đề tài ứng dụng công nghệ di truyền trong sản xuất thuốc trừ sâu sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP TRƯỜNG SƯ PHẠM

KHOA SƯ PHẠM KHOA HỌC TỰ NHIÊN 

MỤC LỤC

A - MỞ ĐẦU 2

1 Thực trạng sâu bệnh hại cây trồng hiện nay: 2

2 Vai trò của thuốc trừ sâu trong nông nghiệp 3

3 Thuốc trừ sâu hóa học: 3

4 Thuốc trừ sâu sinh học: 3

B - NỘI DUNG: 4

I Di truyền học và ứng dụng 4

1 Khái quát về di truyền học: 4

2 Ứng dụng của di truyền học trong các lĩnh vực 5

II Ứng dụng của di truyền học vào sản xuất thuốc trừ sâu sinh học: 6

1 Sơ lược về thuốc trừ sâu sinh học: 6

2 Các loại thuốc trừ sâu sinh học ứng dụng di truyền học phổ biến 7

2.1 Thuốc trừ sâu sinh học từ vi khuẩn Bt (Bacillus thuringiensis) 7

a Giới thiệu về vi khuẩn Bt (Bacillus thuringiensis) 7

b Thuốc trừ sâu sản xuất từ vi khuẩn Bt 8

c Một số loại thuốc trừ sâu Bt được sử dụng trong nông nghiệp: 11

2.2 Thuốc trừ sâu sản xuất từ virus 11

a Một số nhóm virus có khả năng gây bệnh cho côn trùng 11

b Thuốc trừ sâu từ virus 12

c Một số loại thuốc trừ sâu sản xuất từ virus được sử dụng: 14

3 Những thành tựu đạt được trong quá trình nghiên cứu, ứng dụng sinh học di truyền vào sản xuất thuốc trừ sâu sinh học 15

C- KẾT LUẬN - ĐỀ XUẤT 16

D – TÀI LIỆU THAM KHẢO: 16

A - MỞ ĐẦU

1 Thực trạng sâu bệnh hại cây trồng hiện nay:

- Bên cạnh vấn đề về lũ lụt, hạn hán, bệnh dịch và các loại động vật phá hoại mùa màng thì các loại sâu bệnh hại cũng chính là nỗi lo lớn nhất của bà con trong quá trình canh tác Chúng gây hại đến cây trồng, gây mất mùa màng và giảm năng suất – chất lượng của cây trồng

- Môi trường sống thay đổi đang là nguy cơ làm gia tăng các loại sâu hại, với khả năng thích nghi cao, mức độ gây hại nặng hơn cho cây trồng Một số nghiên cứu gần đây cho thấy, tại nhiều địa phương trong nước đã xuất hiện thêm nhiều loại dịch hại mới, gây thiệt hại nặng cho sản xuất nông nghiệp

- Tần suất sâu bọ xuất hiện, gây hại gần như suốt vòng đời của cây trồng vụ đông xuân Trong đó, nhiều nhất là các loại sâu ăn lá, rễ, hoa, quả

- Trong môi trường sản xuất luôn tồn tại đa dạng những loài sâu bọ, dịch hại Tuy nhiên, những năm gần đây, các loại sâu hại trên cây trồng như: rệp sáp, rệp muội, rệp vẫy nâu, sâu đục cành, sâu ăn lá xuất hiện nhiều hơn, với nhiều biến chủng dị thường

- Mức độ gây hại của các loại sinh vật này cũng nghiêm trọng, đặc biệt là chúng có khả năng kháng lại một số loại thuốc bảo vệ thực vật thông thườ

Sâu bệnh phá hại cây trồng

2 Vai trò của thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

- Tăng sản lượng sản xuất lương thực do bảo vệ được mùa màng, chống lại việc gây bệnh, lấn chiếm của cỏ dại, sự phá hại của sâu bệnh, côn trùng và kí sinh của giun

- Ngăn cản sự hư hỏng của nông sản, dự trữ lương thực

- Tiết kiệm được tài chính cho con người nhờ sự ngăn ngừa bệnh tật do sâu bệnh, côn trùng gây ra

Hiện nay có 2 loại thuốc trừ sâu được sử dụng trong nông nghiệp là: Thuốc trừ sâu hóa học và thuốc trừ sâu sinh học

3 Thuốc trừ sâu hóa học:

- Thuốc trừ sâu hóa học có khả năng tiêu diệt sâu bệnh nhanh hơn, diện tích lớn hơn Có phổ độc tính rộng cho động vật, thực vật và cả phiêu sinh thực vật

Tuy nhiên thuốc trừ sâu hóa học đem lại khá nhiều mối nguy hại cho con người và môi trường:

+ Có thể gây chết các quần thể động vật ở trong hay quanh vùng xử lí thuốc + Xáo trộn sự tạo phôi và phát triển hậu phôi của động vật có xương sống thủy sinh + Giảm lượng thức ăn cho các loài ở các bậc dinh dưỡng khác nhau trong hệ sinh thái nông nghiệp

+ Làm thay đổi cân bằng tự nhiên: Có thể gây ra sự phát triển quá lớn của một loài thực vật hay động vật nào đó

+ Phá hủy nghiêm trọng các quần xã sinh vật ở nhiều vùng trên thế giới

+ Ảnh hưởng đến môi trường: Gây rủi ro sinh thái đối với các loài không thuộc đối tượng loại trừ, bao gồm cả các loài sinh vật trong môi trường và cả con người

+ Dư lượng thuốc trừ sâu tồn đọng trong môi trường: Các thuốc trừ sâu khó phân hủy, có thể tồn tại trong môi trường rất lâu và có khả năng tích lũy sinh học theo hệ thức ăn Có thể làm hệ sinh thái bị nhiễm độc, phá vỡ vòng tuần hoàn, sản xuất,

4 Thuốc trừ sâu sinh học:

Với những mối nguy hiểm có thể xảy ra với con người và môi trường tự nhiên như trên, thuốc trừ sâu sinh học đã được nghiên cứu và cho ra đời vì những ưu điểm mà nó mang lại:

-Sử dụng đúng cách thì hiệu quả sẽ mở rộng, bền vững, lâu dài

- Đảm bảo an toàn, không gây độc hại đối với con người và môi trường tự nhiên - Không để lại dư lượng trong nông sản

- Không gây ô nhiễm môi trường, không làm phá vỡ hệ sinh thái trong nông nghiệp cũng như tự nhiên

- Thuốc trừ sâu từ thảo mộc đơn giản, dễ làm, dễ tìm kiếm nguyên liệu sản xuất, chi phí sản xuất thấp

Sản xuất nông nghiệp với việc tạo ra các sản phẩm an toàn cho người tiêu dùng, đồng thời bảo vệ môi trường đã và đang được xem là xu hướng tất yếu trên thế giới Sử dụng các tác nhân sinh học là giải pháp giúp giảm lượng hóa chất nông nghiệp trên đồng ruộng

Bài báo cáo này sẽ đề cập đến vấn đề “Ứng dụng di truyền học trong sản xuất thuốc trừ sâu sinh học” Giúp chúng ta có cái nhìn tổng quát, rõ ràng hơn về ứng dụng của ngành di truyền học, đồng thời thấy được những lợi ích mà nó mang lại trong lĩnh vực sản xuất

nông nghiệp, hướng tới một nền nông nghiệp xanh, sạch và bền vững lâu dài B - NỘI DUNG:

I Di truyền học và ứng dụng 1 Khái quát về di truyền học:

- Di truyền học là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về cơ chế, quy luật và biểu hiện của di truyền trong các hệ sinh thái và các tổ chức sống Nó tập trung vào việc hiểu cách các đặc điểm được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác thông qua việc nghiên cứu các gen, các cấu trúc và chức năng của chúng, cũng như cách chúng tương tác với môi trường

- Di truyền học không chỉ giúp chúng ta hiểu về cơ chế di truyền cơ bản, mà còn có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nó đóng vai trò quan trọng trong

nghiên cứu và ứng dụng y học, nông nghiệp, công nghiệp và bảo tồn môi trường Đồng thời, di truyền học cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu về sự đa dạng sinh học và tiến hóa của các loài sinh vật trên trái đất

- Ba phân tử di truyền chính trong sinh học là DNA, RNA và protein Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về mỗi loại:

+ ADN (Acid Nucleic Deoxyribonucleic): Đây là phân tử chứa thông tin di truyền của một sinh vật ADN có cấu trúc hai sợi xoắn kép và được tạo thành từ các đơn vị gọi là nucleotide, bao gồm các nucleotide chứa các cơ sở nitơ adenin (A), cytosine (C), guanine (G), và thymine (T) Cấu trúc này cho phép ADN lưu trữ thông tin di truyền theo một ngôn ngữ mã hóa cụ thể

+ ARN (Acid Ribonucleic): ARN thường thấy trong các tế bào làm nhiệm vụ chuyển thông tin di truyền từ ADN để hướng dẫn quá trình tổng hợp protein ARN có cấu trúc tương tự như DNA nhưng thay thế nucleotide thymine bằng uracil (U) Có ba loại chính của RNA: mRNA (messenger RNA), rRNA (ribosomal RNA), và tRNA (transfer RNA), mỗi loại đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp protein

+ Protein: Là các phân tử chính xây dựng nên cấu trúc và hoạt động của tế bào và cơ thể Protein được tổng hợp từ các chuỗi amino acid, được mã hóa bởi chuỗi nucleotide trong DNA và được tạo ra thông qua quá trình dịch mã gen của mRNA Protein đóng vai trò quan trọng trong nhiều chức năng tế bào, bao gồm cấu trúc tế bào, chuyển vận các chất và thực hiện các phản ứng sinh hóa

2 Ứng dụng của di truyền học trong các lĩnh vực

Di truyền học được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực:

- Y học: Định rõ nguyên nhân di truyền của các rối loạn tâm thần; tính đa dạng genetik của phản ứng với thuốc; dự đoán nguy cơ và phát triển rối loạn tâm thần; dự đoán và tùy chỉnh điều trị cá nhân hóa,

- Pháp y: Xác định danh tính và nguồn gốc của các mẫu ADN; chứng minh sự quan hệ hoặc phi quan hệ gia đình; giải quyết các vụ án hình sự; hỗ trợ điều tra vụ án; tìm kiếm và xác định nạn nhân của thảm họa và tai nạn,

- Đối với con người: sàng lọc trước sinh và chẩn đoán di truyền; xác định danh tính cá nhân; xác định mối quan hệ cha con

- Trong nông nghiệp: di truyền học đóng một vai trò rất quan trọng đối với nông nghiệp, thông qua các vấn đề như: tạo ra các giống cây trồng mới; cải thiện chất lượng sản phẩm ; Tăng cường năng suất và chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm, Đặc biệt là vấn đề sâu bệnh phá hại cây trồng đã và đang là một vấn đề rất được chú trọng quan tâm, phòng, trừ sâu bệnh phá hại, mang lại sức đề kháng cũng như năng suất mà cây trồng sẽ mang lại

Di truyền học được nghiên cứu, ứng dụng để sản xuất các loại thuốc trừ sâu bệnh hại cây trồng Gọi là thuốc trừ sâu sinh học

II Ứng dụng của di truyền học vào sản xuất thuốc trừ sâu sinh học: 1 Sơ lược về thuốc trừ sâu sinh học:

-Thuốc trừ sâu sinh học là việc sử dụng các tác nhân sinh học để ngăn ngừa hoặc làm giảm bớt hậu quả do sinh vật hại gây ra

- Một số loài vi sinh vật được sử dụng làm thuốc trừ sâu sinh học:

+ Vi khuẩn: Bt (Bacillus thuringiensis)

+ Virus: Nhóm Baculovirus, nhóm virus tế bào chất Cytoplasmid Polyhedrosis Virus

(CPV), nhóm RNA,

+ Vi nấm: Chi Beauveria (nấm Bạch Cương), chi Metarhizium (nấm Lục Cương) Thuốc trừ sâu sinh học được chia thành hai nhóm chính là thuốc trừ sâu thảo mộc và thuốc trừ sâu vi sinh:

-Thuốc trừ sâu thảo mộc: Hay còn có tên gọi là thuốc trừ sâu hữu cơ, là loại thuốc

trừ sâu được chiết tách từ các chất có khả năng diệt trừ sâu bệnh trong cơ thể thực vật, thảo mộc Điểm hình là các chất trừ sâu nhóm cúc tổng hợp (Pyrethroid) dựa vào cấu tạo của chất Pyrethrin có trong cây cúc trừ trùng

- Thuốc trừ sâu vi sinh: Gồm các thành phần hoạt tính là các vi sinh vật như vi khuẩn, virus, nấm, động vật nguyên sinh hoặc tảo Một trong số những loại thuốc trừ sâu vi sinh được sử dụng nhiều nhất hiện nay được chiết xuất từ chủng khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) Chủng Bt có thể tạo ra protein gây hại cho côn trùng để bảo vệ các loài thực vật, đặc

biệt là bắp cải và khoai tây Nhiều loại thuốc trừ sâu vi sinh khác hoạt động trên cơ chế cạnh tranh quyết liệt với sinh vật gây hại

Sử dụng các loại thuốc trừ sâu sinh học

2 Các loại thuốc trừ sâu sinh học ứng dụng di truyền học phổ biến

2.1 Thuốc trừ sâu sinh học từ vi khuẩn Bt (Bacillus thuringiensis)

a Giới thiệu về vi khuẩn Bt (Bacillus thuringiensis)

- Lầ n đầ u tiên vào năm 1870, nhà bác ho ̣c Pasteur người Pháp đã phát hiê ̣n mô ̣t loài vi khuẩn gây bệnh cho con tằ m và đă ̣t tên là Bacillus bombycis Sau đó vào năm 1911, nhà côn trù ng ho ̣c người Đức là Berline đã phát hiê ̣n loài vi khuẩn này trên loài sâu xám ở Thuringia vù ng Đi ̣a Trung Hải và đă ̣t tên là Bacillus thuringiensis (viết tắ t là Bt)

- Sau đó đến khoảng giữa thế kỷ 20, người ta đã phát hiê ̣n nhiều chủng Bt ký sinh trên nhiều loài sâu khác nhau như sâu xanh, sâu keo, sâu róm thông

- Từ đó vi khuẩn Bt đã được chế ta ̣o thành thuốc trừ sâu sử du ̣ng trong nông nghiê ̣p ở nhiều nước, mở đầu cho công nghê ̣ thuốc trừ sâu sinh ho ̣c

Bacillus thuringiensis

b Thuốc trừ sâu sản xuất từ vi khuẩn Bt

* Bt (Bacillus thuringiensis) là một sản phẩm thuộc dòng thuốc trừ sâu vi sinh được sử dụng cực kỳ phổ biến hiện nay Loại sản phẩm này có khả năng ngăn ngừa,

diệt trừ sâu tơ, sâu đo trên rau cải, sâu xanh, sâu khoang,…Chúng tác dụng đến các loại sâu bệnh thông qua đường vị độc và hệ thống tiêu hóa

* Cơ chế sản xuất:

- Việc nghiên cứu, sản xuấ t và ứng dụng B thuringiensis đầu tiên được thực

hiện năm 1973 tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Từ nhiều

nghiên cứu cho thấ y: các chủng B thuringiensis của Việt Nam rấ t đa dạng về cấ u

trúc tinh thể độc tố (hình tháp chiếm 63,1 %, hình cầu 11,2 %, hình khối lập phương 4,8 % ); đa dạng về týp huyết thanh, và đặc biệt đa dạng về gen mã hóa protein diệt côn trùng bộ cánh vảy, cánh cứng, hai cánh, tuyến trùng hại cây trồng, diệt tế

bào ung thư ở người 3 gen cry1 (cry1Aa, cry1Ab, cry1Ac, cry1B, cry1C, cry1E, cry1F) chiếm 57 %, cry2 - 5%, cry4 (cry4A, cry4B) - 43%, cry8 - 8%

- Bacillus thuringiensis khả năng sản sinh các protein có hoạt tính diệt sâu, khác

nhau về cơ chế tác động, tính đặc hiệu và cơ chế biểu hiện Các protein có tính diệt sâu này gồm: ngoại độc tố VIP (Vegetative Inserticidal Protein); nội độc tố bao gồm hai

dạng là protein cry (crystalline) và các protein cyt (cytolitic) (Hofte và Whiteley, 1989)

Dựa vào tính chuyên biệt của các nội độc tố đối với côn trùng và tính tương đồng xét trên trình tự của các độc tố, Hoftey và Whiteley (1989) đã phân gen tạo ra độc tố làm 4 loại

- So với nhóm ngoại độc tố, tinh thể độc cry được tạo ra nhiều hơn và có tác động chủ yếu diệt côn trùng Tinh thể độc cry còn được gọi là nội độc tố  ( - endotoxin) là một protein kết tinh có kích thước khác biệt nhau tùy từng nhóm, gây hiệu quả diệt côn trùng mạnh nhấ t Tinh thể độc được tạo ra khi khởi đầu quá trình hình thành bào tử tích lũy từ chính protein trong tế bào, có liên hệ mật thiết với màng bào tử

- Gen cry của vi khuẩn Bacillus thuringiensis: Vi khuẩn Bacillus thuringiensis gây

bệnh cho côn trùng qua đường tiêu hóa Bào tử nảy mầm dẫn đến sự sinh sản của vi khuẩn trong cơ thể vật chủ làm côn trùng chết, song yếu tố chính làm cho côn trùng chết

nhanh là độc tố do vi khuẩn sinh ra Các chủng khác nhau thuộc loài B thuringiensis sinh ra hai loại độc tố chính: độc tố tinh thể (cry) được mã hóa bởi các gen cry khác nhau (đây cũng là một dấu hiệu để phân loại các nhóm B thuringiensis); các chất độc phân giải tế bào (cyt) tác động riêng rẽ và tổ hợp cùng cry làm tăng tác dụng của tinh thể độc Cácgen cry thường nằm trên các plasmid có hệ số sao chép thấ p Số lượng plasmid dao động từ 2 đến 12 trong 21 loài phụ B thuringiensis (Carlton và Gonzalez, 1985) Để xác đi ̣nh sự tồn tại gen cry trong các chủng B thuringiensis phân lập, sử dụng kỹ thuật PCR với các cặp

mồi đặc hiệu với các gen đó Các tinh thể diệt côn trùng được mã hóa bởi rấ t nhiều gen

cry khác nhau Hiện nay, hơn 200 gen cry đã được mô tả và phân loại thành các nhóm dựa vào hoạt tính diệt côn trùng và trình tự amino acid Các chủng mang gen cry1 sẽ nhận được sản phẩm PCR kích thước 490 bp và 980 bp; các chủng mang gen cry4 sẽ nhận được sản phẩm PCR 690 bp và 1290 bp; còn các chủng mang gen cry3 sẽ nhận được sản

phẩm PCR 649 bp và 1060 bp Tuy nhiên, hầu hết mối quan tâm đều tập trung vào nhóm

gen cry1, cry3, cry4 (Li và ctv, 1991; Hernandez và Ferre, 2005) Các protein tinh thể

được hình thành ở cuối quá trình hình thành bào tử và có cấu trúc chung gồm 3 vùng riêng biệt

- Các đô ̣c tố trừ sâu của các chủng B thuringiensis trước nay đã được chia thành

bốn nhó m chính: CryI, CryII, CryIII và CryIV dựa vào hoa ̣t tính trừ sâu của đô ̣c tố

Mô hình cấu trúc protein tinh thể độc tố cry (Palma, 2014)

+ Vùng 1: là một chuỗi polypeptide gồm 290 amino acid, đây là vùng đầu N Mặt bên của chuỗi xoắn thứ nhấ t và thứ 7 là các amino acid ki ̣ nước và nó nằm liền kề với vùng 2

+ Vùng 2: bắt đầu từ amino acid 291 đến amino acid 500 Vùng này gồm 3 tấ m có cấ u trúc tương đồng, song song và xếp ngược chiều nhau, trong đó tấ m 1 và tấ m 2 có tính tương đồng cao hơn Vùng 2 là vùng không bền vững của độc tố + Vùng 3: có chứa 2 cuộn xoắn, các tấ m β đối song song tạo thành một kẹp β (β-sandwich) hình học topo gọi là “jelly roll”, tham gia vào việc gắn thụ thể (Li và ctv)

- Thành phần protein tinh thể của B thuringiensis không những quyết đi ̣nh hoạt lực diệt côn trùng mà còn liên quan đến sự tồn tại các lớp gen cry Các protein 130 kDa do gen cry1 mã hoá diệt côn trùng cánh vảy Gen cry3 mã hoá protein có trọng lượng

phân tử thấ p hơn (66 – 73 kDa), diệt côn trùng cánh cứng Protein tinh thể diệt côn trùng bộ hai cánh đa dạng nhấ t bao gồm các protein 130 kDa, 128 kDa, 67 kDa, 28 kDa do gen

cry4, cry10, cry11 mã hoá Các protein này đều có hoạt lực diệt ruồi, muỗi, tuy nhiên mức

độ gây độc khác nhau