tiểu luận đại học bách khoa Các hướng nghiên cứu và một số thành tựu trong lĩnh vực tạo thực vật chuyển gen

MỤC LỤC 3 Lời Mở Đầu Trước đây, để tạo một giống mới các nhà tạo giống thường sử dụng phương pháp truyền thống để tổ hợp lại các gen giữa hai cá thể thực vật tạo ra con lai mang những tính trạng mong muốn. Phương pháp này được thực hiện bằng cách chuyển hạt phấn từ cây này sang nhụy hoa của cây khác. Tuy nhiên, phép lai chéo này bị hạn chế bởi nó chỉ có thể thực hiện được giữa các cá thể cùng loài (lai gần), lai giữa những các thể khác loài (lai xa) thường bị bất thụ do đó không thể tạo ra con lai được. Ngày nay, công nghệ chuyển gen cho phép nhà tạo giống cùng lúc đưa vào một loài cây trồng những gen mong muốn có nguồn gốc từ những cơ thể sống khác nhau, không chỉ giữa các loài có họ gần nhau mà còn ở những loài rất xa nhau. Phương pháp hữu hiệu này cho phép các nhà tạo giống thực vật thu được giống mới nhanh hơnvà vượt qua những giới hạn của kỹ thuật tạo giống truyền thống. Nghiên cứu tạo giống bằng các phương pháp chuyển gen hiện đã thu được rất nhiều thành công ở các phòng thí nghiệm trên thế giới. Một số nghiên cứu về chuyển gen đã được triển khai nghiên cứu ở nước ta. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào một số đối tượng cây thực phẩm hoặc cây công nghiệp như:lúa, ngô, cà chua, bắp cải, đu đủ, bông vải…. Các nghiên cứu về chuyển gen trên đối tượng hoa cây cảnh Các phương pháp chuyển gen ở thực vật đã được nghiên cứu từ những năm cuối 1970 đầu 1980 hiện nay nó đã được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp đem lại nhiều thành tựu to lớn 4 Chương I: Giới Thiệu Kỹ thuật chuyển gen, ghép gen là kỹ thuật đưa một gen lạ (một đoạn DNA, RNA) vào tế bào vật chủ làm cho gen lạ tồn tại ở các plasmid trong tế bào chủ hoặc gắn bộ gen tế bào chủ, tồn tại và tái bản cùng với bộ gen của tế bào chủ. Gen lạ trong tế bào chủ hoạt động tổng hợp các protein đặc hiệu, gây biến đổi các đặc điểm đã có hoặc làm xuất hiện những đặc điểm mới của các cơ thế chuyển gen. Ngày nay việc ứng dụng các giống cây trồng và cật nuôi chuyển gen càng trở nên phổ biến. Người ta ước tính hiện nay trên thế giới có khoảng hơn mộtnửa đậu tương và khoảng một phần ba ngũ cốc được trồng từ những hạt giống có chuyển gen. Có hai hình thức chuyển gen chủ yếu là chuyển gen trực tiếp và chuyển gen gián tiếp. 1. Chuyển gen trực tiếp bao gồm các phương pháp sau: - Kỹ thuật siêu âm - Kỹ thuật điện xung - Kỹ thuật PEG - Kỹ thuật vi tiêm - Kỹ thuật bắn gen - Kỹ thuật chuyển gen bằng sốc nhiệt 2. Chuyển gen gián tiếp - Chuyển gen nhờ Agrobacterium tumefaciens - Chuyển gen nhờ virus và phage Tại sao phải tạo cây chuyển gen? Theo phương pháp truyền thống, nhà tạo giống tìm cách tổ hợp lại các gen giữa hai cá thể thực vật nhằm tạo ra con lai mang những tính trạng mong muốn. Phương pháp này được thực hiện bằng cách chuyển hạt phấn từ cây này sang nhuỵ hoa của cây khác. 5 Tuy nhiên phép lai chéo này bị hạn chế bởi nó chỉ có thể thực hiện được giữa các cá thể cùng loài hoặc có họ hàng gần. Phải mất nhiều thời gian mới thu được những kết quả mong muốn và thường là những đặc tính quan tâm lại không tồn tại trong những loài có họ hàng gần. Kỹ thuật chuyển gen cho phép nhà tạo giống cùng lúc đưa vào một thực vật những gen mong muốn từ những sinh vật sống khác nhau, không chỉ giữa các loài cây lương thực hay những loài có họ gần. Phương pháp hữu hiệu này cho phép các nhà tạo giống thực vật đưa ra giống mới nhanh hơn và vượt qua những giới hạn của tạo giống truyền thống. Ai tạo ra cây chuyển gen? Hầu hết những nghiên cứu về cây chuyển gen đều được tiến hành ở các nước phát triển, chủ yếu là Bắc Mỹ và Tây âu. Tuy nhiên gần đây nhiều nước đang phát triển cũng đang bắt đầu những nghiên cứu về kỹ thuật di truyền. ở các nước phát triển, các công ty Công nghệ sinh học đã đi đầu trong việc ứng dụng kỹ thuật chuyển gen vào nông nghiệp. Các Công ty này gồm Aventis, Dow AgroSciences, DuPont/Pioneer, Monsanto và Syngenta. Thế nào là một cây chuyển gen? Cây chuyển gen là một thực vật mang một hoặc nhiều gen được đưa vào nhân toạ thay vì thông qua lai tạo. Những gen được tạo đưa vào (gen chuyển) có thể được phân lập từ những loài thực vật có quan hệ họ hàng hoặc từ những loài khác biệt hoàn toàn. Thực vật tạo ra được gọi là “chuyển gen” mặc dù trên thực tế tất cả thực vật đều được “chuyển gen” từ tổ tiên hoang dại của chúng bởi quá trình thuần hoá, chọn lọc và lai giống có kiểm soát trong một thời gian dài. Cây chuyển gen được trồng ở đâu? Năm 1994, giống cà chua Calgene chuyển gen chín chem. trở thành cây chuyển gen đầu tiên được sản xuất và tiêu thụ ở các nước công nghiệp. Từ đó 6 tới nay đã có thêm một số quốc gia trồng cây chuyển gen làm tăng hơn 20 lần diện tích cây chuyển gen trên toàn thế giới tăng hơn 47 lần. Diện tích trồng cây chuyển gen tăng từ 1,7 triệu ha năm 1996 lên 90 triệu ha trong năm 2005, có 14 nước được coi là có diện tích trồng cây chuyển gen thuộc loại lớn (mega-countries) với diện tích trồng từ 50.000 ha trở lên, trong đó có 10 nước đang phát triển và 4 nước công nghiệp. các nước có diện tích trồng lớn xếp theo thứ tự từ lớn tới bé là Hoa Kỳ,Achentina, Brazil,Canada, Trung Quốc, Paraguay, Ấn độ, Nam Phi, Urugoay, Ôxtralia, Mexico, Rumani, Philippine và Tây Ban Nha (Theo James, 2005) Những lợi ích tiềm tàng của cây chuyển gen là gì? Ở các nước phát triển việc ứng dụng cây chuyển gen đã có những lợi ích rõ rệt. Bao gồm: • Tăng sản lượng • Giảm chi phí sản xuất • Tăng lợi nhuận nông nghiệp • Cải thiện môi trường Những cây chuyển gen thế hệ thứ nhất đã làm giảm chi phí sản xuất. Ngày nay, các nhà khoa học đang hướng dẫn tạo ra những cây chuyển gen thế hệ thứ hai có đặc điểm tăng giá trị dinh dưỡng hoặc có những tính trạng thích hợp cho công nghiệp chế biến. Lợi ích của những cây trồng này hướng trực tiếp hơn vào người tiêu dùng. Một số ví dụ như: • Lúa gạo giầu vitamin A và sắt • Khoai tây tăng hàm lượng tinh bột • Vacxin ăn được ở ngô và khoai tây • Những giống ngô có thể trồng được trong điều kiện nghèo dinh dưỡng • Dầu ăn có lợi cho sức khoẻ hơn từ đậu nành và cải dầu 7 Những nguy cơ tiềm ẩn của cây chuyển gen là gì? Bao giờ cũng có những nguy cơ tiềm ẩn trong việc phát triển những kỹ thuật mới. Bao gồm: • Mối nguy hiểm trong việc vô tình đưa những chất gây dị ứng hoặc làm giảm dinh dưỡng vào thực phẩm • Khả năng phát tán những gen biến nạp trong cây trồng sang họ hàng hoang dại • Sâu bệnh có nguy cơ tăng cường tính kháng với các chất độc tiết ra từ cây chuyển gen • Nguy cơ những chất độc này tác động tới sinh vật không phải sinh vật cần diệt. Cây chuyển gen được tạo ra như thế nào? Cây chuyển gen được tạo ra thông qua một quá trình được gọi là kỹ thuật di truyền. Các gen quan tâm được chuyển từ cá thể này sang cá thể khác. Hiện có hai phương pháp chính để chuyển một gen vào bộ gen thực vật. Phương pháp thứ nhất cần dùng một dụng cụ có tên là “súng bắn gen”. Gen chuyển được bao bọc ra ngoài những hạt kim loại vô cùng nhỏ, những hạt này sau đó được đưa vào tế bào thực vật theo phương pháp lí học. Một vài gen có thể bị thải loại và không gắn vào bộ gen của cây được biến nạp. Phương pháp thứ hai là sử dụng một loại vi khuẩn để đưa gen mong muốn vào bộ gen của thực vật. Liệu cây chuyển gen có phù hợp với những quốc gia đang phát triển không? Trong khi hầu hết những cuộc tranh luận chống vây chuyển gen diễn ra chủ yếu tại các quốc gia phát triển ở bắc bán cầu, nam bán cầu vẫn giữ vững quan điển qngs dụng bất kỳ công nghệ nào làm tăng sản lượng lương thực. ở các quốc gia thường xuyên không đủ lương thực để phân phối và giá lương thực ảnh hưởng trực tiếp tới thu nhập của đại bộ phận dân chúng thì lợi ích tiềm tàng của cây chuyển gen là không thể phủ nhận được. Thực tế là những loại lương thực được tăng cường hàm lượng dinh dưỡng có thể không cần thiết 8 ở các nước phát triển nhưng lại giữ vai trò thiết yếu trong việc giảm nạn đói ở những nước đang phát triển. Mặc dù tiềm năng về cây chuyển gen ở các nước đang phát triển là rất lớn, nhưng họ phải cần được đầu tư. Hầu hết các nước đang phát triển không có khả năng để đánh giá an toàn sinh học của cây chuyển gen một cách khoa học, thiếu chuyên gia kinh tế để đánh giá giá trị, thiếu khả năng điều chỉnh theo định hướng triển khai an toàn và hệ thống luật pháp để khuyến khích hoặc trừng phạt những ai phạm luật. Rất may mắn là có một số tổ chức đang hoạt động nhằm tạo những tiềm năng tại chỗ để quản lý thành quả thu được, triển khai và đánh giá chất lượng cây chuyển gen. Một khi luật pháp và những thể chế điều chỉnh được ban hành thì sẽ có những đường lối chính xác để loại bỏ hoàn toàn hoặc hạn chế những nguy cơ này. Đó là nghĩa vụ của những nhà cải cách công nghệ (chẳng hạn như những nhà khoa học), các nhà sản xuất và chính phủ nhằm đảm bảo với công chúng về độ an toàn cũng như ảnh hưởng tốt tới môi trường của những thực phẩm mới này. Cũng có thể xảy ra một số nguy cơ mà bản thân công nghệ không gây ra hoặc không thể ngăn chặn được. Chẳng hạn như sự phân cách sâu sắc hơn về kinh tế giữa các nước phát triển (người sử dụng công nghệ) và các nước đang phát triển (người không sử dụng). Tuy nhiên người ta có thể hạn chế những nguy cơ này bằng cách tăng cường những chuyên gia công nghệ được đào tạo phù hợp với nhu cầu của các nước nghèo và bằng cách lập các tiêu chuẩn để các nước nghèo có thể đánh giá được công nghệ mới. 9 Chương II:Các phương pháp chuyển gen Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát minh để đưa gen ở tế bào và mô động vật và thực vật. Kỹ thuật đơn giản nhất là chuyển DNA trần bằng vi tiêm (microinjection), xung điện (electroporation), súng bắn gen. Các phương pháp phức tạp và hiệu quả hơn bao gồm sử dụng các phức hợp lipid-DNA (liposome), vector virus, tế bào gốc phôi, chuyển gen gián tiếp nhờ vi khuẩn Agrobacterium, chuyển gen bằng súng bắn gen Tuỳ thuộc vào đối tượng chuyển gen mà người ta lựa chọn phương pháp chuyển gen phù hợp. I. DEAE-dextran DEAE-dextran là một polycation. Ðây là tác nhân hóa học đầu tiên được sử dụng để chuyển DNA vào tế bào động vật nuôi cấy. Trong phương pháp này, DNA ngoại lai được cho vào một trường nuôi cấy với sự có mặt của DEAE-dextran. DEAE-dextran sẽ kết hợp với DNA tích điện âm (Hình 2.1). Sự dư thừa điện tích dương trong phức hợp DNA-polycation do sự đóng góp của polycation, cho phép phức hợp này đi đến kết hợp chặt chẽ hơn với màng tế bào tích điện âm. Sự xâm nhập của phức hợp có thể đạt được nhờ sự nhập bào (endocytosis) Sự kết hợp giữa DEAE-dextran và DNA 10 Phức hợp DNA-calcium phosphat Cho đến nay, đây là kỹ thuật vô cùng có giá trị đối với các nghiên cứu chuyển gen vào các tế bào soma nuôi cấy và đang được sử dụng nhiều để chuyển các dòng genome vào tế bào đích. Tỉ lệ các tế bào được biến nạp ổn định của kỹ thuật này là tương đương với phương pháp vi tiêm nhưng khác với vi tiêm là nhiều tế bào được biến nạp cùng một lần. Hơn nữa, biến nạp DNA tách chiết từ các tế bào ung thư vào các tế bào nhận không ung thư đã cho thấy đây là phương pháp duy nhất để nghiên cứu sự kiểm soát di truyền của ung thư. Phương pháp này được sử dụng phổ biến bởi vì đơn giản, protocol dễ thực hiện, ít tốn kém, số tế bào chết sau biến nạp không đáng kể, sự biểu hiện gen có thể là nhất thời hoặc ổn định và quan trọng trong việc thiết kế vector virus tái tổ hợp. Tuy nhiên hiệu quả biến nạp và mức độ biểu hiện của gen chuyển thấp. II. Chuyển gen qua liposome Vào thập niên 1980, liposome nhân tạo đã được sử dụng để đưa DNA vào tế bào. Lipid với toàn bộ lưới tích điện dương ở pH sinh lý là thành phần lipid tổng hợp phổ biến nhất của liposome được phát triển cho chuyển gen (Hình 2.3). Thường thì lipid cation được trộn với một lipid trung tính như L-dioleoyl 11 phosphatidylethanolamine (DOPE) (Hình 2.4). Phần cation của phân tử lipid kết hợp với DNA tích điện âm và kết quả là chứa đầy DNA trong phức hợp liposome-DNA (Hình 2.5). Ðối với các tế bào nuôi cấy, toàn bộ lưới tích điện dương của phức hợp liposome-DNA nói chung là gây ra hiệu quả chuyển gen cao hơn bởi vì nó cho phép phức hợp này kết hợpvới màng tế bào tích điện âm bền hơn. Nhờ cơ chế nhập bào, các phức hợp xuất hiện trong endosome và sau đó đi vào nhân Chưa rõ DNA được phóng thích từ endosome và đi qua màng nhân như thế nào. DOPE được xem là một lipid kích thích sự dung hợp và vai trò của nó là phóng thích các phức hợp này từ endosome cũng như làm cho sự dung hợp của màng tế bào phía ngoài với phức hợp liposome-DNA xảy ra dễ dàng. Trong phương pháp này, các đại phân tử trước hết được đưa vào trong các túi phospholipid. Các loại túi khác nhau đã được mô tả, nhưng túi một lớp mỏng là thích hợp nhất cho chuyển gen vì chúng có tỉ lệ khoảng trống chứa nước ở bên trong tương đối cao đối với mỗi đơn vị lipid và bởi vì chúng có tỉ lệ phân phối cao hơn. Sự dung hợp của liposome với màng plasma là một sự kiện hiếm. Hiệu quả biến nạp của phương pháp này thấp hơn so với phương pháp vi tiêm vào tiền nhân. Các nổ lực nghiên cứu đang được tiến hành để tìm ra các điều kiện thí nghiệm mà có thể làm tăng sự phóng thích các phân tử đã kết nang từ con đường ẩm bào 12 [...]... sáng trong khoảng 3 tuần - Chuyển mô sẹo sang môi trường chọn lọc để tạo chồi ( môi trường chọn lọc RPPT ) Trong môi trường này chồi sẽ hình thành và tạo cây non - Cứ sau 3 tuần lại chuyển cây non sang môi trường RPPT mới, cho đến khi cây non chống chịu với PPT thì chuyển cây ra trồng ở môi trường ngoài vườn ươm hoặc đất trồng 22 Chương III Các hướng nghiên cứu và một số thành tựu trong lĩnh vực tạo thực. .. trong lĩnh vực tạo thực vật chuyển gen Một số hướng nghiên cứu chính trong công nghệ chuyên gen ở thực vật I Cây trồng chuyển gen kháng các nấm gây bệnh Nấm bệnh là những tác nhân gây hại cây trồng rất nặng, nhất là ở các nước nhiệt đới có độ ẩm cao Các enzyme làm thoái hóa các thành phần chính của vỏ tế bào nấm chitin và β-1,3 glucan là loại đang được chú ý Khi chuyển gen chitinase vào cây thuốc lá đã... hiệu của liposome bằng cách ghép các kháng thể đặc hiệu với bề mặt của liposome đích III Chuyển gen bằng súng bắn gen Súng bắn gen (Gene gun) là một thiết bị sử dụng để đưa thông tin di truyền vào tế bào, được thiết kế đầu tiên cho biến nạp DNA ngoại lai vào tế bào thực vật và được phát triển vào đầu thập niên 1980 do các nhà thực vật học ở Ðại học Corrnell cùng với các nhà nghiên cứu ở Corrnell Nanofabrication... tất cả các tế bào của chúng (Voiland, 1999) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của súng bắn gen 15 Phương pháp này có ưu điểm là thao tác dễ dàng, có thể chuyển gen vào nhiều loại tế bào và mô, các tế bào được biến nạp có tỉ lệ sống sót cao, cho phép đưa các gen vào tế bào ở vị trí mong muốn Do vậy nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Các ứng dụng của kỹ thuật bắn gen bao gồm -Tạo thực vật chuyển gen: ... trong các cơ thể thiếu máu Sự biểu hiện kéo dài của các gen đưa vào là một vấn đề, trong nhiều trường hợp thường đòi hỏi sự phân phối gen phức tạp (Lin, 2000) -Súng bắn gen là một công cụ nghiên cứu: súng bắn gen có thể được sử dụng để xen các promoter mà sẽ dẫn đến sự biểu hiện của các gen nhất định Hiệu quả khuyếch đại các protein nhất định là một phương pháp có giá trị lớn đối với các nhà khoa học. .. hai gen chitinase và glucanase trong thuốc lá làm cho cây có tính kháng nấm gây hại cao hơn cây có một gen độc lập II Cây trồng chuyển gen kháng các vi khuẩn gây bệnh Đối với bệnh vi khuẩn, hướng nghiên cứu tạo giống mới bằng công nghệ gen chỉ mới bắt đầu Về cơ bản có ba hướng Dùng gen mã hóa enzyme làm thoái hóa thành tế bào vi khuẩn Chẳng hạn, gen lysozyme từ các nguồn tế bào động vật hoặc từ thực. .. nhất hiện nay trong lĩnh vực tạo ngũ cốc chuyển gen Bacillus thuringiensis là loài vi khuẩn tổng hợp ra protein crystal (crys1Ab và crys1Ac) có khả năng giết một cách chọn lọc các nhóm côn trùng nhất định Gen mã hoá protein crystal được gọi là gen Bt Gen Bt đã được bắn vào mô sẹo của cây ngũ cốc (Rassmussen, 1994) Trong khi các tế bào này sửa chữa tổn thương, (Rassmussen, 1994) Trong khi các tế bào này... thấy chúng cũng giống với các vi khuẩn khác là đều chứa các plasmid (một dạng DNA vòng nằm ngoài NST, có khả năng nhân bản độc lập) Chắc chắn các plasmid này đã chuyển vào tế bào thực vật các vật chất di truyền gây bệnh và tạo khối u cho cây, do vậy người ta goi là Ti-plasmid (Tumor inducing plasmid) Ti-plasmid đã chuyển một phần DNA của Ti-plasmid vào gen của cây Ti-plasmid là một plasmid lớn với kích... tại vùng bờ trái và bờ phải) để găn vào genome thực vật Trong T-DNA chứa 3 vùng gen quan trọng quy định sự hình thành khối u Đó là vùng gen iaam và iaah kích thích cho sự hình thành IAA và vùng ipt kích thích cho sự hình thành xytokinin Tỉ lệ auxin/xytokinin kích thích sự hình thành callus tạo nên các khối u b Đăc điểm cấu trúc của Agrobacterium tumefaciens Ti plasmid Khi xem xét các vi khuẩn A tumefacciens... protein, lipit và cac phân tử nhỏ vào nhiều loại tế baof nuôi cấytiêm đối với RNA hoặc protein Cũng như thế, chuyển gen qua liposome và sự biểu hiện của gen chuyển là không vượt qua được các phương pháp chuyển gen thông thường (như hệ thống virus), sự biểu hiện gen chuyển thường nhất thời, sự ức chế bởi các thành phần của huyết thanh có thể xảy ra Bên cạnh đó, kỹ thuật này có nhiều ưu điểm là gen chuyển sẽ . Cây chuyển gen là một thực vật mang một hoặc nhiều gen được đưa vào nhân toạ thay vì thông qua lai tạo. Những gen được tạo đưa vào (gen chuyển) có thể được phân lập từ những loài thực vật có. thuật tạo giống truyền thống. Nghiên cứu tạo giống bằng các phương pháp chuyển gen hiện đã thu được rất nhiều thành công ở các phòng thí nghiệm trên thế giới. Một số nghiên cứu về chuyển gen đã. Kỹ thuật bắn gen - Kỹ thuật chuyển gen bằng sốc nhiệt 2. Chuyển gen gián tiếp - Chuyển gen nhờ Agrobacterium tumefaciens - Chuyển gen nhờ virus và phage Tại sao phải tạo cây chuyển gen? Theo phương