Tiểu luận an toàn sinh học : chủ đề phát tán gene

MỤC LỤC I. Đặt vấn đề. II. Nội dung. 1. Khái quát chung về phát tán gene (gene flow) 2. Minh chứng về sự phát tán gen từ cây trồng chuyển gen. 3. Các thế hệ cây trồng chuyển gen. 4. Các gene được sử dụng để tạo cây trồng kháng thuốc trừ cỏ 5. Chiến lược phát triển cây trồng chuyển gene kháng thuốc trừ cỏ thế hệ mới. III. kết luận I. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, công nghệ sinh học (CNSH) đã phát triển một cách mạnh mẽ, và mức độ sử dụng ngành khoa học tiên tiến này cũng đã tăng nhanh chóng. CNSH đã và đang được ứng dụng vào thực tế đời sống và ảnh hưởng sâu sắc ở quy mô toàn cầu. Những thành tựu mang tính quyết định của CNSH đã mở ra giai đoạn phát triển mạnh mẽ đặc biệt cho các nghiên cứu, ứng dụng và thương mại sinh vật biến đổi gene (Geneetically Modified OrganismsGMO). Song song với sự phát triển của GMO là những bất lợi có thể xảy ra với hệ sinh thái cũng như sức khỏe của con người. Một trong những vấn đề đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học đó chính là nguy cơ phát tán gene (gene flow) ở cây trồng chuyển gene, và hướng đi mới của các công ty cây trồng CNSH để phát triển cây trồng kháng thuốc trừ cỏ thế hệ mới II. Nội Dung 1. Khái quát chung về phát tán gene (gene flow) 1.1. Khái niệm phát tán gene (gene flow) Phát tán gene (gene flow) là là quá trình chuyển vật liệu di truyền dưới dạng gene từ quần thể này sang quần thể khác, có thể trong cùng một loài hoặc khác loài. Hình 1: gene flow 1.2. Các hình thức phát tán gene ở cây trồng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC    AN TOÀN SINH HỌC Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. NGYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO Sinh viên thực hiện : PHẠM MINH ÁNH - 550427 NGUYỄN THỊ HUYỀN -550461 TRỊNH THỊ HẢO -550445 NGUYỄN THỊ THU HƯỜNG -550466 Lớp: CNSHB-K55 HÀ NỘI – 2013 MỤC LỤC I. Đặt vấn đề. II. Nội dung. 1. Khái quát chung về phát tán gene (gene flow) 2. Minh chứng về sự phát tán gen từ cây trồng chuyển gen. 3. Các thế hệ cây trồng chuyển gen. 4. Các gene được sử dụng để tạo cây trồng kháng thuốc trừ cỏ 5. Chiến lược phát triển cây trồng chuyển gene kháng thuốc trừ cỏ thế hệ mới. III. kết luận I. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, công nghệ sinh học (CNSH) đã phát triển một cách mạnh mẽ, và mức độ sử dụng ngành khoa học tiên tiến này cũng đã tăng nhanh chóng. CNSH đã và đang được ứng dụng vào thực tế đời sống và ảnh hưởng sâu sắc ở quy mô toàn cầu. Những thành tựu mang tính quyết định của CNSH đã mở ra giai đoạn phát triển mạnh mẽ đặc biệt cho các nghiên cứu, ứng dụng và thương mại sinh vật biến đổi gene (Geneetically Modified Organisms-GMO). Song song với sự phát triển của GMO là những bất lợi có thể xảy ra với hệ sinh thái cũng như sức khỏe của con người. Một trong những vấn đề đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học đó chính là nguy cơ phát tán gene (gene flow) ở cây trồng chuyển gene, và hướng đi mới của các công ty cây trồng CNSH để phát triển cây trồng kháng thuốc trừ cỏ thế hệ mới 3 3 II. Nội Dung 1. Khái quát chung về phát tán gene (gene flow) 1.1. Khái niệm phát tán gene (gene flow) Phát tán gene (gene flow) là là quá trình chuyển vật liệu di truyền dưới dạng gene từ quần thể này sang quần thể khác, có thể trong cùng một loài hoặc khác loài. Hình 1: gene flow 1.2. Các hình thức phát tán gene ở cây trồng. Quá trình phát tán gene xẩy ra rất nhiều trong tự nhiên và sự phát tán gene được chia làm hai loại chính là: 4 4 Phát tán gene ngang (horizontal gene flow): là sự chuyển các gene giữa các sinh vật không phải họ hàng hoặc không thông qua giao phối. Ví dụ như sự chuyển gene giữa vi khuẩn với thực vật, điển hình là vi khuẩn Agrobacteriun tumefacien trong đất mang các gene kích thích sự hình thành khối u trong cây tồn tại trong các phân tử plasmid. Khi vi khuẩn xâm nhập vào các vết thương vào trong cây chúng đã chuyển các gene trên phân tử plasmid cho cây để kích thích sự tổng hợp thức ăn cho vi khuẩn, kết quả tạo ra các khối u trên cây. Phát tán gene dọc (vertical gene flow): là quá trình chuyển gene giữa các cá thể trong cùng loài có sự tương hợp về sinh sản. Chẳng hạn sự giao phấn giữa cây ngô hoang dại với các cây ngô trồng tạo ra con lai. Quá trình này thông tin di truyền được truyền cho con cháu. 1.3. Các con đường phát tán gene ở cây trồng Ở thực vật thì sự phát tán gene thường thông qua 3 con đường chính: - Phát tán gene thông qua hạt phấn: là sự di chuyển của các gene thông qua sự thụ phấn giữa các cá thể của các quần thể khác nhau. - Phát tán gene thông qua hạt: là sự di chuyển của các gene thông qua sự phát tán các hạt của các quần thể khác nhau. - Phát tán gene thồng qua sinh sản vô tính: là sự di chuyển các gene thông qua các bộ phận dinh dưỡng giữa các quần thể khác nhau. Đối với sự phát tán gene thông qua hạt và sinh sản vô tính thì quá trình phát tán gene bị ảnh hưởng lớn bởi động vật, gió, nước, các hoạt động vận chuyển, trao đổi và buôn bán hạt giống cây trồng giữa các vùng địa lý của con người. Để hạn chế sự phát tán gene theo con đường trên cần áp dụng các biện pháp quản lý thích hợp trên quy mô quốc gia và quốc tế. Còn sự phát tàn gene thông qua hạt phấn bị ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố sinh học và các yếu tố vật lý như: tỷ lệ tạp giao, lượng hạt phấn sản sinh bởi cây cho phấn, khoảng cách vật lý, độ lớn hạt 5 5 phấn, nhiệt độ, độ ẩm, hướng gió… Để hạn chế sự phát tán gene thông qua hạt phấn, một số biện pháp có thể áp dụng là: cách ly trước và sau hợp tử, chuyển các gene chuyển quy định tính kháng như sự mất khả năng phát tán hạt phấn (Conner và cs, 2003). 1.4. Điều kiện xảy ra sự phát tán gene (gene flow) Sự phát tán gene muốn xảy ra cần có một số điều kiện như: - Phải có sự tương hợp về mặt sinh sản giữa cây trồng chuyển gene với các quần thể nhận thuộc loài hoặc họ hàng gần gũi. Thông qua quá trình thụ tinh dẫn đến việc lai hoặc tổ hợp các gene chuyển vào với bộ gene của quần thể và khi đó có thể dẫn đến hậu quả khác nhau về sinh thái và môi trường. - Các cây nhận gene phải nằm trong phạm vi phát tán hạt phấn của cây trồng biến đổi gene. - Thời gian tung phấn của cây trồng biến đổi gene phải trùng với thời gian nan phấn của các cây nan gene. - Các con cháu tạo ra phải sống sót và hữu dục. 2. Minh chứng về sự phát tán gen từ cây trồng chuyển gen.  Sự phát tán gene ở cải dầu (Brassica Napus) Mô hình thí nghiệm được xây dựng trên quy mô trang trại, cách biệt với cây trồng bên ngoài, chỉ trồng cây kháng thuốc trừ cỏ. Có 3 phần chủ yếu: cây trồng, cỏ dại và siêu cỏ. Mối tương tác cơ bản giữa các phần này là sự cạnh tranh. Cỏ dại (bao gồm cả siêu cỏ) cạnh tranh với cây trồng. Sự cạnh tranh này xác định kích thước của mỗi quần thể hoặc năng suất kinh tế triển vọng Cải dầu (Brassica Napus) được chọn là cây trồng. Mù tạt ( Brassica rapa) được chọn là cỏ dại. Một số tài liệu cho thấy có xảy ra khả năng hình thành con lai tương đối cao giữa cải dầu và mù tạt . Mù tạt là một loại cỏ dại tương đối phổ biến ở nhiều nơi, những nơi có cả cải dầu. Cải dầu biến đổi gene được sử dụng 6 6 trong nghiên cứu có khả năng chịu thuốc diệt cỏ là glyphosate. Vì vậy trong mô hình này vấn đề đặt ra là xác định xem mù tạt có khả năng chịu được thuốc diệt cỏ glyphosate hay không. Cây cải dầu(Brassica Napus) Cây mù tạt(Brassica rapa) • Kết quả. Trong trường hợp cải dầu chuyển gene không được trồng, siêu cỏ không xuất hiện. Do vậy không có sự cạnh tranh với cỏ dại, quần thể cỏ dại tăng và đạt được đến sự phát triển bão hòa. Trường hợp không có alene kháng trong quần thể cỏ dại và đột biến không xảy ra, dẫn đến không hình thành tính kháng. Tuy nhiên trong trường hợp cây trồng chuyển gene kháng thuốc trừ cỏ được trồng, hình thành siêu cỏ có alene kháng trong quần thể. Nếu không có lai, tần số alen kháng ở mức không. 7 7  sự kiện phát tán gen kháng glyphossate ở Mĩ Một ví dụ liên quan đến việc thoát của gen chuyển kháng thuốc trừ cỏ là gen kháng glyphossate ở Mĩ. Reichman và cộng sự(2006) đã tìm ra giống chuyển gen lai với cây cỏ dại Agrostis species ở cách đó khoảng 3,8 km theo hướng gió của những thử nghiệm chuyển gen trên đồng ruộng, được bảo hộ bởi chính quyền liên bang, hậu quả là sự giao phối trong cùng một giống không còn được bảo đảm, và bây giờ một vài biến đổi trong hệ gen nghiên cứu sẽ dẫn đến một sự thay đổi trong cấu trúc quần thể ở vùng bị xâm lấn. vì nguy cơ có thể xảy ra khi trồng cây chuyển gen, vào năm 2007, ở Mĩ đã có quy định là “bắt buộc những thử nghiệm GM trong tương lai ở Mĩ phải trải qua nhiều đánh giá môi trường nghiêm ngặt, cho dù gene flow có hoặc không có ý nghĩa là nhân tố tiến hóa trên cỏ dại đều phải được kiểm tra cẩn thận. một vài nghiên cứu ngay lập tức chứng minh được hiện tượng giao lưu gen từ cây trồng sang cây dại trên đồng ruộng al. 2002; Tuyết et al. 2003). (Linder & Schmit năm 1995; Linder et al. Năm 1998; Bartsch et al. Năm 1999; Spencer & Snow năm 2001; Gueritaine et Gueritaine et al. 2002; Snow et al. 2003). 3. Các thế hệ cây trồng chuyển gene Thế hệ cây trồng chuyển gen thứ nhất: Là những cây trồng chuyển gene có khả năng kháng sâu bệnh (Bt) và chịu thuốc diệt cỏ (glyphosate và gluphosinate) giúp giảm chi phí sản xuất, tăng sản lượng, tăng lợi nhuận nông nghiệp. 8 8 Những cây trồng biến đổi gene thế hệ thứ nhất đã thương mại hóa như: • Cây ngô kháng sâu: Gen sử dụng: gen Bt. • Cây đậu tương kháng sâu • Cây ngô kháng thuốc diệt cỏ • Cây đậu tương kháng thuốc diệt cỏ • Cây ngô kháng sâu + kháng thuốc diệt cỏ • Cây đậu tương kháng sâu + kháng thuốc diệt cỏ • Cây cải dầu kháng sâu, kháng thuốc diệt cỏ • Bông kháng sâu, kháng thuốc diệt cỏ Ví dụ : ngô (Bt corn) mang gen Bt (chống sâu hại) được gieo trồng rất rộng rãi và thu được hiệu quả kinh tế cao hơn rõ rệt. Ngô kháng thuốc trừ cỏ có hiệu quả hết sức rõ rệt Ngày nay các nhà khoa học đang hướng đến việc tạo ra những cây chuyển gene “thế hệ thứ hai” nhằm tăng giá trị dinh dưỡng hoặc có những đặc điểm thích hợp cho công nghiệp chế biến. Lợi ích của những cây trồng này hướng trực tiếp vào người tiêu dùng:  Lúa gạo giàu vitamin A và sắt  Khoai tây tăng hàm lượng tinh bột  Vắc xin ăn được ở ngô và khoai tây  Dầu ăn có lợi cho sức khỏe từ đậu nành và cải dầu  Những giống ngô có thể trồng được trong điều kiện nghèo dinh dưỡng Ví dụ: Tạo giống lúa có khả năng tổng hợp chất β-caroten ( tiền thân của VTM A ) giải quyết vấn đề thiếu VTM A cho con người Thế hệ cây trồng chuyển gene thứ ba là những cây trồng chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường như: hạn hán, nóng, lạnh ngập úng, đất mặn, đất chua,… 9 9 Trong những điều kiện bất lợi trên thì hạn hán được coi là vấn đề cấp bách được đặt ra do đó cây trồng chuyển gen mang đặc tính chịu hạn được coi như là tính trạng quan trọng nhất sẽ được thương mại hóa từ năm 2006-2015. Mặc dù đã có các hướng tiếp cận khác nhau trong việc tạo cây trồng chống chịu điều kiện bất lợi của môi trường nhưng cho đến nay mới chỉ có ngô chịu hạn (MON 87640) được thương mại hóa. Việc phát triển cây trồng CNSH theo hướng này sẽ góp phần hỗ trợ canh tác nông nghiệp ổn định, đảm bảo năng suất – chất lượng và ít phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên. 4. Các gene được sử dụng để tạo cây trồng kháng thuốc trừ cỏ Thuốc trừ cỏ Cây trồng Công ty sản xuất Các gen sử dụng Nguồn gen Glyphosat e Soybean Cotton Canola Corn Argentine canola Mon aroA, EPSPS Agrobacteriu m sp Glufosinat e Sugar beet Corn Soybean rice BCS PHB, DK, Syn, BCS,Myc Mon BCS Bar, PAT (phosphinothricin acetyl transferase) Streptomyces sp. Alcaligenes sp Bromoxyn il Cotton Corn Argentine canola Rice DuPont PHB sc , Syn PHB* BASF BXN (Bromoxynil nitrilase) Klebsiella pneumoniae Sulfonylur ea Cotton Argentine canola Tobaco Calgene BCS SNETA ALS (acetolactate synthase) Nicotiana tabacum a. Gene mã hóa CP4 Enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase CP4 Enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase là một enzyme nguồn gốc từ vi khuẩn Agrobacterium CP4 (ký hiệu là CP 4 EPSPS). Gene này được 10 10 [...]... trừ cỏ HPPD sẽ được phát triển - Phát triển cây trồng chịu được thuốc diệt cỏ đa gene a Các đặc tính kháng với phổ rộng các thuốc trừ cỏ chọn lọc: Hiện nay sức đề kháng của cỏ dại và khả năng chống chịu glyphosate đã bắt đầu là một vấn đề lớn Các công ty với các chương trình nghiên cứu công nghệ sinh học đã nhìn thấy giá trị của phát triển cây trồng kháng thuốc trừ cỏ chọn lọc Điều quan trọng là khả năng... : như hạn hán, lũ lụt, dân số tăng nhanh, diện tích đất canh tác ngày càng thu hẹp an ninh lương thực thế giới đang bị đe dọa… Nhận thức được vấn đề các công ty cây trồng công nghệ sinh học đã và đang tìm hướng cải tiến và phát triển cây trồng chuyển gen kháng thuốc trừ cỏ thế hệ mới với các đặc tính ưu việt hơn, hứa hẹn sẽ có tiềm năng sử dụng lớn trong thời gian tới 19 19 20 20 ... dicamba III Kết luận Qua phân tích, những nguy cơ phát tán gen từ cây chuyển gen có rất nhiều Nhiều cây trồng biến đổi gen được tạo ra, chưa được cấp phép, đưa vào sử dụng; cùng với đó là các công trình nghiên cứu đánh giá sự an toàn Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa thấy có sự nguy hại mà cây trồng công nghệ sinh học đem lại Trong khi đó, loài người đang đứng trước thách thức vô cùng lớn : như hạn hán,... nghiệm sinh học, thấy rằng cây thuốc lá biến đổi gen như vậy biểu hiện tốt tính kháng sâu hại và kháng thuốc cỏ glyphosate 17 17 d Cây trồng kháng thuốc trừ cỏ thế hệ mới :Gene kháng Dicamba Cây trồng chuyển gene thế hệ cũ chủ yếu dựa trên gene kháng Glyphosate (bar gene) đã được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên trên thực tế , người nông dân xử lý thuốc gốc Glyphophosate trên những cánh đồng không canh tác... thấy rõ biến dị kháng thuốc xuất hiện khá nhanh với tỷ lệ cao Điều này cũng có thể do người nông dân không có chọn lựa thứ hai ngoài việc xịt glyphosate trên đất canh tác các loại cây mẫn cảm Mô hình thứ hai thuốc diệt cỏ dicamba -gene kháng dicamba ra đời để giải quyết vấn đề này Thuận lợi: ưu điểm của dicamba là an toàn và ít gây ô nhiễm môi trường do thời gian bán hủy rất ngắn (từ 1 đến 6 tuần) Khi... mang đặc tính chịu thuốc trừ cỏ 13 13 Trong thời gian tới đăc tính chống chịu thuốc trừ cỏ vẫn sẽ là xu hướng phát triển chính trong công nghệ sinh học bởi vì các nguyên nhân sau: - Tạo ra thực vật biến đổi gen kiểu này tương đối đơn giản - Cỏ dại là vấn đề lớn nhất trong nông nghiệp và nó làm giảm năng suất từ 10 – 15% Khoảng 10% sản lượng cây trồng toàn cầu bị mất do cỏ xâm lấn hàng năm, cho dù đã... xem là đang trong giai đoạn phát triển và dự đoán sẽ được thương mại hoá trong 5 năm tới c Phát triển cây trồng chịu được thuốc diệt cỏ đa gene Các cây trồng phát triển theo hướng này có khả năng chịu được cả thuốc diệt cỏ chọn lọc và không chọn lọc bằng cách chuyển cùng lúc nhiều đặc tính chống chịu với các loại thuốc trừ cỏ khác nhau như chống chịu glyphosate, glufosinate và HPPD Ví d : ở Canada cho... EPSPS cho thấy enzyme này phân hủy nhanh chóng trong các phản ứng kiểm tratrong hệ tiêu hóa (Harrison và cs., 1996) Đến nay thì chưa có bằng chứng nào về ảnh hưởng bất lợi đối với môi trường và sức khỏe con người của cây trồng mang protein CP4 EPSPS b Phosphinothricin N-acetyltransferase or bialophos resistance Phosphonothricin -N-acetyltransferase hay bialophosresistance đồng phân 2-phosphinothricin... aminotransferases Một dạng đột biến của glutamate-1-semialdehyde aminotransferase (GSA-AT, E.C 5.4.3.8) được mã hóa bởi gen hemL, được chứng minh là kháng Gabaculine ở vi khuẩn Synechococcus PCC6301 chủng GR6 gen hemL biểu hiện rất tốt trên cây thuốc lá với promoter 35S e Cyanamide hydratase Cyanamide được hòa tan trong dung dịch hoặc muối canxi sử dụng như phân bón Nó có đặc tính bổ xung hoạt động cho các... việc sử dụng thuốc diệt cỏ dicamba Robert Hartzler, một chuyên gia tại Đại học bang Iowa ở Ames, cho biết: “Rõ ràng việc tạo ra cây biến đổi gen kháng thuốc diệt cỏ loại dicamba đang giúp giải quyết các vấn đề hiện nay đối với việc sử dụng thuốc diệt cỏ loại glyphosate” Khoảng 90% đậu nành và 60% cây bông trong vụ mùa ở Mỹ mang gen kháng lại thuốc diệt cỏ glyphosate Mặc dù có những ý kiến cho rằng