Phần II Các ứng dụng Công nghệ sinh học Nhập môn Công nghệ sinh học 237 Chương Các ứng dụng nông nghiệp I Mở đầu Đây lĩnh vực công nghệ sinh học có nhiều đóng góp quan trọng Các sản phẩm công nghệ sinh học nông nghiệp chứa đựng triển vọng hứa hẹn người tiêu dùng nông dân Hiện nay, ứng dụng công nghệ sinh học nông nghiệp tập trung vào hướng: chọn lọc biến đổi di truyền trồng để có đặc điểm mong muốn (năng suất cao, phẩm chất tốt, thích nghi với điều kiện ngoại cảnh bất lợi ), nuôi cấy mô tế bào thực vật để nhân nhanh giống trồng, sản xuất kháng thể đơn dòng để phục vụ chẩn đoán bệnh thực vật động vật, thụ tinh ống nghiệm cấy chuyển phôi vật nuôi, cải thiện suất chất lượng động vật, nuôi trồng thủy sản, chế biến thực phẩm Nhìn chung, năm qua công nghệ sinh học có tác động tích cực sản xuất nông nghiệp, tạo cách mạng sâu sắc lĩnh vực giống trồng, vật nuôi chế biến thực phẩm Nhiều kết nghiên cứu ứng dụng sản xuất đem lại giá trị kinh tế lớn lao Chẳng hạn, nhiều giống trồng mang gen kháng sâu, kháng bệnh, kháng chất diệt cỏ… đưa thị trường bông, ngô, khoai tây, lúa mạch, lúa nước, cà chua, củ cải đường Nhiều loại vật nuôi thụ tinh ống nghiệm cấy chuyền phôi, sử dụng hormone sinh trưởng để tăng nhanh sức lớn sản lượng sữa trâu, bò, kể sản lượng thực phẩm chất phụ gia sinh học II Cải thiện nhân nhanh giống trồng Hướng nghiên cứu tập trung nhiều để cải thiện nhân nhanh giống trồng nuôi cấy mô tế bào thực vật (plant cell and tissue culture) Đây kỹ thuật nuôi cấy vô trùng in vitro phận tách rời khác thực vật Ngoài mục đích nhân giống cải thiện di Nhập môn Công nghệ sinh học 238 truyền giống trồng, nuôi cấy mô tế bào thực vật đóng góp vào việc sản xuất sinh khối sản phẩm hóa sinh, bệnh học thực vật, trì bảo quản nguồn gen quý hiếm… Các hoạt động bao hàm thuật ngữ công nghệ sinh học nông nghiệp (biotechnology in agriculture) Lĩnh vực nhân giống cải thiện giống trồng có bốn hướng chính: - Nhân giống ống nghiệm (nhân giống vô tính in vitro) kỹ thuật nuôi cấy tế bào, mô quan thực vật Với kỹ thuật thời gian ngắn sản xuất lượng lớn giống hệt giữ nguyên kiểu di truyền mẹ ban đầu - Sản xuất đơn bội (1n) cách nuôi cấy bao phấn hạt phấn cho phép tạo dòng (đồng hợp tử) để phục tráng giống trồng bị thoái hóa sau thời gian dài canh tác Hoặc tìm kiếm tính trạng lặn dị hợp tử ưu việt thu trình chọn giống - Lai vô tính (somatic hybridization) hay gọi dung hợp tế bào trần (protoplast fusion) loài xa quan hệ họ hàng mà thực tế tiến hành phương pháp lai hữu tính, nhờ mở khả tạo giống hoàn toàn - Ứng dụng kỹ thuật chọn dòng tế bào biến dị soma (somaclonal variation) nuôi cấy in vitro để tạo giống chống chịu bệnh vi khuẩn, virus vi nấm, chịu điều kiện canh tác khắc nghiệt hạn hán, ngập mặn, nóng lạnh Nhân giống vô tính in vitro Nhân giống in vitro kỹ thuật nhân giống trồng cách sử dụng nhiều phận khác thực vật, có kích thước nhỏ sinh trưởng điều kiện vô trùng ống nghiệm loại bình nuôi cấy khác chứa môi trường dinh dưỡng nhân tạo Trên quan điểm ứng dụng, kỹ thuật nhân giống in vitro ứng dụng nhằm phục vụ mục đích sau: - Duy trì nhân nhanh kiểu gen quý làm vật liệu cho công tác tạo giống - Nhân nhanh với hiệu kinh tế cao loài hoa cảnh không trồng hạt - Nhân nhanh trì cá thể đầu dòng tốt để cung cấp hạt giống loài rau, cảnh trồng khác Nhập môn Công nghệ sinh học 239 - Nhân nhanh kinh tế kiểu gen quý giống lấy gỗ lâm nghiệp gốc ghép nghề trồng ăn quả, cảnh - Nhân nhanh điều kiện vô trùng, cách ly tái nhiễm kết hợp với làm bệnh virus - Bảo quản tập đoàn giống nhân giống vô tính loài giao phấn ngân hàng gen Sản xuất đơn bội in vitro > , in vitro : - (dòng thuần) Một số phương pháp sử dụng để tạo thể đơn bội sau: in vivo in vivo Nhập môn Công nghệ sinh học 240 : s Nhìn chung, kỹ thuật cho hiệu suất tạo đơn bội thấp 2.2 Phương pháp tạo thể đơn bội in vitro in vitro , Poaceae, Ranunculaceae , (Hình 7.1) Kỹ thuật dung hợp protoplast cho phép khắc phục tượng bất thụ thường xảy lai khác loài (lai xa) để mở rộng nguồn gen, tạo giống trồng mang đặc tính di truyền ưu việt [Lycopersicum esculentum 258 Nhập môn Công nghệ sinh học 241 A B C Hình 7.1 Dung hợp protoplast A: protoplast B: hai protoplast dung hợp cặp C: protoplast dung hợp thể (bên phải ảnh) nhiều hơn, có tới protoplast 3.1 Dung hợp protoplast hóa chất Phương pháp dùng NaNO3 polyethylene glycol (PEG) để kích thích dung hợp hai protoplast 3.2 protoplast (electrofusion) n - Nhập môn Công nghệ sinh học 242 - Chọn dòng biến dị soma in vitro : - - - (overproduction) (genetic markers) Giống ngô bất dục đực Nuôi cấy callus Chọn lọc môi trường chứa độc tố nấm bệnh rỉ sắt (Helminthosporium maydis) Dòng callus kháng H maydis Tái sinh Kiểm tra tính kháng H maydis Hình 7.2 Sơ đồ c Nhập môn Công nghệ sinh học Helminthosporium maydis ngô 243 in vitro ) , khoai tây) - ) Tuy nhiên, t Chuyển gen vào trồng protoplast Nhập môn Công nghệ sinh học 244 Stt Loài Phương pháp chuyển gen Thử nghiệm đồng ruộng Chuối Bắn gen/Agrobacterium Lúa mạch Bắn gen Kháng vi rus Đậu tây Bắn gen - Canola Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ, điều khiển thụ phấn Sắn Bắn gen/Agrobacterium - Ngô Bắn gen/Agrobacterium Kháng côn trùng, chống chịu chất diệt cỏ Bông Bắn gen/Agrobacterium Kháng côn trùng, chống chịu chất diệt cỏ Đu đủ Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus Đậu phụng Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus 10 Bạch dương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 11 Khoai tây Agrobacterium Kháng côn trùng, kháng virus, chống chịu chất diệt cỏ 12 Lúa Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 13 Đậu tương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 14 Bí Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus 15 Củ cải đường Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 16 Mía Bắn gen - 17 Hướng dương Bắn gen - 18 Cà chua Agrobacterium 19 Lúa mì Bắn gen Nhập môn Công nghệ sinh học - Quả chín muộn, kháng virus 245 A C B D Hình 7.3 Một số trồng chuyển gen A: ngô kháng côn trùng B: lúa mạch kháng virus C: cà chua cho chín muộn D: khoai tây chống chịu chất diệt cỏ ) Agrobacterium Nhập môn Công nghệ sinh học 246