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

Việcbiến đổi DNA lục lạp có thể được tiến hành bằng việc chuyển nạp gen lục lạpngoại lai vào hệ gen lục lạp cây chủ tạo ra các tổ hợp gen lục lạp mới hoặcchuyển các gen/DNA có nguồn gốc

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 tăngtrong dân số toàn cầu, thay đổi khí hậu, kéo theo đó là nhu cầu ngày một tăngcủa lương thực - thực phẩm, đồ tiêu dùng, thuốc chữa bệnh, trong khi nguồnlực 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 nhữnggiải pháp được đặt ra để giải quyết tình trạng trên là phải cải tiến di truyền câytrồng theo hướng nâng cao năng suất, chất lượng, tăng tính chống chịu nhằmđáp 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 vàthương mại để giải quyết các vấn đề và tạo ra các sản phẩm hữu ích Công nghệsinh 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 vớicác yếu tố bất lợi sinh học và phi sinh học; để tạo ra các chất có hoạt tính sinhhọc phục vụ trong công nghiệp, nông nghiệp và y dược Một trong những hướngquan trọng và nhiều ưu việt của công nghệ sinh học thực vật là công nghệ sinhhọc lục lạp

Công nghệ sinh học lục lạp bao gồm các phương pháp trong công nghệ tếbào và công nghệ gen thực vật được sử dụng để biến đổi hệ gen lục lạp Việcbiến đổi DNA lục lạp có thể được tiến hành bằng việc chuyển nạp gen lục lạpngoại lai vào hệ gen lục lạp cây chủ tạo ra các tổ hợp gen lục lạp mới hoặcchuyển 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 tínhtrạng 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 nghiêncứu của công nghệ sinh học lục lạp để cải thiện các đặc tính di truyền của câytrồng (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

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 đếnviệc tăng trưởng nghiên cứu kỹ thuật gen lục lạp nhằm tạo ra các sản phẩm côngnghệ sinh học thực vật có giá trị và thân thiện với môi trường Góp phần pháttriển công nghệ sinh học an toàn và bền vững

Trước hết phải nói đến đặc điểm di truyền theo đường mẹ (trong hạt phấnkhông 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 vềviệc ngăn chặn sự lan truyền các gen chuyển nạp bằng phương pháp chuyển genvào lục lạp

Bảng 2.1 Di truyền lục lạp ở một số loài cây

Ưu việt thứ hai là có nhiều gen có tính nguy cơ cao đối với môi trườngnhư kháng chất diệt cỏ và kháng côn trùng hoạt động trong lục lạp Điều nàycho phép chuyển các gen kháng chất diệt cỏ và kháng côn trùng vào lục lạp đểtạo 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 quảdiệt 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 nhấtnhanh 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 cácprotein có giá trị làm thuốc và gen kháng côn trùng vào lục lạp tạo ra câychuyển gen không mang gen kháng kháng sinh Mặc dầu phương pháp này đượcphát triển trên cây thuốc lá, nó có thể ứng dụng cho các loài cây khác nhưArabidopsis và cải dầu

Một ưu việt khác nữa của chuyển gen ở lục lạp là các gen ngoại lai cómức thể hiện cao do lục lạp có số bản gen lớn tới hàng trăm ngàn trong khi ởnhân chỉ có một bản Ngoài ra không có hiện tượng gen câm và các hiện tượngkhông 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 lợitrong những trường hợp sản phẩm của gen có thể là có hại nếu nó được tổng hợptrong 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 cácgen tạo vacxin và các protein có giá trị làm thuốc, ngoài ra có thể tạo ra câychuyển gen có thành phần dinh dưỡng cao

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 trìnhsinh tổng hợp vào lục lạp, trong khi nếu chuyển vào nhân thì phải chuyển từng genmột 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 chínhxác gen chuyển nạp, có thể loại bỏ được gen kháng kháng sinh, mức độ thể hiệngen cao, có thể chuyển các gen có nguồn gốc tiền nhân và khả năng chuyểnđồng 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 sựtrở thành một trong những công cụ vô cùng quan trọng của công nghệ thực vậttrong tương lai

Bảng 2.2 Một số ưu việt của chuyển gen ở lục lạp

Ưu việt của chuyển gen

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

Không ảnh hưởng đến môi trường Gen thể hiện ở lục lạp không ảnh hưởng tới hạt và củ

trí chính xác

Tránh được hiện tượng gắn các đoạn DNA không cần thiết vào hệ gen tạo ra sản phẩm không mong muốn

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

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 ýmột số nhược điểm và nguy cơ như: i không phải ở tất cả các loài cây lục lạpđều 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 lạpvào nhân; ii Việc thể hiện cao gen chuyển nạp đặc biệt là các gen mã hóaprotein có thể làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây; iii Sựgiống nhau giữa hệ gen lục lạp và vi khuẩn có thể làm gia tăng tần số chuyểngen 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 lụclạp thường bền vững về di truyền chỉ khi tất cả các bản sao của lục lạp đều biếnđổi theo cùng một cách giống nhau Điều này đạt được thông qua sự tái sinhđược 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 mônày 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 đạtđược sự biểu hiện đúng của gen ngoại lai

Việc chuyển gen và tái sinh cây của những cây được chuyển gen vào lụclạp phức tạp về mặt công nghệ Hiệu suất chuyển gen thấp Mức độ biểu hiệncao 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 họcquan trọng của cây trồng như chịu bệnh, kháng chất diệt cỏ, chịu các điều kiệnbất lợi của môi trường Ngoài ra, các gen có nguồn gốc khác nhau có thể chuyểnnạp 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: độtbiến 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 trongnghiên cứu biến đổi di truyền lục lạp Hơn thế nữa nhiều đặc điểm di truyền cólợi được mã hoá bởi các gen nằm trong lục lạp, do đó tìm hiểu và nghiên cứunhững đột biến lục lạp sẽ giúp cho chúng ta sử dụng chúng có hiệu quả trongnghiên 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 làchuyển 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 kỳđầu các nhà khoa học đã cố gắng chuyển lục lạp tách rời vào tế bào trần để tạocác 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 đãcông bố kết quả chuyển lục lạp nguyên vẹn vào tế bào trần nhưng cũng ở tìnhtrạng 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 bàoquan nguyên vẹn và giữ nguyên hoạt động của chúng Đây là những vấn đề hếtsức khó khăn vì quá trình tách và làm sạch các bào quan đã làm giảm sức sốngcảu chúng Ngoài ra, chúng còn dễ bị ảnh hưởng bởi các tác nhân trong quá trìnhdung hợp dẫn đến hiệu xuất chuyển nạp còn rất thấp

Chuyển lục lạp nguyên vẹn bằng dung hợp tế bào trần: Từ cuối nhữngnăm 70, một số lượng lớn những cây lai tế bào chất trong cùng một loài cónhững tổ hợp lục lạp và nhân mới đã được tạo ra từ những giống khác nhautrong một loài Điều này đã làm nảy sinh một vấn đề về giới hạn về khoảng cáchtrong hệ thống phân loại đối với việc chuyển lục lạp Và việc chuyển lục lạpgiữa các loài cây đã được tiến hành với mục đích tìm hiểu giới hạn tương thíchgiữa 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 tếbào trần và sử dụng những đột biến lục lạp như kháng kháng sinh hoặc thể thiếuhụt chlorophyll Các tế bào dùng để cho lục lạp trong các thí nghiệm chuyển lụclạp thường mang các lục lạp nguyên vẹn hoặc đột biến và thường được giết nhânbằng chiếm xạ hoặc hóa chất trước khi dung hợp với tế bào chủ (các tế bào nhậnlục lạp ngoại lai)

Như vậy việc chuyển toàn bộ lục lạp có ý nghĩa rất quan trọng trong việctạo 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 lạpthể của cây khác, điều này giúp tạo ra được những cây lai soma mang những đặctính mong đợi Tuy nhiên trong một giới hạn nhất định, việc chuyển những lụclạp nguyên vẹn còn gặp một số trở ngại đáng kể ở những loài xa nhau trong hệthống 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 hoạtđộng với những nhân lạ thì việc chuyển lạp thể có giới hạn bằng tái tổ hợp cóthể khắc phục được tính bất hợp này theo cách lai gần giống với lai soma khôngđối xứng Tuy nhiên sự di truyền lạp thể chỉ theo cha hoặc mẹ trong đa số cácloài thực vật đã cản trở sự hình thành lục lạp pha trộn (là điều cần trước hết củatái tổ hợp) Những cố gắng để phục hồi sự tái tổ hợp trong các loài có sự ditruyền lạp thể ở cả bố và mẹ đã không thành công Phân tích những cây laisoma và lai tế bào chất từ những tổ hợp khác nhau cũng không thấy sự biểu lộbất cứ một dấu hiệu nào của tái tổ hợp lục lạp Như vậy việc tái tổ hợp ở thựcvật bậc cao thường rất ít xảy ra Nếu tạo được các tổ hợp gen lục lạp giữa cácloài 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 phầnlục lạp (thông qua tái tổ hợp lục lạp) bằng con đường dung hợp tế bào trần cóvai trò ý nghĩa rất quan trọng trong nghiên cứu và cải tạo giống cây trồng Bằngnhững phương pháp này, người ta có thể tạo ra được những tổ hợp nhân và lụclạp mới mang những tính trạng di truyền lục lạp có lợi như chịu bệnh, các độtbiến kháng độc tố và kháng chất diệt cỏ cho cây trồng Hơn nữa việc tạo ra tái tổhợp lục lạp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc khắc phục tính bất hợp giữanhân và lục lạp ở những loài xa nhau trong hệ thống phân loại Phương pháp nàyđược 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 hướngchính trong chuyển gen lục lạp đó là chuyển gen lục lạp vào lục lạp và chuyểngen có nguồn gốc khác vào lục lạp Hiện nay cả hai hướng này đều đang đangđược 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 hệthống chuyển gen lục lạp ở lúa mới đang được nghiên cứu bước đầu Ngoài baphương pháp chuyển gen đã được đề cập đến ở trên còn có một số phương phápkhác như: Biến nạp bằng xung điện (Christou và cs., 1987) và biến nạp bằng kỹthuật vi dung hợp (Eigel, 1991) cũng được một số phòng thí nghiệm sử dụng đểchuyển gen vào lục lạp.

Cho đến nay, ngoài việc chuyển các gen lục lạp vào lục lạp, đã có nhiềucông bố chuyển nạp thành công các gen có nguồn gốc khác vào lục lạp Chuyểncác gen lục lạp vào hệ gen lục lạp cho đến nay chủ yếu là các gen kháng khángsinh và kháng chất diệt cỏ Việc phân lập và chuyển nạp các gen lục lạp có ýnghĩa kinh tế vẫn còn rất hạn chế Những kết quả cho thấy chuyển gen vào lụclạp có thể khắc phục được sự lây lan các gen kháng côn trùng và thuốc diệt cỏsang các cây trồng và cây hoang dại khác vì các gen lạp thể không di truyền quahạt 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 colicũng đã được chuyển vào lục lạp với mục đích biến đổi quá trình tổng hợpglutathione và acid amin trong lục lạp (Noctor và cs., 1998) Các tác giả đã nhậnđược sự thể hiện của gen chuyển nạp rất ổn định và sự gia tăng hoạt tính của sảnphẩm gen tạo ra Như vậy là khả năng tiếp nhận các gen chuyển nạp không cónguồn gốc lục lạp và sự thể hiện các gen này trong lục lạp ổn định cùng với hoạttính của sản phẩm của gen chuyển nạp cao đã làm cho công nghệ di truyền lụclạp 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 củathực vật và kéo theo sự giảm thiểu về năng suất và chất lượng Để cải tiến cáctính trạng của thực vật, kĩ thuật gen lục lạp là một trong những công cụ quantrọng được các nhà khoa học quan tâm Bởi vì, nhiều tính trạng nông học quantrọng 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 thuậtgen 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

Bar Kháng chất diệt cỏ Iamtham S & Day A.(2000)

MSI-99 Kháng bệnh DeGray G et al., 2001

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 nhiềucông bố chuyển nạp thành công các gen có nguồn gốc khác vào lục lạp của càchua (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 độccao đối với ấu trùng của côn trùng [4] Dufourmantel và cs (2005) đã thànhcông trong tạo cây đậu tương chuyển gen lục lạp kháng côn trùng Thành côngnày đã mở ra triển vọng cho việc cải biến tính trạng ở cây trồng bằng chuyểngen 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

ở T2 ức chế đến 96% sự phát triển của Pseudomonas syringae pv tabaci Ngoài

vi khuẩn, cây chuyển gen còn kháng được cả nấm

Kĩ thuật chuyển gen lục lạp đã ứng dụng thành công trong phát triển thựcvật với các tính trạng kháng mặn, kháng hạn và nhiệt độ thấp Những nghiêncứu của Rhodes và Hanson (1993) đã cho thấy sự thể hiện vượt trội enzymetổng hợp glycine betaine trong cây chuyển gen đã tăng cường tính chống chịu

một số stress phi sinh học Kumar và cs (2004) đã chuyển gen badh (betaine

aldehyde dehydrogenase) vào lục lạp cà rốt Các tế bào được chuyển gen vào lụclạp 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 cóthể sinh trưởng trong điều kiện nồng độ muối lên tới 400 mM/l NaCl Đây làmức độ chịu hạn cao nhất trong các tài liệu đã công bố Zhang và cs (2008) đãchuyển thành công gen mã hóa cho chorine monoxygenase thành betain

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 hóatối đa của hệ quang hợp II trong cây chuyển gen lục lạp và cây không chuyểngen lục lạp Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy đường trehalose được tích lũynhiều trong điều kiện stress như lạnh, nóng, muối và hạn vì vậy người ta chorằng trehalose đóng vai trò bảo vệ tế bào khỏi sự phá hủy do các stress Ở các

cây chuyển gen nhân, sự thể hiện của gen TPS1 (mã hóa cho enyme tổng hợp

đường trehalose) theo tính đa hiệu thậm chí ở mức thấp Lee và cs (2003) đãchuyển gen TPS1 vào lục lạp và nhận được cây chuyển gen lục lạp sinh trưởngbình thường và tích lũy hetralose tăng lên đến 25 lần Các cây chuyển gen lụclạp có mức độ chịu hạn cao, vẫn khỏe mạnh và xanh tốt khi xử lí 6% PEG.Trong khi thực vật hoang dã hoàn toàn bị tẩy trắng

Mức độ không bão hòa của axit béo trong lipid thực vật có vai trò quantrọng trong tính đề kháng stress và chất lượng dinh dưỡng của thực vật Gen Δ9desaturase có vai trò quan trọng trong chu trình trao đổi chất lipid đã được Craig

và cs (2008) chuyển vào lục lạp thuốc lá Kết quả này đã mở ta triển vọng trongcải biến di truyền thành phần lipid trong mô sinh sản và sinh dưỡng để tăng khảnăng chịu lạnh của cây

Sử dụng kĩ thuật gen lục lạp trong quản lí rủi ro cỏ dại cũng đã được tiếnhành Daniel và cs (1998), Lutz và cs (2001) đã chuyển gen mà mã hóa tính ứcchế phosphinothricin acetyltransferase (PAT) vào lục lạp thuốc lá đã tạo ra câychuyển gen có mức biểu hiện enzyme cao ( ≥ 7% TSP) và kháng chất diệt cỏglufosinate trên đồng ruộng

Những trường hợp này chứng minh rằng công nghệ lục lạp có thể đặc biệthữu ích để phát triển cây trồng kháng với các căng thẳng sinh học và phi sinhhọc Các lục lạp thiết kế để có đầy đủ các gen kháng điều kiện bất lợi hiệu quả,kịp thời để bảo vệ thực vật trong lĩnh vực này