Mộttrong những vấn đề đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoahọc đó chính là nguy cơ phát tán gene gene flow ở cây trồng chuyển gene, và hướng đi mới của các công ty cây trồ
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA 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 -550461TRỊNH THỊ HẢO -550445NGUYỄN THỊ THU HƯỜNG -550466
Lớp: CNSHB-K55
Trang 2MỤC 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
Trang 3I Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, công nghệ sinh học (CNSH) đã phát triển mộtcách mạnh mẽ, và mức độ sử dụng ngành khoa học tiên tiến này cũng đãtăng nhanh chóng CNSH đã và đang được ứng dụng vào thực tế đời sống vàảnh hưởng sâu sắc ở quy mô toàn cầu Những thành tựu mang tính quyếtđịnh của CNSH đã mở ra giai đoạn phát triển mạnh mẽ đặc biệt cho cácnghiên cứu, ứng dụng và thương mại sinh vật biến đổi gene (GeneeticallyModified Organisms-GMO) Song song với sự phát triển của GMO là nhữngbất lợi có thể xảy ra với hệ sinh thái cũng như sức khỏe của con người Mộttrong những vấn đề đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoahọc 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 trồngkháng thuốc trừ cỏ thế hệ mới
Trang 4II 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 dạnggene từ quần thể này sang quần thể khác, có thể trong cùng một loài hoặc khácloài
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:
Trang 5Phát tán gene ngang (horizontal gene flow): là sự chuyển các gene giữa cácsinh vật không phải họ hàng hoặc không thông qua giao phối Ví dụ như sựchuyển gene giữa vi khuẩn với thực vật, điển hình là vi khuẩn Agrobacteriuntumefacien trong đất mang các gene kích thích sự hình thành khối u trong câytồn tại trong các phân tử plasmid Khi vi khuẩn xâm nhập vào các vết thươngvào trong cây chúng đã chuyển các gene trên phân tử plasmid cho cây để kíchthích 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 cáthể trong cùng loài có sự tương hợp về sinh sản Chẳng hạn sự giao phấn giữacây 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 sựphát tán các hạt của các quần thể khác nhau
- Phát tán gene thồng qua sinh sản vô tính: là sự di chuyển các gene thôngqua 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 pháttán 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 Đểhạn chế sự phát tán gene theo con đường trên cần áp dụng các biện pháp quản lýthích hợp trên quy mô quốc gia và quốc tế Còn sự phát tàn gene thông qua hạtphấn bị ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố sinh học và các yếu tố vật lý như: tỷ lệ tạpgiao, lượng hạt phấn sản sinh bởi cây cho phấn, khoảng cách vật lý, độ lớn hạt
Trang 6phấn, nhiệt độ, độ ẩm, hướng gió… Để hạn chế sự phát tán gene thông qua hạtphấn, một số biện pháp có thể áp dụng là: cách ly trước và sau hợp tử, chuyểncác 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 cácquần thể nhận thuộc loài hoặc họ hàng gần gũi Thông qua quá trình thụ tinhdẫn đến việc lai hoặc tổ hợp các gene chuyển vào với bộ gene của quần thể vàkhi 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 câytrồng biến đổi gene
- Thời gian tung phấn của cây trồng biến đổi gene phải trùng với thời giannan 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 tươngtác 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 xácđịnh kích thước của mỗi quần thể hoặc năng suất kinh tế triểnvọng
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
Trang 7xảy 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 nhiềunơi, những nơi có cả cải dầu Cải dầu biến đổi gene được sửdụng trong nghiên cứu có khả năng chịu thuốc diệt cỏ làglyphosate Vì vậy trong mô hình này vấn đề đặt ra là xác địnhxem mù tạt có khả năng chịu được thuốc diệt cỏ glyphosate haykhông
Trang 8Cây 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 cỏdại, quần thể cỏ dại tăng và đạt được đến sự phát triển bão hòa
Trang 9Trường hợp không có alene kháng trong quần thể cỏ dại và đột biến khôngxảy ra, dẫn đến không hình thành tính kháng Tuy nhiên trong trường hợp câytrồng chuyển gene kháng thuốc trừ cỏ được trồng, hình thành siêu cỏ có alenekháng trong quần thể Nếu không có lai, tần số alen kháng ở mức không.
sự kiện phát tán gen kháng glyphossate ở Mĩ
Một ví dụ liên quan đến việc thoát của gen chuyển kháng thuốc trừ cỏ làgen kháng glyphossate ở Mĩ Reichman và cộng sự(2006) đã tìm ra giốngchuyển gen lai với cây cỏ dại Agrostis species ở cách đó khoảng 3,8 km theohướng gió của những thử nghiệm chuyển gen trên đồng ruộng, được bảo hộ bởichính quyền liên bang, hậu quả là sự giao phối trong cùng một giống không cònđược bảo đảm, và bây giờ một vài biến đổi trong hệ gen nghiên cứu sẽ dẫn đếnmột 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 buộcnhững thử nghiệm GM trong tương lai ở Mĩ phải trải qua nhiều đánh giá môi
Trang 10trường nghiêm ngặt, cho dù gene flow có hoặc không có ý nghĩa là nhân tố tiếnhóa trên cỏ dại đều phải được kiểm tra cẩn thận một vài nghiên cứu ngay lậptức chứng minh được hiện tượng giao lưu gen từ cây trồng sang cây dại trênđồng 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
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 rấtrộng 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 hướngtrực tiếp vào người tiêu dùng:
Trang 11 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 củacaroten ( 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,…
Trong những điều kiện bất lợi trên thì hạn hán được coi là vấn đề cấp báchđược đặt ra do đó cây trồng chuyển gen mang đặc tính chịu hạn được coi như làtính 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 chốngchịu điều kiện bất lợi của môi trường nhưng cho đến nay mới chỉ có ngô chịuhạn (MON 87640) được thương mại hóa
Việc phát triển cây trồng CNSH theo hướng này sẽ góp phần hỗ trợ canh tácnông nghiệp ổn định, đảm bảo năng suất – chất lượng và ít phụ thuộc vào điềukiện tự nhiên
4 Các gene được sử dụng để tạo cây trồng kháng thuốc trừ cỏ
Glyphosate Soybean
Cotton Canola Corn Argentine canola
sp
Glufosinate Sugar beet
Corn Soybean rice
BCS PHB, DK, Syn, BCS,Myc Mon BCS
Bar, PAT (phosphinothricin acetyl transferase)
Streptomyces sp Alcaligenes sp
Trang 12Bromoxynil Cotton
Corn Argentine canola Rice
DuPont PHB sc , Syn PHB*
BASF
BXN (Bromoxynil
nitrilase)
Klebsiella pneumoniae
Sulfonylurea 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
chuyển vào thực vật để tạo ra cây trồng CNSH có khả năng chịu thuốc trừ cỏglyphosate Glyphosate ức chế hoạt động của EPSPS nội sinh trong cây trồng,kết quả dẫn đến ức chế quá trình sinh tổng hợp các amino axit thơm và hậu quả
là cây trồng bị chết Khác với EPSPS được tổng hợp trong cây trồng, CP4EPSPS phân lập từ vi khuẩn không bị bất hoạt bởi glyphosate Do đó câychuyển gene mã hóa cho CP4 EPSPS có khả năng chống chịu với thuốc trừ cỏloại này (Nida và cs.,1996; Padgette và cs., 1995; stalling và cs., 1991)
Cơ chế tác động của protein CP4 EPSPS Protein CP4 EPSPS được sản sinh
và tham gia vào sinh tổng hợp các axit amin thơm trong các loài thực vật, vi sinhvật nhưng chúng lại không có mặt ở người và các động vật có vú bởi các độngvật có vú không có bộ máy đồng hóa để tổng hợp các axit amin có vòng thơm.Điều này giải thích đặc tính hoạt động chọn lọc trên thực vật, vi sinh vật màkhông gây độc đến động vật của CP4 EPSPS
Các test in vitro về khả năng tiêu hóa cũng đã được tiến hành trên proteinCP4 EPSPS cho thấy enzyme này phân hủy nhanh chóng trong các phản ứngkiểm 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 phân2-phosphinothricin (PPT) là thành phần hoạt động của một số loại thuốc diệt cỏthương mại Tương tự như L-ghitamic acid, PPT ức chế enzyme glutaminesynthetase (GS), enzyme xúc tác cho quá trình động hóa ammonia thànhglutamic axit trong cây, kết quả là ammonia tích tụ lại gây độc làm chết tế bào
Có hai cách để tạo ra tính kháng được đưa ra: Cách thứ nhất là tăng cường sựbiểu hiện của GS tạo ra tính kháng PPT, nhưng cách này không được sử dụng
Trang 13rộng rãi Cách thứ hai, enzyme acetyltransferase của vi khuẩn được dùng đểkháng bialophos (gồm L-alanine và PPT) trong cây và kháng được thuốc diệt cỏ
có thành phần PPT Hai gen (bar và pat) mã hóa chophosphinothricin acetyltransferase enzyme (PAT) được dùng để bất hoạt L-PPT trong câychuyểngen Gen bar (kháng bialophos) có nguồn gốc từ S.hygroscopion và gen pat cónguồn gốc từ S.viridrochromogenes Hai gen này có trình tự tương đồng đến87% PAT sử dụng acetyl boA là yếu tố xúc tác cho quá trình acetyl hóa nhómamin tự do của L-PPT mà không gây bất hoạt gtatamine synthetase
-N-c ALS (Acetolactate synthase )
Acetolactase synthase, còn được gọi là acetohydroxy acid synthase (ALS, AHA;
EC 4.1.8.13) là mục tiêu của một số chất diệt cỏ bao gồm sulfonylureas,imidozolineones triazolopyrimidine và pyrimidyl thiobenzoates ALS là mộtenzyme quyết định trong đường hướng sinh tổng hợp chuỗi axit amin phânmảnh trong lục lạp và nó được mã hóa bởi số lượng nhỏ các gen nhân Gen ALS
bị đột biến và các enzyme cũng bị đột biến làm tăng hàm lượng có thể khángmột hoặc nhiều loại thuốc diệt cỏ
c Bromoxynil nitrilase
Thuốc diệt cỏ loại oxynil như bromoxynil (3,5-dibromo-4-hydrobenzonitrile) vàioxynil (3,5-diiodo-4-hydroxybenzonitrile) gây ức chế chuỗi vận chuyển điện tửloại II ở rất nhiều cây trừ cây một lá mầm enzyme (3,5-dibromo-4-hydroxybenzonitrile aminohydrolase; E.C 3.5.5.6), mã hóa bởi gen bnx từKlebsiella pneumoniae subspecies ozanaenae thủy phân bromoxynil thành (3,5-dibromo-4-dihydroxybenzoic acid) và amoni Gen bnx tạo ra tính khángbromoxynil ở thuốc lá và Brassica napus nhưng nó được dung chọn lọc các câykhác
d GSA (Glutamate-1-semialdehyde aminotransferase)
Gabaculine (3-amino-2,3-dihydrobenzoic acid) là một chất độc vi khuẩn ứcchế các liên kết trong pyridoxal-5-phosphate-linked aminotransferases Mộtdạng 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 vikhuẩn Synechococcus PCC6301 chủng GR6 gen hemL biểu hiện rất tốt trên câythuốc lá với promoter 35S
e Cyanamide hydratase
Cyanamide được hòa tan trong dung dịch hoặc muối canxi sử dụng như phânbón Nó có đặc tính bổ xung hoạt động cho các thuốc diệt cỏ áp dụng trước khigieo hạt gen mã hóa cho enzyme cyanamide hydratase (urea hydrolase; E.C.4.2.1.69) được phân lập từ nấm Myrothecium verrucaria (Maier-Greiner et al.,
Trang 141991a) cyanamide hydratase xúc tác cho quá trình thủy phân nhóm nitrile củacyanamide thành ure làm tăng sinh trưởng cho cây.
5 Chiến lược phát triển cây trồng chuyển gene kháng thuốc trừ cỏ thế hệ mới.
5.1.Tình hình thương mại hoá cây trồng chuyển gen kháng thuốc trừ cỏ:
Hiện nay, các cây trồng GM được thương mại hoá chủ yếu là đậu tương, ngô,bông và cải dầu Tập trung chuyển gen nhiều nhất là kháng thuốc diệt cỏ vàkháng côn trùng Theo ISAAA năm 2011:diện tích cây trồng chuyển gen khángthuốc trừ cỏ là 93,9 triệu ha , chiếm 59%