cây ngô chuyển gen Bt

Một trong số các giống cây trồng biến gen phổ biến hiện nay là giống ngô Bt có khả năng kháng sâu bệnh làm tăng năng suất, giảm mức độ gây hại của côn trùng.. Tinh thể protein được sinh

Lời mở đầu

Quá trình chọn tạo giống theo cách thông thường đòi hỏi thời gian lâu, tốn kém

và việc tính trạng tạo ra không bền vững lại khá phổ biến, nhất là đối với các tính trạng do nhiều gen quy định như chịu hạn hay năng suất Trên nhiễm sắc thể, đôi khi gen có lợi (ví dụ gen kháng bệnh) lại ở gần gen có hại (ví dụ gen năng suất thấp, hạt nhỏ) Khi cho giao phối giữa hai cá thể theo phương thức tự nhiên đòi hỏi nhà chọn giống phải lai liên tục nhiều thế hệ (7-9 thế hệ), hoặc phải tạo một quần thế rất lớn (hàng chục nghìn cá thể) mới có thể loại bỏ hoàn toàn gen xấu và giữ lại gen tốt Công nghệ sinh học sử dụng kỹ thuật di truyền

để biến đổi cây trồng bằng cách đưa trực tiếp những gen có giá trị vào bộ gen của cây nhận và nhanh chóng tạo ra cây trồng biến đổi gen (GMC) mang những đặc tính mong muốn Hiện nay, lĩnh vực nghiên cứu tạo sinh vật GM đang được tiếp cận, đầu tư và triển khai nghiên cứu Nhiều gen quý có giá trị ứng dụng như năng suất, chất lượng, chống chịu được phân lập và nghiên cứu nhằm chuyển vào cây trồng Một trong số các giống cây trồng biến gen phổ biến hiện nay là giống ngô Bt có khả năng kháng sâu bệnh làm tăng năng suất, giảm mức độ gây hại của côn trùng Cụ thể trong bài tiểu luận, nhóm thực hiện xin được giới thiệu về công nghệ Bt, giống ngô Bt, ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng giống biến đổi gen…

I. Giới thiệu công nghệ Bt kháng côn trùng

1. Vi khuẩn Bt

Bt, viết tắt của Bacillu thuringiensis, là loài vi khuẩn đất điển hình được phân

lập ở vùng Thuringia, Đức Bt là vi khuẩn gram dương tạo bào tử trong điều kiện hiếu khí, có thể tạo ra các protein dạng tinh thể Tinh thể protein được sinh

ra gây tệ liệt ấu trùng của một số loài côn trùng gây hại, trong đó có sâu đục quả bông, các loài sâu đục thân ngô Châu Á và Châu Âu Độc tố Bt được sinh ra từ

nhiều chủng B thuringiensis khác nhau chuyên biệt cho bộ cánh vảy, côn trùng

hai cánh và bọ cánh cứng Vì có quá trình hình thành các loại protein này nên

B thuringiensis đã được sử dụng như một loại thuốc trừ sâu sinh học nhiều thập

kỷ nay

2. Cơ chế tác động

Sau khi xâm nhập vào các ấu trùng của côn trùng đích qua đường tiêu hóa, protein Bt được hoạt hóa dưới tác động của môi trường kiềm trong ruột côn trùng, chọc thủng ruột giữa gây nên sự tổn thương làm chúng ngừng ăn Kết quả là côn trùng chết sau một vài ngày Với khả năng sản sinh protein độc tố có khả năng diệt côn trùng, Bt đã và đang được rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu

và khám phá giá trị nông học của chúng Đến nay, hơn 200 loại protein của Bt

đã được phát hiện với các nồng độ độc tố diệt một số loài côn trùng khác nhau

Bacillus thuringiensis var kurstaki (Btk) tạo ra nhờ việc tinh thể hoá protein

trong quá trình tạo tiền độc tố trong quá trình hình thành bào tử, còn được gọi là

“protoxins” Những protoxins này bị phân huỷ bởi dịch tiêu hoá trong ruột có tính kiềm và bị qúa trình thuỷ phân cắt thành các mạch nhỏ có độc tính, đây chính là các mạch chính cần quan tâm (Höfte và Whiteley, 1989), các mạch hoạt động này có tính trơ với các qúa trình tiêu hoá tiếp theo bởi theo các

protease như trypsin Các protein được kích hoạt sẽ bám vào lớp mao mạch của màng nang trong ruột giữa của côn trùng, thúc đẩy qúa trình tạo lỗ làm ảnh hưởng đến cân bằng thẩm thấu Các tế bào sẽ phình lên và bị ly giải do vậy các

ấu trùng nhạy cảm với protein này sẽ ngừng ăn và chết từ từ Đối với nhiều loại protein Bt, các điểm bám chuyên biệt đã được trình bày là có tồn tại trên biểu

mô ruột giữa của các côn trùng nhạy cảm (Höfte và Whiteley, 1989)

3. Công nghệ Bt

a. Công nghệ Bt truyền thống

Bt có thể được nuôi cấu dễ dàng nhờ quá trình lên men Vì vậy, Bt đã được sử dụng rộng rãi làm thuốc diệt côn trùng từ hơn 40 năm nay ở nhiêu nơi trên thế giới Đặc biệt, Bt đã đem lại những lợi ích to lớn cho các nông trại hữu cơ vì chúng được coi là một trong rất ít thuốc trừ sâu đạt tiêu chuẩn hữu cơ Tùy thuộc vào cấu trúc (dạng hạt hay dạng dịch) mà thuốc diệt côn trùng Bt được phun hay rắc Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số hạn chế nhất định đối với cả hai trường hợp ứng dụng này như thuốc diệt côn trùng Bt rất khó tiếp xúc với côn trùng đích ẩn sâu dưới lá, đất Những bất lợi này hoàn toàn được loại trừ nhờ công nghệ sinh học hiện đại

b. Công nghệ Bt hiện đại

Các nhà khoa học đã tiến hành chuyển gen Bt mã hóa cho protein tinh thể độc

tố từ vi khuẩn Bt vào thực vật Cây trồng được chuyển gen Bt này sẽ có khả năng tự kháng lại sâu hại đích Các protein sản sinh trong thực vật không bị rửa trôi hay bị phân huỷ dưới ánh nắng mặt trời.Vì vậy, bất kể trong điều kiện sinh thái, khí hậu thế nào thì cây trồng vẫn được bảo vệ khỏi sự tấn công của sâu đục thân, hay đục quả

II. Giới thiệu về ngô Bt

1. Hiện trạng

Ở Việt Nam, ngô là loại cây lương thực quan trọng thứ hai sau lúa Ngô được trồng khắp nơi, từ đồng bằng đến trung du và khá nhiều ở miền núi Tuy nhiên,

do là một nước có truyền thống sản xuất lúa gạo, trong một thời gian dài ngô ít được chú ý mà chỉ những năm gần đây mới phát triển Cuộc cách mạng về giống ngô lai đã góp phần phần tăng nhanh diện tích, năng suất và sản lượng ngô toàn quốc, đưa nước ta đứng vào hàng ngũ những nước trồng ngô lai tiên tiến của vùng châu Á

Thời gian qua, Bộ Nông nghiệp & PTNT đã cấp giấy phép khảo nghiệm hạn chế và khảo nghiệm diện rộng cho 3 Công ty: Monsanto Thái Lan với 3 giống ngô chuyển gen gồm MON 89034; NK 603 và MON 89034 x NK 603;

Syngenta Việt Nam với 2 giống ngô chuyển gen BT 11 và GA 21; Công ty TNHH Pioneer Hi-Bred Việt Nam với 1 giống ngô chuyển gen TC1507 Việc khảo nghiệm được thực hiện trong 2 vụ trên diện hẹp và 1 vụ trên diện rộng chưa đủ cơ sở để kết luận ngô BĐG có an toàn hay không, tuy nhiên đây lại là

cơ sở gần như là duy nhất để các bộ ngành dựa vào đó và ra quyết định có cho phép sản xuất đại trà, dùng làm thức ăn chăn nuôi hay thực phẩm

2. Giới thiệu

a. Giống ngô Bt

Ngô Bt là các giống ngô đã được tiến hành chuyển gen Bt mã hóa cho protein tinh thể độc tố từ vi khuẩn Bt vào cây ngô Cây ngô được chuyển gen Bt này sẽ

có khả năng tự kháng lại sâu hại đích Các protein sản sinh trong thực vật không

bị rửa trôi hay bị phân huỷ dưới ánh nắng mặt trời.Vì vậy, bất kể trong điều kiện sinh thái, khí hậu thế nào thì cây trồng vẫn được bảo vệ khỏi sự tấn công của sâu đục thân, hay đục quả

- Ví dụ giống ngô biến đổi gen ngô Bt11

Ngô chuyển gen Bt11, mang gen CryIA(b) kháng sâu đục thân, có khả năng kháng sâu hại bộ cánh vảy, đặc trị cho sâu đục thân ngô châu Á với sự hiện diện của gen Cry1Ab và khả năng chống chịu với các loại thuốc trừ cỏ có chứa hoạt

chất Glufosinate ammonium với sự hiện diện của gen chỉ thị pat.

Ngô biến đổi gen Bt11 được chèn hai protein mới đưa vào, đó là:

• Gen Btk mã hóa protein CryIAb, kháng sâu đục thân (bore);

• Gen pat mã hoá enzyme PAT, kháng phosphinothricin.

b Phương pháp chuyển gen Bt

- Phương pháp bắn gen

Vi khuẩn đã mang gene mục tiêu (gen đích cần chuyển) gen này đã được trải qua quá trình tách dòng và gắn vào plasmid Khi đã kiểm tra chính sác là gene

đó rồi, sau đó tăng sinh khuẩn đó lên với số lượng lớn Tách lấy gene mục tiêu rồi thu lại gene đó, mang gene đó trộn gene đó với hạt vàng có kích thước rất nhỏ) Và chuyển gene trực tiếp bằng súng bắn gene Chuyển gene NGÔ Đồng thời với việc nuôi và tách gene từ khuẩn bạn cũng phải nuôi cấy mô PHÔI NGÔ, thường chọn phôi 7-10 ngày tuổi là tốt nhất, phù hợp với chuyển gene Nuôi mô sẹo hoặc nuôi cấy tạo cây chính thức (giai đoạn được 4-5 ngày mang

đi biến nạp)

Với mẫu và gen đã được chuẩn bị ở trên tiến hành bắn gene trực tiếp Khi bắn gene này sẽ xảy ra trường hợp đó là khi hạt vàng với lực áp xuất bắn mạnh sẽ làm tế bào dập nát khá nhiều, các hạt đó có mang gene các gene này được giữ lại ở vị trí nào đó trong tế bào như nhân, TBC nhưng mục tiêu của chúng ta là gen đó ở nhân Hạt vàng ở trong tế bào nhưng không ảnh hưởng tới quá trình phát triển của tế bào Rất nhiều tế bào bị chết sau khi bắn gene đó ( do hạt vàng làm tế bào nát, không phục hồi được) Những gene được vào đúng vị trí nhân có thể sẽ gây nên quá trình chèn vào genenome của tế bào thành công, nhưng cũng

có gene vào đến nhân không chèn được

Sau đó nuôi phục hồi tế bào sau chuyển gene tầm 5 ngày (tùy loại cây), sau thời gian nuôi phục hồi bạn tiến hành chọn lọc cây đã được chuyển gen.Cây nào còn sống đem nuôi, ra cây, tiến hành kiểm tra PCR với mồi đặc hiệu với gene mục tiêu Nếu PCR lên ta kiểm tra trực tiếp (nếu chuyển gene kháng thuốc diệt cỏ thử nghiệm bằng cách phun thuốc diệt cỏ ( 3 lần, cách nhau hơi xa một chút), chuyển gene kháng sâu thử nghiệm bằng thả sâu và xem tỷ lệ sâu chết ( sâu phải đúng là loại sâu mà bị chết do protein gene đích tạo ra ) Nếu sâu chết hoặc

cỏ chết mà cây không sao tiến hành lai phân tử tiếp sau đó, các bước như

saotherblot ( kiểm tra sự có mặt của gene đích trong hệ gene), notherblot ( kiểm tra sự phiên mã của gene mục tiêu) có từ DNA sang RNA không, kiểm tra

westblot (kiểm tra xem có tạo ra protein không) kiểm tra dịch mã của RNA sang Protein Nếu cây sống có thể ra hoa kết trái bình thường thì để cây ra hoa kết trái thu quả Tiếp tục lấy hạt đó trồng đúng mùa vụ Khi lên cây con tiếp tục kiểm tra đời thứ 1 từ bước tách DNA đến PCR và cuối cùng là WESTBLOT, kiểm tra tới đời thứ 3 mà vẫn tốt Kiểm tra tới đời thứ 3 để xem sự di truyền gene mục tiêu sang đời sau có được tiến hành không

Phương pháp chuyển gen bằng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens

Agrobacterium là kí sinh trùng thực vật tự nhiên, khả năng chuyển gen vốn có

của chúng đã góp phần cung cấp phương pháp cho sự phát triển của thực vật biến đổi gen Để tạo ra môi trường sống thích hợp cho mình, các vi khuẩn

Agrobacterium chèn gen của chúng vào thân cây chủ, làm tăng nhanh tế bào

thực vật ở gần mặt đất (tạo khối u sần sùi) Thông tin di truyền cho sự tăng trưởng của khối u được mã hóa trên một đoạn ADN vòng có khả năng nhân bản độc lập gọi là Ti-plasmid (trên Ti-plasmid có đoạn T-ADN) Khi một vi khuẩn lây nhiễm vào thân cây, nó chuyển đoạn T-ADN này đến một vị trí ngẫu nhiên trong hệ gen của cây đó Điều này được ứng dụng trong công nghệ di truyền bằng cách lấy đoạn gen vi khuẩn T-ADN ra khỏi các plasmid vi khuẩn và thay

thế bởi các gen mong muốn bên ngoài Các vi khuẩn Agrobacterium sau đó hoạt

động như một vector chuyển tải các gen ngoại nhập vào trong thân cây

- Ví dụ

Ngô Bt11 được tạo ra từ dòng bố mẹ ban đầu được chuyển gen sử dụng plasmid pZO1502 mang gen kháng sâu và chống chịu thuốc diệt cỏ glufosinate

ammonium, phương pháp chuyển gen dung hợp tế bào trần (protoplast

transformation) sau đó tái sinh cây

Plasmid pZO1502 có nguồn gốc plasmid pUC18 được chèn 2 phân đoạn gen

35S-1/intron/BtkHD-1/nos và 35S-2/intron/pat/nos Gen Btk là một phiên bản biến đổi của toàn bộ chiều dài gen Cry1A(b) của vi khuẩn Bacillus thurigiensis var kurstaki chủng HD-1 Gen Btk có nguồn gốc từ phân đoạn Ncol-BglII dài 1,8 kb Sự thay đổi gen Cry1A(b) bao gồm những thay đổi trên ADN và được xén bớt để tăng sự biểu hiện trên cây Gen pat (phosphinothricin acetyl

transferase) được dòng hoá từ vi sinh vật có trong đất Steptomyces

viridochromogenes chủng Tu494 Đoạn ban đầu được thay đổi để tối thích sự biểu hiện ở thực vật Hai gen Btk và pat đều sử dụng promoter 35S có nguồn

gốc từ virus khảm bông CaMV để khởi động biểu hiện liên tục cho gen và phân đoạn IVS có nguồn gốc từ ngô để tăng cường sự biểu hiện của gen trên thực

vật Ngoài ra plasmid pZO1502 còn chứa các gen chỉ thị bla – kháng kháng sinh ampicillin, gen lacZ – mã hóa β-galactosidase có chức năng chỉ thị màu

ứng dụng trong chọn lọc vi khuẩn của kỹ thuật gen

Vị trí đoạn gen được chuyển: Đoạn gen được chèn vào nằm ở dọc trên nhiễm sắc thể số 8

Số lượng bản sao của gen đưa vào: Vị trí chèn là 1 bản sao của cả gen Bt và pat

và được điều khiển bởi đoạn vector 35S trên nhiễm sắc thể số 8

Véc tơ sử dụng: Plasmid PZ01502 có chứa ba gen; gen Btk (kháng sâu), gen pat (chống chịu thuốc trừ cỏ) và gen amp mang đặc tính kháng ampicilin Plasmid được phân loại trước khi chuyển gen với enzyme hạn chế là Notl Nó chia tách Plasmid thành hai đoạn, một mang gen Btk và pat, một đoạn khác mang gen

kháng ampillicin Vật liệu chuyển gen sau tái sinh được trồng và lai ngược/lai chéo với các dòng không chuyển gen có cùng đặc tính của công ty , sử dụng như nguồn giống lai thương mại bố mẹ

3. Ưu điểm và nhược điểm của giống ngô Bt

a. Ưu điểm

- Tăng cường quản lý sâu bệnh

Các cây trồng Bt kháng côn trùng đã giúp nông dân có thể bảo vệ cây trồng chống lại một số loài côn trùng gây hại và giảm thiểu hoặc hoàn toàn không phun thuốc trừ sâu Sản lượng mùa màng tăng lên và cho phép nông dân có nhiều thời gian dành cho các công việc quản lý nông trại

- Giảm sử dụng thuốc trừ sâu

Nghiên cứu của Bộ Nông nghiệp Hoa kỳ cho thấy năm 1998, nông dân trồng cây Bt đã giảm sử dụng 8,2 triệu pounds (tương đương hơn 3,7 triệu kg) thuốc trừ sâu Trung Quốc và Argentina cũng là những quốc gia giảm đáng kể việc sử dụng thuốc trừ sâu Lượng thuốc trừ sâu đã giảm từ 60-70% nhờ trồng bông Bt

- Thu được lợi nhuận nhiều hơn

So với cây trồng truyền thống, cây trồng Bt có chi phí đầu vào thấp hơn nên thu được lợi nhuận cơ hơn Cải thiện điều kiện cho các sinh vật không cần diệt Khi thuốc trừ sâu truyền thống phổ rộng được sử dụng đã hạn chế sự sinh sôi của các quần thể ăn thịt và sinh vật ký sinh, kết quả là gây ra sự tàn phá của các loài sâu hại thứ cấp Đối với câu trồng Bt, nhờ khả năng tự kháng sâu bệnh nên lượng thuốc trừ sâu sử dụng đã được giảm đáng kể nhờ vậy đã tăng cường sự phát triển của các sinh vật có ích Các sinh vật này có thể giúp khống chế các loài sâu hại thứ cấp Ngô chứa ít độc tố mycotoxin Ngoài khả năng diệt côn trùng hiệu quả, cây trồng bt còn khó bị nhiễm các mầm bệnh vi sinh vật như nấm Fusarium Loài nấm này sản sinh mycotoxin, độc tố có thể gây chết gia súc cũng như gây ung thư cho người

b. Nhược điểm

- Ảnh hưởng đến sinh vật khác

Phấn hoa của ngô Bt vốn để ngăn ngừa sâu cắn lá lại làm tăng tỉ lệ chết của sâu của loài bướm bông tai D plexippus Thức ăn chính của loài sâu này là cây cỏ sữa A syriaca chứ không phải là ngô Tuy nhiên, tỉ lệ tử vong của sâu của loài bướm bông tai ở xung quanh khu vực trồng ngô Bt cao hơn so với ở khu vực trồng ngô không biến đổi gen đối chứng đã chúng minh phấn hoa của ngô Bt bị phát tán theo gió, bay lên và đậu trên cây cỏ sữa và gây ngộ độc cho sâu của loài bướm D plexippus

Giảm hiệu quả của việc dùng thuốc trừ sâu: các nhà khoa học lo ngại rằng việc

sử dụng cây trồng có chất Bt sẽ góp phần tạo ra loại côn trùng kháng lại chất Bt

và điều này đã được ghi nhận bởi một số công trình nghiên cứu gần đây

Tạo ra loại cỏ kháng thuốc diệt cỏ: có thể các loại cỏ sẽ lai tạo chéo với các giống cây biến đổi gen và kháng lại thuốc diệt cỏ Nguyên nhân của việc này được cho rằng khi người nông dân dùng một lúc nhiều loại thuốc diệt cỏ có độc tính cao cùng với các phương pháp diệt trừ cơ học (nhổ, cuốc) dẫn đến việc phát triển gien kháng thuốc trên cỏ chậm lại Khi dùng cây biến đổi gen, do chỉ cần dùng một loại thuốc diệt cỏ là glyphosate (một loại thuốc không có tính độc hại cao bằng các loại thuốc khác) mà không dùng thêm các phương pháp cơ học

đã tạo cơ hội để cỏ dại phát triển tính kháng rất nhanh đối với thuốc diệt cỏ Gen được chuyển vào cây biến đổi gen sẽ phát tán và nhiễm tạp các cây dại trong tự nhiên

- Ảnh hưởng lên sức khỏe con người

Đa số các tài liệu nghiên cứu cho thấy thực phẩm biến đổi gen có nguồn gốc từ cây trồng biến đổi gen không có hại đến sinh trưởng và phát triển của các động vật chiếm đa số

- Ảnh hưởng đến kinh tế, xã hội

Mặc dù cây trồng biến đổi gen được quảng cáo là sẽ giúp người nông dân giảm được chi phí cho thuốc trừ sâu và có năng suất cao hơn, trong thực tế, những người nông dân lại bị lệ thuộc vào công ty hạt giống vì mỗi năm họ buộc phải mua giống mới mà không thể sử dụng lại hạt thu từ vụ trước Nguyên nhân là vì hạt giống biến đổi gien mà họ mua năm đầu tiên từ các công ty hạt giống sẽ không thể thụ phấn ở các vụ mùa tiếp theo Đối với người nông dân của các nước thứ ba, chi phí đắt đỏ của giống cây chuyển gien và sự lệ thuộc vào công

ty hạt giống sẽ khiến sức hấp dẫn của cây trồng chuyển gien giảm đi Thêm vào

đó, các công ty này luôn tuyên truyền rằng chỉ có cây trồng biến đổi gen mới có thể giúp con người sản xuất ra đủ lượng thực phẩm để nuôi dân số thế giới, vốn