Ứng dụng công nghệ sinh học lục lạp trong cải tiến giống cây trồng

BÀI TIỂU LUẬN Ứng dụng công nghệ sinh học lục lạp trong cải tiến di truyền cây trồng Học viên: Lê Thị Mận Lớp: K15 Cao học Sinh thái Hà nội, 2012 Phần 1 MỞ ĐẦU Tương lai, nhân loại phải đối mặt với những thách thức lớn do sự gia tăng trong dân số toàn cầu, thay đổi khí hậu, kéo theo đó là nhu cầu ngày một tăng của lương thực - thực phẩm, đồ tiêu dùng, thuốc chữa bệnh, trong khi nguồn lực sản xuất như đất đai, nguồn nước, là có hạn, thậm chí đang dần bị suy kiệt do hoạt động khai thác không có hoạch định của con người. Một trong những giải pháp được đặt ra để giải quyết tình trạng trên là phải cải tiến di truyền cây trồng theo hướng nâng cao năng suất, chất lượng, tăng tính chống chịu nhằm đáp ứng nhu cầu con người và bảo vệ môi trường sống. Trong khi đó, Công nghệ sinh học được biết đến là lĩnh vực nghiên cứu, sử dụng các quá trình sinh học và ứng dụng kiến thức khoa học về công nghệ và thương mại để giải quyết các vấn đề và tạo ra các sản phẩm hữu ích. Công nghệ sinh học thực vật bao gồm các phương pháp công nghệ tế bào và công nghệ gen để tạo ra các giống cây trồng có năng suất cao, phẩm chất tốt, chống chịu với các yếu tố bất lợi sinh học và phi sinh học; để tạo ra các chất có hoạt tính sinh học phục vụ trong công nghiệp, nông nghiệp và y dược. Một trong những hướng quan trọng và nhiều ưu việt của công nghệ sinh học thực vật là công nghệ sinh học lục lạp. Công nghệ sinh học lục lạp bao gồm các phương pháp trong công nghệ tế bào và công nghệ gen thực vật được sử dụng để biến đổi hệ gen lục lạp. Việc biến đổi DNA lục lạp có thể được tiến hành bằng việc chuyển nạp gen lục lạp ngoại lai vào hệ gen lục lạp cây chủ tạo ra các tổ hợp gen lục lạp mới hoặc chuyển các gen/DNA có nguồn gốc khác nhau (DNA/gen từ vi khuẩn, động vật, DNA tái tổ hợp) vào hệ gen lục lạp nhằm tạo các giống cây trồng với các tính trạng nông sinh học ưu việt và tạo ra vacxin hoặc các protein chức năng đặc biệt, trong đó có các protein chữa bệnh. Trong chuyên đề này, chúng tôi chỉ xem xét và làm nổi bật các nghiên cứu của công nghệ sinh học lục lạp để cải thiện các đặc tính di truyền của cây trồng (kháng thuốc diệt cỏ, tăng khả năng chịu hạn, chịu muối, chịu lạnh, ), trong đó chủ yếu tập trung vào cải tiến cây trồng bằng kỹ thuật gen lục lạp - đây là hướng nghiên cứu và ứng dụng chính của công nghệ sinh học lục lạp. 2 Phần 2 NỘI DUNG 2.1. Những ưu việt và ý nghĩa của kỹ thuật gen lục lạp: Chuyển gen ở lục lạp có nhiều ưu việt , và những ưu việt này đã dẫn đến việc tăng trưởng nghiên cứu kỹ thuật gen lục lạp nhằm tạo ra các sản phẩm công nghệ sinh học thực vật có giá trị và thân thiện với môi trường. Góp phần phát triển công nghệ sinh học an toàn và bền vững. Trước hết phải nói đến đặc điểm di truyền theo đường mẹ (trong hạt phấn không có lục lạp) ở hầu hết các loài cây, trừ rất ít loài như: thông, cỏ linh lăng, lúa, đậu Hà lan. Nhờ đặc điểm này mà từ năm 1998 người ta đã khuyến cáo về việc ngăn chặn sự lan truyền các gen chuyển nạp bằng phương pháp chuyển gen vào lục lạp. Bảng 2.1. Di truyền lục lạp ở một số loài cây Loài Di truyền lục lạp Ghi chú Helianthus annuus M Impatiens capenicis M Arabidopsis thaliana M Hoặc BM Arabis albida M Brassica campestris M Beta vulgaris M Chenopodium album M Glycine max M Avena sativa M Hordium vulgare M Oryza sativa M Sorgum vulgare M Triticum aestivum M Hoặc BM Zea may M Capsicum annuum M Lycopersicon esculentum M Nicotiana tabacun M Hoặc BM Petunia hybrida M Solanum tuberosum M Hoặc BM Hypericum perforathum BM Rhododendron indicum BM Medicago sativa BM Phaseolus vulgaris BM 3 Pisum sativum M Ipomoea nil M M. di truyền theo mẹ; BM. Di truyền theo bố, mẹ Ưu việt thứ hai là có nhiều gen có tính nguy cơ cao đối với môi trường như kháng chất diệt cỏ và kháng côn trùng hoạt động trong lục lạp. Điều này cho phép chuyển các gen kháng chất diệt cỏ và kháng côn trùng vào lục lạp để tạo các giống cây kháng các tác nhân mà không gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe. Ngoài ra việc thể hiện các gen này ở lục lạp còn làm tăng hiệu quả diệt côn trùng mà không ảnh hưởng tới hạt, quả và củ. Cho đến nay, các nghiên cứu chuyển gen lục lạp thường sử dụng gen chỉ thị kháng spectinomycin và streptomycin aadA được thiết kế cho thể hiện đặc hiệu ở lục lạp. Chỉ thị này cho phép chọn lọc cây chuyển gen lục lạp đồng nhất nhanh. Chuyển gen ngoại lai vào lục lạp thường theo hai bước: bước đầu tiên là gen aadA xâm nhập vào phân tử DNA của các lục lạp trong tế bào; bước tiếp theo là hệ gen lục lạp biến đổi mang gen aadA được chọn lọc trên môi trường chứa spectinomycin và streptomycin cho đến khi loại bỏ hết lục lạp không được chuyển gen. Gen aadA có thể loại bỏ khỏi cây chuyển gen bằng tăng số lượng các đoạn lặp lại ngắn từ hai lên ba đoạn để tạo ra gen aadA không ổn định (véc tơ tạm thời). Bằng cấu trúc này, trong quá trình chọn lọc gen aadA sẽ bị loại khỏi cây chuyển gen. Phương pháp này cho phép chuyển các gen mã hóa các protein có giá trị làm thuốc và gen kháng côn trùng vào lục lạp tạo ra cây chuyển gen không mang gen kháng kháng sinh. Mặc dầu phương pháp này được phát triển trên cây thuốc lá, nó có thể ứng dụng cho các loài cây khác như Arabidopsis và cải dầu. Một ưu việt khác nữa của chuyển gen ở lục lạp là các gen ngoại lai có mức thể hiện cao do lục lạp có số bản gen lớn tới hàng trăm ngàn trong khi ở nhân chỉ có một bản. Ngoài ra không có hiện tượng gen câm và các hiện tượng không ổn định khác như trường hợp gen nhân [2]. Các sản phẩm của gen được giữ lại trong lục lạp, đặc điểm này rất có lợi trong những trường hợp sản phẩm của gen có thể là có hại nếu nó được tổng hợp trong tế bào chất (ví dụ đối với trehalose (Lee và cs., 2003) và xylanase (Leelavathi cs., 2003). Tính ưu việt này đặc biệt có ý nghĩa cho phép chuyển các gen tạo vacxin và các protein có giá trị làm thuốc, ngoài ra có thể tạo ra cây chuyển gen có thành phần dinh dưỡng cao. 4 Ngoài ra, bộ máy tổng hợp protein ở lục lạp giống ở các cơ thể tiền nhân nên có thể chuyển các gen của vi khuẩn được đồng thời nhiều gen của một quá trình sinh tổng hợp vào lục lạp, trong khi nếu chuyển vào nhân thì phải chuyển từng gen một kết họp với lai hồi giao để có thể tái cấu trúc chu trình sinh tổng hợp. Như vậy, sự kết hợp giữa tính di truyền theo đường mẹ, định hướng chính xác gen chuyển nạp, có thể loại bỏ được gen kháng kháng sinh, mức độ thể hiện gen cao, có thể chuyển các gen có nguồn gốc tiền nhân và khả năng chuyển đồng thời nhiều gen đã làm cho lục lạp trở thành đối tượng chuyển gen an toàn và hiệu quả. Từ những thông tin vừa trình bày, ta thấy kĩ thuật gen lục lạp sẽ thực sự trở thành một trong những công cụ vô cùng quan trọng của công nghệ thực vật trong tương lai. Bảng 2.2. Một số ưu việt của chuyển gen ở lục lạp Ưu việt của chuyển gen lục lạp Ứng dụng Ghi chú Phần lớn gen lục lạp di truyền theo đừng mẹ Ngăn ngừa sự lan truyền của gen biến nạp sang các loài cây khác Các loài cỏ linh lăng, lúa, đậu Hà lan di truyền theo cả bố và mẹ Nhiều gen có tính nguy cơ cao đối với môi trường như kháng chất diệt cỏ và kháng côn trùng hoạt động trong lục lạp Tạo các cây chuyển gen kháng chất diệt cỏ và kháng côn trùng Không ảnh hưởng đến môi trường. Gen thể hiện ở lục lạp không ảnh hưởng tới hạt và củ Tái tổ hợp tương đồng Đưa gen chuyển vào vị trí chính xác Tránh được hiện tượng gắn các đoạn DNA không cần thiết vào hệ gen tạo ra sản phẩm không mong muốn Sử dụng gen chỉ thị aadA thể hiện đặc hiệu ở lục lạp Tạo ra các cây chuyển gen lục lạp đồng nhất Có thể loại bỏ khỏi cây chuyển gen Gen chuyển nạp được biểu hiện cao do có số lượng bản gen nhiều Tạo vác xin và protein; tạo cây trồng có thành phần dinh dưỡng cao Lục lạp có tới 100.000 bản gen, nhân chỉ có 1 bản gen Bộ máy tổng hợp protein giống ở các cơ thể tiền nhân Chuyển các gen của cơ thể tiền nhân vào lục lạp Chú ý hiện tượng chuyển gen ngang Có thể chuyển được nhiều gen Chuyển các gen liên quan đến toàn bộ chu trình sinh tổng hợp Chuyển vào nhân: phải chuyển từng gen một kết hợp với lai hồi giao để tái cấu trúc chu trình sinh tổng hợp 5 2.2. Trở ngại của kĩ thuật gen lục lạp: Bên cạnh những ưu việt của chuyển gen vào lục lạp cũng cần phải lưu ý một số nhược điểm và nguy cơ như: i. không phải ở tất cả các loài cây lục lạp đều di truyền theo đường mẹ, một số loài như thông, lúa, cỏ linh lăng, di truyền theo cả bố và mẹ; ngoài ra, còn có hiện tượng gen “nhảy” từ lục lạp vào nhân; ii. Việc thể hiện cao gen chuyển nạp đặc biệt là các gen mã hóa protein có thể làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây; iii. Sự giống nhau giữa hệ gen lục lạp và vi khuẩn có thể làm gia tăng tần số chuyển gen ngang sang vi khuẩn. Việc chuyển gen vào lục lạp phức tạp hơn chuyển gen vào nhân tế bào vì có đến 100.000 bộ gen của lục lạp trong tế bào. Các dòng chuyển gen qua lục lạp thường bền vững về di truyền chỉ khi tất cả các bản sao của lục lạp đều biến đổi theo cùng một cách giống nhau. Điều này đạt được thông qua sự tái sinh được lặp lại ở cùng điều kiện chọn lọc sau một khoảng thời gian nhất định. Thách thức tiếp là khi đưa ADN ngoại lai vào vùng mô lá, mà vùng mô này còn có chứa các thành phần khác: sắc lạp, bột lạp, tiền lục lạp, Hơn nữa, hệ thống điều hòa biểu hiện gen là khá khác nhau ở các lục lạp trưởng thành. Xác định trình tự đóng vai trò biểu hiện trong các loại lạp thể là cần thiết để đạt được sự biểu hiện đúng của gen ngoại lai. Việc chuyển gen và tái sinh cây của những cây được chuyển gen vào lục lạp phức tạp về mặt công nghệ. Hiệu suất chuyển gen thấp. Mức độ biểu hiện cao bị giới hạn ở mô lá. 2.3. Biến đổi di truyền lục lạp: Hệ gen lục lạp chứa nhiều gen mã hóa cho các tính trạng nông sinh học quan trọng của cây trồng như chịu bệnh, kháng chất diệt cỏ, chịu các điều kiện bất lợi của môi trường. Ngoài ra, các gen có nguồn gốc khác nhau có thể chuyển nạp vào hệ gen lục lạp và có mức độ thể hiện rất cao. Chính vì vậy, việc cải biến di truyền lục lạp là một hướng rất quan trọng được các nhà khoa học quan tâm. một số phương pháp có thể sử dụng để cải biến di truyền hệ gen lục lạp như: đột biến lục lạp, chuyển nạp lục lạp nguyên vẹn và chuyển gen lục lạp. * Đột biến lục lạp Việc tạo và chọn lọc những đột biến lục lạp có ý nghĩa rất lớn trong nghiên cứu biến đổi di truyền lục lạp. Hơn thế nữa nhiều đặc điểm di truyền có lợi được mã hoá bởi các gen nằm trong lục lạp, do đó tìm hiểu và nghiên cứu 6 những đột biến lục lạp sẽ giúp cho chúng ta sử dụng chúng có hiệu quả trong nghiên cứu cơ bản cũng như trong chọn giống cây trồng. * Chuyển lục lạp Một hướng rất quan trọng trong nghiên cứu biến đổi di truyền lục lạp là chuyển lục lạp bao gồm chuyển lục lạp nguyên vẹn và chuyển gen lục lạp. Chuyển lục lạp nguyên vẹn giúp cho việc nghiên cứu tính tương hợp giữa nhân và lục lạp tạo ra tổ hợp nhân và lục lạp mới, còn chuyển gen lục lạp sẽ tạo ra các tổ hợp gen lục lạp mới. Chuyển lục lạp nguyên vẹn bằng sử dụng lục lạp tách rời: Trong thời kỳ đầu các nhà khoa học đã cố gắng chuyển lục lạp tách rời vào tế bào trần để tạo các thể lai tế bào chất nhằm cải biến di truyền lục lạp. Potrykus (1973) là người đầu tiên công bố chuyển được lục lạp vào tế bào trần của cây Dạ yên (Petunia hybryda) nhưng không có những số liệu chứng minh chắc chắn sự tồn tại của lục lạp trong tế bào. Tiếp sau đó, Bonnet và Erikson (1974), Kung (1975) cũng đã công bố kết quả chuyển lục lạp nguyên vẹn vào tế bào trần nhưng cũng ở tình trạng tương tự Từ những công trình trên, cho đến nay không có những công bố tiếp theo về lĩnh vực này. Sở dĩ như vậy là do những hạn chế về việc tách nhận các bào quan nguyên vẹn và giữ nguyên hoạt động của chúng. Đây là những vấn đề hết sức khó khăn vì quá trình tách và làm sạch các bào quan đã làm giảm sức sống cảu chúng. Ngoài ra, chúng còn dễ bị ảnh hưởng bởi các tác nhân trong quá trình dung hợp dẫn đến hiệu xuất chuyển nạp còn rất thấp. Chuyển lục lạp nguyên vẹn bằng dung hợp tế bào trần: Từ cuối những năm 70, một số lượng lớn những cây lai tế bào chất trong cùng một loài có những tổ hợp lục lạp và nhân mới đã được tạo ra từ những giống khác nhau trong một loài. Điều này đã làm nảy sinh một vấn đề về giới hạn về khoảng cách trong hệ thống phân loại đối với việc chuyển lục lạp. Và việc chuyển lục lạp giữa các loài cây đã được tiến hành với mục đích tìm hiểu giới hạn tương thích giữa nhân của tế bào cây chủ và lục lạp ngoại lai. Glimelius và Bonnett, (1986) lần đầu tiên nhận được cây lai tế bào chất giữa Nicotiana với lục lạp của Petunia. Sau đó, việc chuyển lục lạp đã được tiếp tục ở một vài tổ hợp trong cây họ cà như giữa thuốc lá (Nicotiana) và salpiglossis, giữa thuốc lá và Solanum v.v. (Thành và cs, 1988) [5]. Chuyển lục lạp có thể thực hiện bằng dung hợp tế bào trần và sử dụng những đột biến lục lạp như kháng kháng sinh hoặc thể thiếu hụt chlorophyll. Các tế bào dùng để cho lục lạp trong các thí nghiệm chuyển lục 7 lạp thường mang các lục lạp nguyên vẹn hoặc đột biến và thường được giết nhân bằng chiếm xạ hoặc hóa chất trước khi dung hợp với tế bào chủ (các tế bào nhận lục lạp ngoại lai). Như vậy việc chuyển toàn bộ lục lạp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tạo ra những tổ hợp lục lạp và nhân mới. Bằng kỹ thuật dung hợp tế bào trần chúng ta có thể tạo ra được cây lai tế bào chất mang nhân của cây này nhưng lạp thể của cây khác, điều này giúp tạo ra được những cây lai soma mang những đặc tính mong đợi. Tuy nhiên trong một giới hạn nhất định, việc chuyển những lục lạp nguyên vẹn còn gặp một số trở ngại đáng kể ở những loài xa nhau trong hệ thống phân loại. Ngoài ra, có thể chuyển lục lạp thông qua tái tổ hợp DNA: Trong những tổ hợp lai giữa các loài xa nhau, khi mà hệ gen lục lạp nguyên vẹn không hoạt động với những nhân lạ thì việc chuyển lạp thể có giới hạn bằng tái tổ hợp có thể khắc phục được tính bất hợp này theo cách lai gần giống với lai soma không đối xứng. Tuy nhiên sự di truyền lạp thể chỉ theo cha hoặc mẹ trong đa số các loài thực vật đã cản trở sự hình thành lục lạp pha trộn (là điều cần trước hết của tái tổ hợp). Những cố gắng để phục hồi sự tái tổ hợp trong các loài có sự di truyền lạp thể ở cả bố và mẹ đã không thành công. Phân tích những cây lai soma và lai tế bào chất từ những tổ hợp khác nhau cũng không thấy sự biểu lộ bất cứ một dấu hiệu nào của tái tổ hợp lục lạp. Như vậy việc tái tổ hợp ở thực vật bậc cao thường rất ít xảy ra. Nếu tạo được các tổ hợp gen lục lạp giữa các loài cây sẽ có ý nghĩa rất lớn trong cải biến di truyền lục lạp. Như vậy việc chuyển toàn bộ lục lạp nguyên vẹn hoặc chuyển một phần lục lạp (thông qua tái tổ hợp lục lạp) bằng con đường dung hợp tế bào trần có vai trò ý nghĩa rất quan trọng trong nghiên cứu và cải tạo giống cây trồng. Bằng những phương pháp này, người ta có thể tạo ra được những tổ hợp nhân và lục lạp mới mang những tính trạng di truyền lục lạp có lợi như chịu bệnh, các đột biến kháng độc tố và kháng chất diệt cỏ cho cây trồng. Hơn nữa việc tạo ra tái tổ hợp lục lạp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc khắc phục tính bất hợp giữa nhân và lục lạp ở những loài xa nhau trong hệ thống phân loại. Phương pháp này được xem như là một công cụ có hiệu quả trong việc chuyển gen lục lạp. * Chuyển gen lục lạp: Chuyển gen là hướng biến đổi di truyền lục lạp đầy hứa hẹn. Có 2 hướng chính trong chuyển gen lục lạp đó là chuyển gen lục lạp vào lục lạp và chuyển 8 gen có nguồn gốc khác vào lục lạp. Hiện nay cả hai hướng này đều đang đang được áp dụng. Chuyển gen lục lạp vào lục lạp: Cho đến nay có ba phương pháp chính để chuyển gen lục lạp vào lục lạp đó là phương pháp thông qua Agrobacterium, phương pháp chuyển gen trực tiếp bằng xử lý PEG và phương pháp bắn gen [1]. Các gen lục lạp được chuyển nạp mới hạn chế ở một số gen kháng thuốc kháng sinh và kháng chất diệt cỏ. Đối tượng chuyển nạp chủ yếu là thuốc lá. Các hệ thống chuyển gen lục lạp ở lúa mới đang được nghiên cứu bước đầu. Ngoài ba phương pháp chuyển gen đã được đề cập đến ở trên còn có một số phương pháp khác như: Biến nạp bằng xung điện (Christou và cs., 1987) và biến nạp bằng kỹ thuật vi dung hợp (Eigel, 1991) cũng được một số phòng thí nghiệm sử dụng để chuyển gen vào lục lạp. Cho đến nay, ngoài việc chuyển các gen lục lạp vào lục lạp, đã có nhiều công bố chuyển nạp thành công các gen có nguồn gốc khác vào lục lạp. Chuyển các gen lục lạp vào hệ gen lục lạp cho đến nay chủ yếu là các gen kháng kháng sinh và kháng chất diệt cỏ. Việc phân lập và chuyển nạp các gen lục lạp có ý nghĩa kinh tế vẫn còn rất hạn chế. Những kết quả cho thấy chuyển gen vào lục lạp có thể khắc phục được sự lây lan các gen kháng côn trùng và thuốc diệt cỏ sang các cây trồng và cây hoang dại khác vì các gen lạp thể không di truyền qua hạt phấn. Điều này hạn chế ảnh hưởng của cây chuyển gen đến môi trường. Gen y - ECS (y - glutamylcysteine synthetase hoặc glutathione synthetase) từ E. coli cũng đã được chuyển vào lục lạp với mục đích biến đổi quá trình tổng hợp glutathione và acid amin trong lục lạp (Noctor và cs., 1998). Các tác giả đã nhận được sự thể hiện của gen chuyển nạp rất ổn định và sự gia tăng hoạt tính của sản phẩm gen tạo ra. Như vậy là khả năng tiếp nhận các gen chuyển nạp không có nguồn gốc lục lạp và sự thể hiện các gen này trong lục lạp ổn định cùng với hoạt tính của sản phẩm của gen chuyển nạp cao đã làm cho công nghệ di truyền lục lạp trở nên hấp dẫn đối với các nhà khoa học. 2.4. Ứng dụng công nghệ sinh học lục lạp trong cải tiến di truyền cây trồng: Rất nhiều điều kiện bất lợi (stresses) của môi trường như bệnh, côn trùng, khô hạn, phèn, mặn, lạnh, làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của thực vật và kéo theo sự giảm thiểu về năng suất và chất lượng. Để cải tiến các tính trạng của thực vật, kĩ thuật gen lục lạp là một trong những công cụ quan trọng được các nhà khoa học quan tâm. Bởi vì, nhiều tính trạng nông học quan 9 trọng được điều khiển bằng vật chất di truyền lục lạp như: tính kháng chất diệt cỏ, kháng côn trùng và tính chịu hạn, chịu mặn [7]. Những kết quả đầu tiên về cải tiến các tính trạng nông học bằng kĩ thuật gen lục lạp có thể thấy trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Những thông báo đầu tiên về cải biến tính trạng nông học bằng kỹ thuật gen lục lạp Gen chuyển nạp Tính trạng Tác giả Cry1A Kháng côn trùng McBride KE et al., 1995 Cry2Aa2 Kháng côn trùng Kota M el al., 1999 Cry2Aa2 operon Kháng côn trùng DeCosa B. et al., 2001 AroA Kháng chất diệt cỏ Daniell H. et al., 1998 Bar Kháng chất diệt cỏ Iamtham S. & Day A. (2000) MSI-99 Kháng bệnh DeGray G. et al., 2001 Tps Chịu hạn Lee SB et al., 2003 Badh Chịu muối Kumar S et al., 2004 merA/merB Xử lý ô nhiễm chì bằng thực vật Ruiz ON et al., 2003 phaA Bất dục đực Ruiz ON & Daniell H, 2009 [6] Cho đến nay, ngoài việc chuyển các gen lục lạp vào lục lạp, đã có nhiều công bố chuyển nạp thành công các gen có nguồn gốc khác vào lục lạp của cà chua (Ruf và cs., 2001), Arabidopsis (Maliga và cs., 2002), cải dầu (Hou và cs., 2003), Petunia (Zubkot và cs., 2004), cây bông (Kumar và cs., 2004), lúa (Lee và cs., 2006), cà rốt (Ruhlman và cs., 2006), rau diếp (Kanamoto và cs., 2006) và cây gỗ dương (Okumura và cs., 2006). Kota và cs. (1999) đã nghiên cứu chuyển gen cry vào lục lạp và đã cho thấy gen cry thể hiện rất mạnh trong lục lạp mà không cần chỉnh codon sử dụng và biến đổi trình tự. Các tác giả thấy rằng lá của các cây chuyển gen có tính độc cao đối với ấu trùng của côn trùng [4]. Dufourmantel và cs. (2005) đã thành công trong tạo cây đậu tương chuyển gen lục lạp kháng côn trùng. Thành công này đã mở ra triển vọng cho việc cải biến tính trạng ở cây trồng bằng chuyển gen vào lục lạp. Đối với bệnh nấm, DeGray và cs. (2001) đã chuyển gen MSI - 99 vào lục lạp, gen MSI - 99 đã thể hiện rất mạnh: ở cây chuyển gen T1 ức chế tới 88% còn 10 [...]... Như vậy, có thể thấy rằng công nghệ sinh học lục lạp đã có những đóng góp to lớn cho cải tiến di truyền cây trồng Ứng dụng này đã thành công trên nhiều đối tượng, có thể kể ra một số ví dụ cụ thể cho đối tượng cây trồng nông học quan trọng đã được áp dụng kĩ thuật này: * Cà rốt chuyển gen lục lạp: Cà rốt (Daucus carota L.) là một trong những cây rau quan trọng nhất được sử dụng trên toàn thế giới cho... cây trồng Hơn nữa việc tạo ra tái tổ hợp lục lạp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc khắc phục tính bất hợp giữa nhân và lục lạp ở những loài xa nhau trong hệ thống phân loại Phương pháp này được xem như là một trong những công cụ có hiệu quả trong việc chuyển gen lục lạp Ngoài ra: công nghệ sinh học lục lạp còn góp phần vào việc sản xuất các dược liệu sinh học như protein chữa bệnh, kháng nguyên vacxin... nay, những thành tựu mà công nghệ sinh học lục lạp đã đạt được trong việc cải tiến di truyền cây trồng là rất lớn Nhờ công nghệ này đã tạo ra được những giống cây trồng có khả năng chống chịu những điều kiện bất lợi như: kháng mặn, chịu lạnh, chịu nóng, kháng chất diệt cỏ, kháng côn trùng, mà vẫn đảm bảo năng suất - chất lượng Hơn nữa, đây là còn là một trong những hướng ứng dụng đầy triển vọng do nó... aldehyde từ cây củ cải (Beta vulgaris) vào hệ gen lục lạp của cây thuốc lá Các cây chuyển gen lục lạp có mức độ quang hợp cao hơn rõ ràng trong điều kiện có 150 mM/l NaCl Stress muối là nguyên nhân làm thay đổi hiệu suất quang hóa tối đa của hệ quang hợp II trong cây chuyển gen lục lạp và cây không chuyển gen lục lạp Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy đường trehalose được tích lũy nhiều trong điều kiện... lục lạp nguyên vẹn hoặc chuyển một phần lục lạp (thông qua tái tổ hợp lục lạp) bằng con đường dung hợp tế bào trần có vai trò ý nghĩa rất quan trọng trong nghiên cứu và cải tạo giống cây trồng Bằng những phương pháp này, người ta có thể tạo ra được những tổ hợp nhân và lục lạp mới mang những tính trạng di truyền lục lạp có lợi như chịu bệnh, các đột biến kháng độc tố và kháng chất diệt cỏ cho cây trồng. .. này Ruiz và cs (2003) lần đầu tiên công bố về sử dụng công nghệ gen lục lạp cho xử lí ô nhiễm môi trường bằng thực vật Các tác giả đã sử dụng gen merA hoặc merB từ vi khuẩn chuyển vào hệ gen lục lạp thuốc lá Cây chuyển gen thể hiện tính kháng thủy ngân rất cao, tới 400μM [6] tế bào được chuyển gen lục lạp Husein và cs (2007) đã thông báo cây thuốc lá chuyển gen lục lạp thể hiện gen merA hoặc merB có... những hướng ứng dụng đầy triển vọng do nó có nhiều ưu việt Việc chuyển gen thông qua lục lạp có nhiều ưu điểm như mức độ biểu hiện của gen ngoại lai cao, sản phẩm của gen được giữ lại trong lục lạp, Những ưu việt này đã dẫn đến việc tăng cường nghiên cứu công nghệ sinh học lục lạp nhằm tạo ra các sản phẩm công nghệ sinh học thực vật có giá trị và thân thiện với môi trường, góp phần vào sự phát triển an... khăn trong việc thanh lọc protein; mức độ kiểm soát biểu hiện gen và việc đánh giá các cây chuyển gen lục lạp cần phải được đánh giá nhiều hơn, ở qui mô rộng hơn TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 Tài liệu tiếng Việt 1 Hồ Huỳnh Thùy Dương (1997) Sinh học phân tử Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội 2 Nguyễn Đức Thành (2011) Giáo trình sinh học lục lạp Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ , Hà Nội Tài liệu tiếng... dehydrogenase) vào lục lạp cà rốt Các tế bào được chuyển gen vào lục lạp sinh trưởng trong môi trường chứa 100 mM NaCl đã tích lũy betaine cao gấp 50 - 54 lần so với tế bào không chuyển gen còn cây cà rốt chuyển gen lục lạp có thể sinh trưởng trong điều kiện nồng độ muối lên tới 400 mM/l NaCl Đây là mức độ chịu hạn cao nhất trong các tài liệu đã công bố Zhang và cs (2008) đã chuyển thành công gen mã hóa... Spectinomycin ảnh hưởng bất lợi đến các cây con không chuyển gen (c), trong khi cây con chuyển gen (d) phát triển tốt 18 Các gen lục lạp mã hóa cho các tính chống chịu như chịu nhiệt, chịu bệnh, chịu các thuốc diệt cỏ, ngoài ra gen lục lạp còn mã hóa cho các protein liên quan đến cấu trúc của lục lạp và khả năng quang hợp vì vậy mà liên quan đến năng suất cây trồng; thứ hai là lục lạp di truyền theo đường mẹ vì . thực vật là công nghệ sinh học lục lạp. Công nghệ sinh học lục lạp bao gồm các phương pháp trong công nghệ tế bào và công nghệ gen thực vật được sử dụng để biến đổi hệ gen lục lạp. Việc biến. BÀI TIỂU LUẬN Ứng dụng công nghệ sinh học lục lạp trong cải tiến di truyền cây trồng Học viên: Lê Thị Mận Lớp: K15 Cao học Sinh thái Hà nội, 2012 Phần 1 MỞ ĐẦU Tương. nay, những thành tựu mà công nghệ sinh học lục lạp đã đạt được trong việc cải tiến di truyền cây trồng là rất lớn. Nhờ công nghệ này đã tạo ra được những giống cây trồng có khả năng chống chịu