đủ thông tin di truyền cần thiết Nếu gặp điều kiện thích hợp, mỗi tế bào có thể phát triển thành một sinh vật độc lập Hơn 50 năm sau, các nhà nghiên cứu về nuôi cấy mô và tế bào thực vật đã đạt được thành tựu chứng minh khả năng tồn tại và phát triển độc lập của tế bào.
Tính toàn năng của tế bào thực vật đã được khẳng định qua nhiều nghiên cứu, trong đó nổi bật là công trình của Miller và Skoog (1953) khi tạo ra rễ từ mảnh mô cắt của cây thuốc lá, cùng với nghiên cứu của Reinert và Steward (1958) khi tạo ra phôi và cây cà rốt hoàn chỉnh từ tế bào đơn nuôi.
24 cấy trong dung dịch, Cocking (1960) tách được protoplast và Takebe (1971) tái sinh được cây hoàn chỉnh từ nuôi cấy protoplast của lá cây thuốc lá
Kỹ thuật tạo dòng tế bào đơn trong điều kiện in vitro cho thấy rằng tế bào soma có khả năng phân hóa thành một cơ thể thực vật hoàn chỉnh khi được cung cấp điều kiện thích hợp Sự phát triển này là kết quả của sự kết hợp giữa phân chia và phân hóa tế bào Để thể hiện tính toàn năng, tế bào phân hóa sẽ trải qua giai đoạn phản phân hóa, sau đó là giai đoạn tái phân hóa Phản phân hóa là hiện tượng tế bào trưởng thành quay trở lại trạng thái phân sinh và hình thành mô callus không phân hóa, trong khi tái phân hóa là khả năng của các tế bào này để tạo thành cây hoàn chỉnh hoặc các cơ quan thực vật.
Một số thuật ngữ trong nuôi cấy mô và tế bào thực vật
Trong lĩnh vực nuôi cấy mô và tế bào thực vật, một số thuật ngữ thường được sử dụng như sau:
- Bảo quản lạnh sâu (cryopreservation): Bảo quản tế bào, mô, phôi, hạt ở nhiệt độ siêu lạnh, thường là - 196 o C
- Biến dị dòng giao tử (gametoclonal variation): Biến đổi kiểu hình không do kiểu nhân hoặc ngoại biến mà do nguồn gốc giao tử gây nên
- Cảm ứng (induction): Protoplast gây tạo một loại cấu trúc, bộ phận hay một quá trình nào đó trong điều kiện in vitro
Cấy chuyền (passage hoặc subculture) là quá trình chuyển tế bào, mô hoặc mẫu vật nuôi cấy sang bình nuôi mới với môi trường đã pha chế Quá trình này bao gồm việc tách nhỏ hoặc làm loãng mật độ tế bào nhằm tăng cường số lượng tế bào trong nuôi cấy.
- Chồi hoặc rễ bất định (adventitious roots or shoots): Là những chồi hoặc rễ phát sinh từ những vùng khác thường, không phải là hợp tử
Chủng tế bào là tập hợp các tế bào có những đặc điểm riêng biệt, được lựa chọn từ nuôi cấy khởi sinh hoặc từ dòng tế bào có trước Việc nêu rõ nguồn gốc của chủng tế bào là rất quan trọng trong các công bố khoa học, đặc biệt khi các chủng này được lấy từ các phòng thí nghiệm khác.
- Con lai tế bào soma (somatic cell hybrid): Tế bào hoặc cây hoàn chỉnh tạo được do lai tế bào trần (protoplast) với đặc tính di truyền khác nhau
- Đỉnh sinh trưởng chồi ngọn (shoot apical meristem): Mô chưa phân hóa hình chóp nằm trong các mầm lá ở chồi ngọn, khi tách không lớn quá 0,1 mm
Độ xốp lỏng (friability) là tình trạng không liên kết của các tế bào thực vật trong khối mô sẹo Mô sẹo xốp lỏng gây khó khăn trong việc tái sinh cây hoàn chỉnh.
- Dòng (clone): Tập hợp các cá thể nhân được bằng phương thức nhân giống vô tính từ một cá thể duy nhất
- Dòng giao tử (gametoclone): Những thực vật được tạo ra từ giao tử, bào tử giảm nhiễm hoặc thể giao tử
- Dòng tế bào (cell line): Khái niệm để chỉ sự nuôi cấy của những tế bào có nguồn gốc chung từ lần cấy chuyển đầu tiên
- Già hóa (senesence): Biểu hiện mất khả năng phân chia của tế bào và mô trong nuôi cấy
Kỹ thuật vô trùng là quy trình quan trọng nhằm ngăn ngừa sự nhiễm khuẩn, nấm, siêu vi khuẩn và các loại vi sinh vật khác trong nuôi cấy mô và tế bào Việc áp dụng kỹ thuật này giúp đảm bảo môi trường nuôi cấy sạch sẽ, từ đó nâng cao hiệu quả và độ chính xác của các nghiên cứu sinh học.
- Lai tế bào soma (somatic cell hybridization): Quá trình dung hợp protoplast của tế bào soma động vật hay thực vật có đặc tính di truyền khác nhau
Lần cấy chuyển (passage number) là số lần mà tế bào, mô hoặc mẫu vật nuôi cấy đã được cấy chuyển, giúp xác định tuổi và hệ số đẳng trương của chúng.
- Mật độ quần thể (population density): Số lượng tế bào trên đơn vị diện tích nuôi cấy hay trên đơn vị thể tích nuôi cấy
- Mẫu vật (explant): Mô được tách từ nguyên liệu ban đầu dùng để duy trì hoặc nuôi cấy
Callus là một loại mô thực vật bao gồm các tế bào chưa phân hóa, có khả năng phân chia và phát sinh từ các tế bào đã phân hóa Khi cây bị tổn thương, mô callus thường hình thành tại vết thương, do đó còn được gọi là mô sẹo.
Nhân dòng (clonal propagation) là phương pháp nhân giống vô tính các dòng thực vật từ một cá thể hoặc một mảnh cắt duy nhất, giúp đảm bảo tính đồng nhất về di truyền.
Nhân giống in vitro, hay còn gọi là micropropagation, là quá trình nhân giống một loài thực vật trong các ống nghiệm hoặc hộp plastic, sử dụng môi trường nhân tạo và đảm bảo điều kiện vô trùng.
Nhân giống vô tính là phương pháp nhân giống không sử dụng quá trình sinh sản hữu tính, bao gồm các kỹ thuật như nhân giống in vitro, giâm cành, giâm lá, giâm rễ, chiết, ghép và tách gốc Các phương pháp này giúp tạo ra các cây con giống hệt như cây mẹ, đảm bảo tính đồng nhất và duy trì các đặc tính di truyền mong muốn.
- Nuôi cấy đỉnh ngọn (shoot tip (apex) culture): Sử dụng đỉnh sinh trưởng chồi ngọn cùng với một hai mầm lá với tổng kích thước từ 0,1 đến 1,0 mm
- Nuôi cấy cơ quan (organ culture): Duy trì và phát triển toàn bộ hay một phần cơ quan động, thực vật trong điều kiện in vitro
- Nuôi cấy đỉnh sinh trưởng (meristem culture): Nuôi cấy mẫu mô hình chóp không lớn hơn 0,1 mm Thường được tách từ rễ ngọn dưới kính hiển vi
- Nuôi cấy huyền phù (suspension culture): Phương thức nuôi tế bào đơn hay cụm nhiều tế bào ở trạng thái lơ lửng trong môi trường lỏng
Nuôi cấy mô là phương pháp duy trì và phát triển các loại mô trong điều kiện in vitro, giúp kiểm soát sự phân hóa về hình thái và chức năng của chúng.
Nuôi cấy mô thực vật là quá trình duy trì và phát triển tế bào, mô, cơ quan hoặc cây hoàn chỉnh trong điều kiện in vitro Phương pháp này giúp tạo ra các giống cây mới, bảo tồn nguồn gen và nâng cao năng suất cây trồng một cách hiệu quả.
Nuôi cấy khởi đầu, hay còn gọi là nuôi cấy sơ cấp, là quá trình nuôi cấy đầu tiên khi tách tế bào, mô hoặc mẫu vật từ cơ thể ban đầu Quá trình này kéo dài cho đến khi thực hiện cấy chuyển hữu hiệu lần đầu, từ đó cho phép thu được dòng tế bào.
- Nuôi cấy phôi (embryo culture): Duy trì và phát triển phôi non hoặc đã trưởng thành được phân lập từ hạt
Nuôi cấy tế bào là quá trình nuôi dưỡng tế bào trong ống nghiệm (in vitro), bao gồm cả tế bào đơn lẻ không phân hóa thành mô.
Phân hóa là quá trình chuyên môn hóa các tế bào, giúp chúng phát triển về chức năng và hình thái Quá trình này tạo ra các loại mô và cơ quan, từ đó hình thành nên một cơ thể hoàn chỉnh.
Phân hóa hình thái (morphogenetic differentiation) là quá trình phân hóa riêng về mặt hình thái, tập trung vào sự hình thành chồi và rễ từ mô sẹo, đồng thời thể hiện sự phát sinh hình thái trong sinh học.
- Phân hóa phôi (embryogenesis): Quá trình hình thành phôi (phôi hóa) và phát triển phôi
Một số ứng dụng của công nghệ nuôi cấy mô và tế bào thực vật
Sự phát triển gần đây trong nuôi cấy mô và tế bào thực vật đã biến lĩnh vực này thành một trong những ngành năng động và tiềm năng nhất trong sinh học thực nghiệm Công nghệ mới này đã thúc đẩy sự hiểu biết sâu sắc hơn về nhiều hướng nghiên cứu khác nhau.
- Tính toàn năng, dinh dưỡng, trao đổi chất, phân chia, biệt hóa và bảo tồn của tế bào thực vật;
- Phát sinh hình thái và tái sinh từ các tế bào hoặc mô thực vật tách biệt thông qua quá trình phát sinh cơ quan hoặc phôi soma;
- Tạo các biến dị trong nuôi cấy in vitro;
- Phát triển các thể đơn bội thông qua nuôi cấy bao phấn, hạt phấn bao gồm nuôi cấy noãn;
- Chương trình lai hoang dại thông qua nuôi cấy phôi, noãn, bầu nhụy;
- Nhân giống in vitro từ các nguyên liệu thực vật;
- Chọn dòng biến dị chống chịu với các yếu tố tress vật lý, hóa học và sinh học của môi trường;
- Sinh tổng hợp các hợp chất trao đổi thứ cấp thông qua nuôi cấy in vitro;
- Công nghệ gene thực vật thông qua các phương pháp nuôi cấy in vitro và kỹ thuật chuyển gene
Nuôi cấy mô, tế bào và cơ quan thực vật đóng vai trò quan trọng trong công nghệ sinh học thực vật, đồng thời là nền tảng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu như sinh lý, sinh hóa, di truyền và sinh học tế bào.
Nuôi cấy mô và tế bào thực vật là một lĩnh vực thành công nổi bật trong công nghệ sinh học thực vật Thông qua các kỹ thuật nuôi cấy trong điều kiện vô trùng, các bộ phận tách rời của cây trồng đã được phát triển, mở ra nhiều ứng dụng hữu ích trong nông nghiệp và nghiên cứu.
29 trong thực tiễn sản xuất và đời sống Một số ứng dụng chủ yếu của công nghệ nuôi cấy mô và tế bào thực vật:
- Nhân nhanh vô tính các giống cây quý:
Từ một mẫu nuôi cấy, có thể tạo ra hàng triệu cây con giống nhau nếu đủ thời gian cấy chuyển, tuy nhiên, hệ số cấy chuyển phụ thuộc vào nguồn giống Chẳng hạn, từ một chồi dứa trong nuôi cấy ống nghiệm có thể nhân ra hàng triệu cây dứa giống, trong khi từ một chồi chuối chỉ có thể tạo ra khoảng 2.000 cây chuối giống.
Cải thiện giống cây trồng thông qua nuôi cấy đỉnh sinh trưởng là phương pháp hiệu quả để phục tráng các giống cây quý bị nhiễm virus Bằng cách nuôi cấy đỉnh sinh trưởng, người ta có thể nhân nhanh những cây hoàn toàn sạch bệnh từ nguồn gốc nhiễm virus Sau một vài lần nuôi cấy, quá trình này giúp tạo ra những cây khỏe mạnh, mang lại giá trị cao cho nông nghiệp.
- Tạo dòng đơn bội từ nuôi cấy bao phấn và nuôi cấy tế bào hạt phấn:
Kỹ thuật nuôi cấy bao phấn và hạt phấn đã được áp dụng để tạo ra cây đơn bội, từ đó thực hiện lưỡng bội hóa nhằm hình thành dòng đồng hợp tử.
- Khắc phục lai xa bằng cách thụ phấn trong ống nghiệm nhờ kĩ thuật nuôi cấy phôi:
Nuôi cấy trong ống nghiệm đã giúp khắc phục tình trạng bất hợp giao tử trước và sau khi thụ tinh, đặc biệt là trong việc lai giữa các cây có khoảng cách di truyền xa.
- Lai vô tính còn gọi là dung nạp protoplast:
Kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào thực vật cho phép tạo ra cây lai từ hai giống khác nhau về mặt di truyền Quá trình này sử dụng enzyme để hòa tan màng tế bào, sau đó nuôi cấy protoplast trong môi trường nhân tạo Các protoplast phát triển thành khối mô callus, từ đó được chuyển sang môi trường phân hóa chức năng tế bào để nuôi cấy thành cây lai.
- Tạo giống cây trồng mới bằng kỹ thuật chuyển gene:
Dựa trên việc xác định các tính trạng quý do gene quy định, các nhà khoa học có thể chuyển những gene này vào cây trồng khác nhằm tạo ra những giống mới với các đặc tính mong muốn.
Công nghệ nuôi cấy mô và tế bào thực vật đã trải qua một quá trình phát triển đáng kể, bắt đầu từ những năm 1900 với những nghiên cứu đầu tiên về nuôi cấy tế bào Cơ sở khoa học của công nghệ này dựa trên khả năng sinh trưởng và phát triển của tế bào thực vật trong môi trường nhân tạo, cho phép tái tạo cây trồng từ một tế bào duy nhất Các ứng dụng của công nghệ nuôi cấy mô và tế bào thực vật rất đa dạng, bao gồm nhân giống nhanh chóng, bảo tồn giống cây quý hiếm, cải tiến giống cây trồng và sản xuất các hợp chất sinh học có giá trị.
Công nghệ nuôi cấy mô và tế bào thực vật tại Việt Nam mang lại nhiều ưu điểm, như khả năng sản xuất giống cây trồng đồng nhất, kháng bệnh, và rút ngắn thời gian sinh trưởng Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp phải một số hạn chế, bao gồm chi phí đầu tư cao, yêu cầu kỹ thuật phức tạp và sự phụ thuộc vào các điều kiện môi trường cụ thể Việc áp dụng công nghệ này cần được cân nhắc kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp.
Công nghệ nuôi cấy mô và tế bào thực vật ở nước ta nên tập trung phát triển trong các lĩnh vực nông nghiệp, y học và bảo tồn đa dạng sinh học Trong nông nghiệp, công nghệ này có thể giúp tạo ra giống cây trồng chất lượng cao, kháng bệnh và năng suất tốt hơn, như giống lúa hay cây ăn trái Trong y học, nuôi cấy tế bào thực vật có thể được ứng dụng để sản xuất các hợp chất sinh học có giá trị, ví dụ như thuốc từ cây thuốc Ngoài ra, công nghệ này cũng góp phần quan trọng trong việc bảo tồn các loài thực vật quý hiếm, giúp duy trì sự đa dạng sinh học.
Câu 6: Phân biệt chồi bất định, đỉnh sinh trưởng ?
Câu 7: Thế nào là nuôi cấy đỉnh ngọn, nuôi cấy cơ quan, nuôi cấy đỉnh sinh trưởng ?