Bai thu hoach Di truyền chọn giống thực vật

Chọn giống cây trồng hay thực vật nói chung (plant breeding) là một lĩnh vực quan trọng của sản xuất nông nghiệp; mục đích của nó là tạo ra ngày càng nhiều giống cây trồng mới có năng suất cao, chất lượng tốt, chống chịu được các điều kiện bất thuận (như sâu bệnh, hạn, úng, nóng, rét...) Về thực chất, đó là sự tiến hoá của thực vật do con người điều khiển, được hình thành từ trong thực tiễn trồng trọt qua hàng ngàn năm kể từ khi con người bắt đầu mò mẫm thuần hoá cây trồng dựa theo kinh nghiệm. Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển của di truyền học trong suốt 100 năm nay, công tác chọn tạo giống cây trồng đã xây dựng được một nền tảng khoa học vững chắc và không ngừng được hoàn thiện. Nhờ đó đã tạo ra hàng loạt các giống cây trồng mới, nhất là các giống ngũ cốc, góp phần xoá đói giảm nghèo mang lại cuộc sống ấm no và cải thiện sức khoẻ cho con người. I. TỔNG QUAN VỀ GIỐNG CÂY TRỒNG 1. Định nghĩa về giống cây trồng Giống là một nhóm cây trồng, có đặc điểm kinh tế, sinh học và các tính trạng hình thái giống nhau, cho năng suất cao, chất lượng tốt ở các vùng sinh thái khác nhau và điều kiện kỹ thuật phù hợp. Giống (Varieties, Cultivar) do một nhóm thực vật hợp thành nên có một nguồn gốc chung từ một cá thể hay một số cá thể có đặc tính, tính trạng giống nhau. Giống cây trồng là một quần thể thực vật có giá trị sử dụng bởi các tính trạng về đặc điểm sinh lý, về sinh trưởng phát dục, về canh tác của các cá thể giống nhau trong quần thể, đảm bảo tính đồng đều, tính ổn định của giống. Từ khái niệm trên đi đến định nghĩa về giống cây trồng như sau: Giống cây trồng là một quần thể cây trồng do con người sáng tạo ra nhằm thỏa mãn những yêu cầu nào đó của mình. Nhóm cây trồng đó phải có tính di truyền và biến dị nhất định, phải có những đặc trưng về đặc tính sinh vật, về hình thái, về kinh tế nhất định, có tính di truyền ổn định và được thực tiễn kiểm chứng có khả năng cho năng suất cao, phẩm chất tốt trong những khu vực và điều kiện canh tác nhất định. Theo Pháp lệnh giống cây trồng số 032004 LCTN ngày 04042004 định nghĩa Giống cây trồng là một quần thể cây trồng đồng nhất về hình thái và có giá trị kinh tế nhất định, nhận biết được bằng sự biểu hiện của các đặc tính do kiểu gen quy định và phân biệt được với bất kỳ quần thể cây trồng nào khác thông qua sự biểu hiện ít nhất một đặc tính và di truyền cho đời sau. Theo FAO thì giống phải hội đủ ba điều kiện: Đặc thù riêng biệt (Distinct) Đồng nhất về: Hình thái, sinh học, kinh tế (Homogenous) Ổn định (Stable) Từ khái niệm về giống như vậy, ta có thể hình dung giống cây trồng (crop variety; cultivar) là một nhóm các thực vật có các đặc trưng sau: Có nguồn gốc chung với các tính trạng hay đặc điểm giống nhau. Mang tính di truyền đồng nhất (nghĩa là có sự ổn định, ít phân ly) về các tính trạng hình thái và một số đặc tính nông sinh học khác như: chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, khả năng chống chịu sâu bệnh v.v. Mang tính khu vực hoá, nghĩa là tất cả các đặc điểm hay tính trạng của giống được biểu hiện trong những điều kiện ngoại cảnh (như đất đai, khí hậu, các biện pháp kỹ thuật sản xuất) nhất định. Từ đây xuất hiện các khái niệm về giống chịu hạn, chịu mặn, chịu úng v.v. Do con người tạo ra nhằm thoả mãn một hoặc một vài nhu cầu và thị hiếu nhất định, như: năng suất cao, chất lượng tốt, giá trị thương phẩm cao. Khi đề cập đến khái niệm giống, thông thường người ta muốn đề cập tới các tính trạng và đặc tính của giống Tính trạng (characters): Đó là những đặc điểm về hình thái và cấu tạo quan sát được của các cây trong cùng một giống giúp ta phân biệt với các giống khác trong cùng một loài. Để nhận biết các tính trạng như vậy, thường người ta chia ra các nhóm sau đây: + Các đặc điểm về hình thái, như: chiều cao cây, chiều dài bông, số hạt trên bông, số bông trên khóm, kích thước lá v.v. Nói chung đây là những tính trạng số lượng (quantitative characters), nghĩa là có thể cânđongđođếm được; chúng thường do nhiều gene kiểm soát và chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện môi trường. + Các đặc điểm về cấu tạo, như: độ dày của bông, màu sắc và hình dạng của thân, lá, hoa và quả ... Đây là những tính trạng chất lượng (qualitative characters), thường do một gene kiểm soát, ít chịu tác động của điều kiện ngoại cảnh và có thể quan sát được bằng mắt thường. + Diễn biến của một quá trình sinh học, như: hô hấp, quang hợp, hoặc phản ứng quang chu kỳ v.v. thường tỏ ra rất mẫn cảm với các điều kiện sinh thái của môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, độ dài ngày. Tất cả các yếu tố này có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự hoạt động của các enzyme kiểm soát một quá trình sinh học cụ thể, và qua đó có thể ảnh hưởng đến các tính trạng chất lượng. Đặc tính (characteristics): Đó là những tính chất hay đặc điểm sinh lý, sinh hoá đặc trưng có liên quan đến các đặc tính chống chịu của thực vật và đặc điểm kỹ thuật canh tác 2. Định nghĩa về dòng Dòng là tập hợp các cá thể có quan hệ họ hàng thân tộc với nhau. Dòng thuần là tập hợp các cá thể đồng hợp tử được sinh ra từ những thế hệ nối tiếp nhau của các cá thể đồng hợp tử, giống hệt nhau về mặt di truyền và hình thái (hình dạng, màu sắc...) Ví dụ: Ở thực vật, dòng thuần có thể tạo ra được bằng cách cho tự thụ phấn liên tiếp nhiều thế hệ trên cùng một quần thể. Tính dị hợp sẽ giảm 12 sau mỗi thế hệ tự thụ. Ở động vật khi thuần hóa một giống dễ dẫn đến hiện tượng đồng huyết, làm giảm sức sống của giống. Tính trạng là những đặc điểm về hình thái, cấu tạo của thực vật. Ví dụ: chiều cao cây, số là, số đốt, màu sắc hoa, quả, hạt … Đặc tính là các đặc điểm về sinh lý, sinh hóa và các đặc điểm kỹ thuật của thực vật. Ví dụ: tính chịu phèn, mặn, chịu hạn … 3. Vai trò của giống cây trồng Giống tốt có tác dụng làm tăng năng suất. Giống tốt có thể thích hợp với cơ giới hóa, giảm bớt nặng nhọc cho người lao động, tăng năng suất lao động. Giống tốt có thể tăng vụ, luân canh, bố trí cây trồng hợp lý nhằm sử dụng ruộng đất có hiệu quả nhất. Giống tốt có thể tăng phẩm chất không ngừng. Giống tốt tạo điều kiện phòng chống thiên tai, sâu bệnh có hiệu quả ít tốn kém. 4. Đặc điểm của giống, tiêu chuẩn giống tốt Những đặc điểm của giống: Giống là sản phẩm sáng tạo của con người bằng lao động liên tục, lâu dài và được hình thành nhờ chọn lọc nhân tạo. Giống có tính đồng nhất về di truyền, được biểu thị ra ngoài bởi các tính trạng hình thái, nông học, kinh tế… Giống là đơn vị phân loại thực vật tương đương với thứ, biến chủng. Cây dại không có giống mà chỉ có dạng (Forma). Giống có tính khu vực Giống có tính thời gian Tính tương đối về sự biểu hiện các tính trạng Tiêu chuẩn giống tốt: Năng suất cao và ổn định Phẩm chất tốt Chống chịu tốt Thời gian sinh trưởng phù hợp Chất lượng hạt giống tốt Sạch sâu bệnh Phù hợp với phương thức canh tác của vùng 5. Phân loại giống Có 2 cách phân loại giống cây trồng: + Phân loại theo nguồn gốc + Phân loại theo phương thức chọn tạo Phân loại theo nguồn gốc Giống địa phương (Giống bản địa): Là những giống cây trồng được hình thành trong do quá trình chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo ở điều kiện tự nhiên của địa phương dưới tác dụng của tự nhiên lâu dài và các biện pháp chọn lọc nhân tạo đơn giản. Đặc điểm của giống địa phươnglà rất thích nghi với điều kiện tự nhiên và điều kiện sản xuất ở địa phương. Cho nên ở khu vực phân bố của nó năng suất hàng năm rất ổn định. Các giống địa phương không những có vị trí quan trọng trong sản xuất mà còn dùng làm vật liệu khởi đầu để tạo ra các giống mới tốt hơn. Ví dụ: Giống xoài cát hòa lộc (Tiền Giang), giống nhãn xuồng cơm vàng (Bà Rịa – Vũng Tàu), giống bưởi da xanh (Bến Tre). Giống nhân tạo: Do các cơ quan nghiên cứu tạo ra bằng các phương pháp chọn tạo khoa học. Chúng có độ đồng đều cao về các tính trạng hình thái và các đặc tính sinh vật, kinh tế. Tuỳ theo phương thức chọn tạo phân ra các loại giống. Giống quần thể: thu được bằng cách chọn lọc hàng loạt (chọn lọc hỗn hợp) các cây giao phấn hoặc tự thụ. Giống dòng: là giống được tạo bằng phương pháp chọn lọc cá thể ở các cây tự thụ phấn. Đây là giống thế hệ sinh sản từ một cây. Giống lai : giống tạo ra bằng cách lai giống và chọn lọc từ quần thể lai Giống dòng vô tính Giống đa bội Giống đột biến Giống du nhập: Là các giống được du nhập từ nước ngoài. Các giống này có năng suất cao, phẩm chất khá, thích hợp với điều kiện canh tác hiện đại. Nhưng khả năng thích ứng chưa rõ, vì thế cần phải qua quá trình khảo nghiệm, chọn lọc. Phân loại theo phương thức chọn tạo: Giống mới là những giống được tạo ra bằng phương pháp khoa học do các cơ quan chọn tạo giống của nhà nước hoặc tư nhân thực hiện. Đặc điểm: Thích hợp với điều kiện canh tác hiện nay Khá thích nghi với điều kiện địa phương Có năng suất cao, phẩm chất tốt nhưng tính di truyền chưa ổn định. Giống quần thể, giống dòng, giống lai, giống dòng vô tính, giống đa bội, giống đột biến, giống chuyển gen, …

Chọn giống trồng hay thực vật nói chung (plant breeding) lĩnh vực quan trọng sản xuất nơng nghiệp; mục đích tạo ngày nhiều giống trồng có suất cao, chất lượng tốt, chống chịu điều kiện bất thuận (như sâu bệnh, hạn, úng, nóng, rét ) Về thực chất, tiến hố thực vật người điều khiển, hình thành từ thực tiễn trồng trọt qua hàng ngàn năm kể từ người bắt đầu mò mẫm "thuần hố" trồng dựa theo kinh nghiệm Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt phát triển di truyền học suốt 100 năm nay, công tác chọn tạo giống trồng xây dựng tảng khoa học vững khơng ngừng hồn thiện Nhờ tạo hàng loạt giống trồng mới, giống ngũ cốc, góp phần xố đói giảm nghèo mang lại sống ấm no cải thiện sức khoẻ cho người I TỔNG QUAN VỀ GIỐNG CÂY TRỒNG Định nghĩa giống trồng Giống nhóm trồng, có đặc điểm kinh tế, sinh học tính trạng hình thái giống nhau, cho suất cao, chất lượng tốt vùng sinh thái khác điều kiện kỹ thuật phù hợp Giống (Varieties, Cultivar) nhóm thực vật hợp thành nên có nguồn gốc chung từ cá thể hay số cá thể có đặc tính, tính trạng giống Giống trồng quần thể thực vật có giá trị sử dụng tính trạng đặc điểm sinh lý, sinh trưởng phát dục, canh tác cá thể giống quần thể, đảm bảo tính đồng đều, tính ổn định giống Từ khái niệm đến định nghĩa giống trồng sau: Giống trồng quần thể trồng người sáng tạo nhằm thỏa mãn u cầu Nhóm trồng phải có tính di truyền biến dị định, phải có đặc trưng đặc tính sinh vật, hình thái, kinh tế định, có tính di truyền ổn định thực tiễn kiểm chứng có khả cho suất cao, phẩm chất tốt khu vực điều kiện canh tác định Theo Pháp lệnh giống trồng số 03/2004/ L-CTN ngày 04/04/2004 định nghĩa Giống trồng quần thể trồng đồng hình thái có giá trị kinh tế định, nhận biết biểu đặc tính kiểu gen quy định phân biệt với quần thể trồng khác thông qua biểu đặc tính di truyền cho đời sau Theo FAO giống phải hội đủ ba điều kiện: 1|Page - Đặc thù riêng biệt (Distinct) - Đồng về: Hình thái, sinh học, kinh tế (Homogenous) - Ổn định (Stable) * Từ khái niệm giống vậy, ta hình dung giống trồng (crop variety; cultivar) nhóm thực vật có đặc trưng sau: - Có nguồn gốc chung với tính trạng hay đặc điểm giống - Mang tính di truyền đồng (nghĩa có ổn định, phân ly) tính trạng hình thái số đặc tính nơng sinh học khác như: chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, khả chống chịu sâu bệnh v.v - Mang tính khu vực hoá, nghĩa tất đặc điểm hay tính trạng giống biểu điều kiện ngoại cảnh (như đất đai, khí hậu, biện pháp kỹ thuật sản xuất) định Từ xuất khái niệm giống chịu hạn, chịu mặn, chịu úng v.v - Do người tạo nhằm thoả mãn một vài nhu cầu thị hiếu định, như: suất cao, chất lượng tốt, giá trị thương phẩm cao * Khi đề cập đến khái niệm "giống", thông thường người ta muốn đề cập tới tính trạng đặc tính giống - Tính trạng (characters): Đó đặc điểm hình thái cấu tạo quan sát giống giúp ta phân biệt với giống khác loài Để nhận biết tính trạng vậy, thường người ta chia nhóm sau đây: + Các đặc điểm hình thái, như: chiều cao cây, chiều dài bông, số hạt bơng, số bơng khóm, kích thước v.v Nói chung tính trạng số lượng (quantitative characters), nghĩa "cân-đongđo-đếm" được; chúng thường nhiều gene kiểm soát chịu ảnh hưởng lớn điều kiện môi trường + Các đặc điểm cấu tạo, như: độ dày bơng, màu sắc hình dạng thân, lá, hoa Đây tính trạng chất lượng (qualitative characters), thường gene kiểm sốt, chịu tác động điều kiện ngoại cảnh quan sát mắt thường + Diễn biến trình sinh học, như: hô hấp, quang hợp, phản ứng quang chu kỳ v.v thường tỏ mẫn cảm với điều kiện sinh thái môi trường nhiệt độ, ánh sáng, độ dài ngày Tất yếu tố tác động trực tiếp gián tiếp lên hoạt động enzyme kiểm soát 2|Page q trình sinh học cụ thể, qua ảnh hưởng đến tính trạng chất lượng - Đặc tính (characteristics): Đó tính chất hay đặc điểm sinh lý, sinh hố đặc trưng có liên quan đến đặc tính chống chịu thực vật đặc điểm kỹ thuật canh tác Định nghĩa dòng Dòng tập hợp cá thể có quan hệ họ hàng thân tộc với Dòng tập hợp cá thể đồng hợp tử sinh từ hệ nối tiếp cá thể đồng hợp tử, giống hệt mặt di truyền hình thái (hình dạng, màu sắc ) Ví dụ: Ở thực vật, dòng tạo cách cho tự thụ phấn liên tiếp nhiều hệ quần thể Tính dị hợp giảm 1/2 sau hệ tự thụ Ở động vật hóa giống dễ dẫn đến tượng đồng huyết, làm giảm sức sống giống Tính trạng đặc điểm hình thái, cấu tạo thực vật Ví dụ: chiều cao cây, số là, số đốt, màu sắc hoa, quả, hạt … Đặc tính đặc điểm sinh lý, sinh hóa đặc điểm kỹ thuật thực vật Ví dụ: tính chịu phèn, mặn, chịu hạn … Vai trò giống trồng Giống tốt có tác dụng làm tăng suất Giống tốt thích hợp với giới hóa, giảm bớt nặng nhọc cho người lao động, tăng suất lao động Giống tốt tăng vụ, ln canh, bố trí trồng hợp lý nhằm sử dụng ruộng đất có hiệu Giống tốt tăng phẩm chất khơng ngừng Giống tốt tạo điều kiện phòng chống thiên tai, sâu bệnh có hiệu tốn Đặc điểm giống, tiêu chuẩn giống tốt Những đặc điểm giống: - Giống sản phẩm sáng tạo người lao động liên tục, lâu dài hình thành nhờ chọn lọc nhân tạo 3|Page - Giống có tính đồng di truyền, biểu thị ngồi tính trạng hình thái, nơng học, kinh tế… - Giống đơn vị phân loại thực vật tương đương với thứ, biến chủng Cây dại khơng có giống mà có dạng (Forma) - Giống có tính khu vực - Giống có tính thời gian - Tính tương đối biểu tính trạng Tiêu chuẩn giống tốt: - Năng suất cao ổn định - Phẩm chất tốt - Chống chịu tốt - Thời gian sinh trưởng phù hợp - Chất lượng hạt giống tốt - Sạch sâu bệnh - Phù hợp với phương thức canh tác vùng Phân loại giống Có cách phân loại giống trồng: + Phân loại theo nguồn gốc + Phân loại theo phương thức chọn tạo * Phân loại theo nguồn gốc Giống địa phương (Giống địa): Là giống trồng hình thành trình chọn lọc tự nhiên chọn lọc nhân tạo điều kiện tự nhiên địa phương tác dụng tự nhiên lâu dài biện pháp chọn lọc nhân tạo đơn giản Đặc điểm giống địa phươnglà thích nghi với điều kiện tự nhiên điều kiện sản xuất địa phương Cho nên khu vực phân bố suất hàng năm ổn định Các giống địa phương khơng có vị trí quan trọng sản xuất mà dùng làm vật liệu khởi đầu để tạo giống tốt Ví dụ: Giống xồi cát hòa lộc (Tiền Giang), giống nhãn xuồng cơm vàng (Bà Rịa – Vũng Tàu), giống bưởi da xanh (Bến Tre) 4|Page Giống nhân tạo: Do quan nghiên cứu tạo phương pháp chọn tạo khoa học Chúng có độ đồng cao tính trạng hình thái đặc tính sinh vật, kinh tế Tuỳ theo phương thức chọn tạo phân loại giống - Giống quần thể: thu cách chọn lọc hàng loạt (chọn lọc hỗn hợp) giao phấn tự thụ - Giống dòng: giống tạo phương pháp chọn lọc cá thể tự thụ phấn Đây giống hệ sinh sản từ - Giống lai : giống tạo cách lai giống chọn lọc từ quần thể lai - Giống dòng vơ tính - Giống đa bội - Giống đột biến Giống du nhập: Là giống du nhập từ nước ngồi Các giống có suất cao, phẩm chất khá, thích hợp với điều kiện canh tác đại Nhưng khả thích ứng chưa rõ, cần phải qua trình khảo nghiệm, chọn lọc * Phân loại theo phương thức chọn tạo: Giống giống tạo phương pháp khoa học quan chọn tạo giống nhà nước tư nhân thực Đặc điểm: - Thích hợp với điều kiện canh tác - Khá thích nghi với điều kiện địa phương - Có suất cao, phẩm chất tốt tính di truyền chưa ổn định Giống quần thể, giống dòng, giống lai, giống dòng vơ tính, giống đa bội, giống đột biến, giống chuyển gen, … II KHÁI NIỆM VỀ CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG Chọn tạo giống trồng (Plant breeding) theo tiếng la tinh “Selectio” có nghĩa “chọn lọc” hay “tuyển lựa”; môn khoa học, môn nghệ thuật thay đổi, cải thiện tính di truyền trồng Nghệ thuật dựa vào quan sát nhìn nhận khác biệt có giá trị kinh tế cá thể loài mắt nhà chọn giống, kiểu hình thước đo giá trị Ngày tính nghệ thuật giảm tính khoa học tăng nhà chọn giống lập quy hoạch cho chương trình chọn giống có hiệu thơng qua: di truyền, liệu khoa học, trình sinh lý thực vật… Nói cách khác chọn tạo giống trồng “chọn lọc” từ biến dị tự nhiên biến dị nhân tạo có quần thể để tạo giống 5|Page Quan hệ chọn giống khoa học - Quan hệ di truyền, chọn giống nhân giống + Di truyền học sở lý luận chọn giống nhân giống + Di truyền học đề sở phương pháp chọn giống + Chọn giống sở thực tiễn bổ sung, xây dựng lý luận di truyền - Chọn giống đại khoa học có tính tổng hợp, có liên quan đến thực vật học, di truyền học, sinh lý thực vật, nông học, sinh thái học, côn trùng học, bệnh cây, phôi học, mô học, tế bào học …) - Chọn giống trồng thúc đẩy tiến hoá giới tự nhiên Lược sử phát triển khoa học chọn giống trồng Lịch sử chọn giống trồng chia thành giai đoạn: + Chọn giống dân gian (nguyên thủy, cổ đại đến kỷ XVII) + Chọn giống có phương pháp kỷ XVIII, XIX + Chọn giống khoa học nửa đầu kỷ XX + Chọn giống đại (nửa cuối kỷ XX đến nay) 2.1 Chọn giống dân gian - Chọn giống dựa sở ngoại quan, cảm tính (cảm quan) - Nhiều dạng trồng, vật ni có đặc tính tốt giữ lại để làm giống 2.2 Chọn giống có phương pháp kỷ XVIII, XIX * Trước năm 60 kỷ XVIII việc chọn giống dựa sở phương pháp lai chọn lọc giản đơn - Thomas Fairchild (1717) nhận lai - Joseph Kolreuter (1760 đến 1766) lai giống thuốc - Knight (1759 – 1834) ngƣời đƣa giống hoa lai hữu tính - Le Conteur Shirief (1840) chọn lọc cá thể cốc * Học thuyết tiến hoá Ch Darwin (1859), học thuyết chọn lọc nhân tạo (1868) có tác động sâu sắc công tác chọn giống thời kỳ Những nhà chọn giống tiêu biểu giai đoạn này: 6|Page - Vilmorin (1856), ngƣời Pháp nâng cao hàm lƣợng đƣờng củ cải đƣờng, tạo hàng loạt giống lúa mì Dobanton (Pháp) chọn giống cừu lông mịn - Lochow (1901), ngƣời Đức chọn giống lúa mì Petcut suất cao, phổ biến rộng nhiều nước - I Nilsson (1901), ngƣời Thụy Điển với giống yến mạch, lúa mì mùa đơng - Mitsurin (Nga) tạo nhiều giống phẩm chất tốt, giữ lâu - Burbank (Mỹ) tạo giống khoai tây sớm, mận không hạt, xƣơng rồng giấy không gai - Van Mons (Bỉ) chọn nhiều giống lê - A T Bolotov (Nga) chọn nhiều giống táo 2.3 Chọn giống khoa học nửa đầu kỷ XX Những cơng trình nghiên cứu Mendel, Morgan, De Vries xây dựng sở cho chọn giống khoa học Thuyết dòng W.L.Johannsen (1903), thuyết biến dị tương đồng N.I.Vavilov (1920) tác động sâu sắc công tác chọn giống Những nhà chọn giống tiêu biểu giai đoạn này: - G Nilsson-Ehle (1909) với giống đại mạch, yến mạch - D L Rudzinski với giống lanh, lúa mì mùa thu - X.I.Zegalov (1881 – 1927) nhà bác học uyên bác chọn giống với sách gối đầu giƣờng cho vài hệ nhà chọn giống Liên Xô cũ “Kiến thức chọn giống nông nghiệp (1923, 1926, 1930) - P.P.Lukianenko: Các giống lúa mì mùa thu có suất cao 4,2 – 4,8 tấn/ha Bezocta 4, Chín sớm 3-b, Bezocta 2.4 Chọn giống đại (nửa cuối kỷ XX đến nay) Việc chọn giống dựa sở di truyền học đại - Khám phá chất liệu di truyền axid nucleic Avery, Macleod Carty (1944), dãy xoắn kép ADN Watson Crick (1953) (giải thƣởng Nobel 1962) - Gần năm (1985) K.B Mullis thử nghiệm thành công PCR (Polymerase Chain Reaction) Klenow Fragment vv… 7|Page - “Cuộc cách mạng xanh” mở đầu với giống lúa mì thấp cây, giống lúa thần nông IR5, IR8 thân lùn, chống đổ, suất cao vượt bậc - Từ 1983 đến ngƣời ta chuyển gen kháng sâu, kháng thuốc cỏ cho 20 loài như: bắp, lúa khoai tây, đậu nành, cà chua, cải dầu, đu đủ, bầu bí, hướng dương, chuối, cà phê, chè, nho, thuốc lá, trồng rừng, cỏ phủ đất vải Hiện nay, trồng biến đổi gen gieo trồng diện tích lớn nhiều quốc gia giới Mỹ, Trung Quốc III Cây trồng biến đổi gen Cây trồng biến đổi gen(Genetically Modified Crop -GMC)là loại trồng lai tạo cách sử dụng kỹ thuật công nghệ sinh học đại, hay gọi kỹ thuật di truyền, cơng nghệ gene hay công nghệ DNA tái tổ hợp, để chuyển gene chọn lọc để tạo trồng mang tính trạng mong muốn Về mặt chất, giống lai từ trước đến (hay gọi giống truyền thống) kết trình cải biến di truyền Điểm khác biệt giống lai truyền thống giống chuyển gen gen (DNA) chọn lọc cách xác dựa khoa học công nghệ đại chuyển vào giống trồng để đem lại tính trạng mong muốn cách có kiểm sốt 3.1 Tổng quan Cây trồng chuyển gen biến đổi vật chất di truyền, tiếp nhận thêm gen mới, kết xuất tính trạng tác động mơi trường Q trình biến đổi vật chất di truyền (thêm gen mới) nhờ vào công nghệ chuyển gen, so sánh trình với trình đột biến tự nhiên chất hai trình một, q trình tiến hóa sinh vật phải trơng chờ vào q trình biến đổi vật chất di truyền, đột biến đóng vai trò quan trọng Dưới tác động nhân tố gây đột biến, vật chất di truyền biến đổi theo hai hướng: thêm đoạn hay bớt đoạn Như vậy, trình thêm đoạn nhờ chuyển gen tương tự trình thêm đoạn ADN đột biến tự nhiên Tuy nhiên, hai q trình có nhiều điểm khác nhau: Nếu trình chọn lọc tự nhiên giữ lại biến dị có lợi cho trình tiến hóa lồi, kỹ thuật chuyển gen trồng giữ lại tính trạng định hướng trước, có lợi kinh tế, khơng đóng góp cho q trình tiến hóa lồi Đây điểm khác biệt đột biến tự nhiên "đột biến" nhờ kỹ thuật chuyển gen Sản phẩm đột biến tự nhiên tính trạng có lợi cho tiến hóa, sản phẩm q trình chuyển gen tính trạng có lợi cho người, ưu điểm bật cơng nghệ chuyển gen 8|Page Q trình hình thành tính trạng tự nhiên phải diễn hàng trăm năm, triệu năm, chí hàng tỷ năm, q trình hình thành tính trạng nhờ cơng nghệ chuyển gen diễn vài năm, nhờ tính ưu việt mà rút ngắn trình chọn tạo giống trồng mới, bổ sung tính trạng ưu việt mới, đáp ứng tốt mục tiêu chọn giống phục vụ sản xuất 3.2 Lịch sử Cây trồng chuyển đổi gen tạo lần vào năm 1982, việc sử dụng loại thuốc chống kháng sinh Những khu vực trồng thử nghiệm thuốc có khả chống thuốc diệt cỏ Pháp Hoa Kỳ vào năm 1986 Năm 1987, Plant Genetic Systems (Ghent, Bỉ), thành lập Marc Van Montagu and Jeff Schell, công ty phát triển trồng thiết kế gen di truyền (thuốc lá) có khả chống chịu côn trùng cách biểu gen mã hóa protein diệt trùng từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt).Trung Quốc quốc gia chấp thuận công nghiệp chuyển đổi gen với thuốc kháng vi rút giới thiệu lần đầu vào năm 1992, rút khỏi thị trường Trung Quốc vào năm 1997 Cây trồng biến đổi gen phê chuẩn bán Mỹ vào năm 1994 cà chua FlavrSavr, có thời gian bảo quản lâu loại cà chua thông thường Năm 1994, Liên minh châu Âu phê chuẩn thuốc có khả chống thuốc diệt cỏ bromoxynil Năm 1995, khoai tây Bt phê duyệt an tồn Cơ quan Bảo vệ mơi trường, trở thành nông sản kháng sâu phê duyệt Hoa Kỳ Các loại trồng chuyển đổi gen sau chấp thuận giao dịch Mỹ vào năm 1995: cải dầu với thành phần dầu chuyển đổi (Calgene), ngơ bắp có vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) (Ciba-Geigy), kháng thuốc diệt cỏ bromoxynil (Calgene), kháng côn trùng (Monsanto), đậu nành kháng thuốc diệt cỏ glyphosate (Monsanto), bí kháng vi rút (Asgrow), cà chua chín chậm (DNAP, Zeneca / Peto, Monsanto) Tính đến năm 1996 có tổng cộng 35 phê chuẩn cấp cho loại công nghiệp chuyển đổi gen loại hoa cẩm chướng, với điểm khác quốc gia cộng thêm EU 3.2 Một số phương pháp chuyển gen thực vật Có hai hình thức chuyển gen chủ yếu chuyển gen trực tiếp chuyển gen gián tiếp 3.2.1 Các phương pháp chuyển gen gián tiếp 9|Page 3.2.1.1 Chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium tumefaciens * Nguyên lý chung Sử dụng vi sinh vật đất Agrobacterium (là vi khuẩn Gram âm) để chuyển gen thực vật phương pháp hiệu phổ biến nhờ vào khả gắn gen ngoại lai vào hệ gen thực vật cách xác ổn định Sự chuyển gen thực vật dùng A tumefaciens dựa nguyên lý hình sau Hình1 Agrobacterium mang plasmid gây khối u thực vật (tumour inducing plasmid- Ti plasmid), plasmid chứa gen vir vùng gen cần chuyển (T-DNA) Gen quan tâm chèn vào vùng T-DNA Các tế bào tổn thương thực vật tiết hợp chất bảo vệ, hợp chất kích thích biểu gen vir Agrobacterium Vir protein tạo T-strand từ vùng T-DNA Tiplasmid Sau vi khuẩn gắn vào tế bào thực vật, T-strand số protein vir chuyển vào tế bào thực vật qua kênh vận chuyển Trong tế bào thực vật, protein vir tương tác với T-strand tạo phức hệ (T- complex) Phức hệ vào nhân tế bào thực vật, T-DNA chèn vào gen thực vật biểu gen quan tâm 10 | P a g e Lợi ích nguy trồng chuyển gen 4.1 Lợi ích Hiện nay, sản phẩm lương thực- thực phẩm cơng nghệ sinh học tạo có mặt thị trường Những trồng biến đổi gen giống trồng truyền thống chúng có thêm số đặc điểm cải thiện Chúng có lợi cho nơng dân mà cho người tiêu dùng Người nông dân gặt hái vụ mùa bội thu, người tiêu dùng quanh năm lại có nhiều loại sản phẩm để lựa chọn Ngồi ra, giống tạo cơng nghệ sinh học có tiềm bảo vệ mơi trường Trên thị trường nay, có số loại trồng công nghệ sinh học cải thiện tình trạng chất lượng như: - Có khả chống chịu bệnh - Cho phép giảm sử dụng thuốc trừ sâu - Tăng thành phần dinh dưỡng - Tăng thời gian bảo quản Nhìn chung, việc sử dụng giống trồng chuyển gen đem lại lợi nhuận đáng kể cho nước phát triển “Thế hệ đầu tiên” giống chứng minh khả tăng suất trồng, giảm giá thành sản phẩm, tăng lợi nhuận nông nghiệp góp phần bảo vệ mơi trường Hiện nay, nghiên cứu hướng đến trồng biến đổi gen “thế hệ thứ hai”, tập trung vào việc tăng chất lượng dinh dưỡng khả chế biến Các giống trồng khẳng định giá trị chúng quốc gia có hàng triệu người dân bị thiếu hụt thực phẩm Thực vật với khả tự bảo vệ chống lại côn trùng cỏ dại giúp giảm liều lượng nồng độ thuốc trừ sâu sử dụng Ví dụ: Trung Quốc Bt giảm thuốc diệt côn trùng 40 kg/ha Giảm sử dụng thuốc trừ sâu cải thiện đáng kể chất lượng nước vùng sử dụng thuốc Ví dụ: nước chảy qua cánh đồng bơng Bt Mỹ hồn tồn khơng nhiễm thuốc trừ sâu suốt năm nghiên cứu Bộ nông nghiệp Mỹ 17 | P a g e Thực vật kháng thuốc diệt cỏ làm cho việc sử dụng biện pháp không cày đất, yếu tố quan trọng việc bảo tồn đất đai trở nên phổ biến Ví dụ: người trồng cải dầu chuyển gen Canada phải cày cấy so với trồng cải dầu truyền thống Cây chuyển gen tăng đáng kể sản lượng thu hoạch, với diện tích đất canh tác thu nhiều lương thực Ví dụ: Mỹ, năm 1999, có 66 triệu ruộng ngơ tránh sâu đục thân 4.2 Nguy tiềm ẩn * Cây chuyển gen đánh an toàn môi trường? Các chuyển gen đánh giá cẩn thận ảnh hưởng tới môi trường trước đưa thị trường Chúng nhà chức trách đánh giá tuân theo quy tắc chuyên gia môi trường khắp giới đưa (Hội đồng nghiên cứu quốc gia Mỹ năm 1989; Tổ chức hợp tác phát triển kinh tế năm 1992; phủ Canada năm 1994) Những người đánh giá ảnh hưởng chuyển gen gồn người tạo chúng, quan kiểm soát nhà khoa học Hầu hết quốc gia sử dụng quy trình đánh giá tương tự để xét xem tương tác chuyển gen môi trường Bao gồm thông tin vau trò gen đưa vào, ảnh hưởng vây nhận gen, đồng thời hỏi cụ thể ảnh hưởng không mong muốn như: ảnh hưởng lên sinh vật sinh vật cần diệt mơi trường Cây chuyển gen có tồn mơi trường lâu bình thường xâm chiếm nơi cư ngụ khơng? Khả gen phát tán ngồi ý muốn từ chuyển gen sang loài khác hậu * Cây chuyển gen, rủi ro Khả xẩy lai chéo xa gen chuyển vào với cỏ họ hàng, khả tạo loại cỏ 18 | P a g e Lai chéo xa lai khơng mong muốn trồng với có quan hệ họ hàng Lo ngại ảnh hưởng chuyển gen môi trường khả tạo lồi cỏ thơng qua lai chéo xa với họ hàng hoang dại đơn giản tồn lâu tự nhiên Khả xảy ra, đánh giá trước q trình chuyển gen kiểm sốt sau đưa trồng Một nghiên cứu năm 1990 kéo dài 10 năm chứng minh thực vật chuyển gen (như cải dầu, khoai tây, ngô, củ cải đường) không làm tăng nguy xâm chiếm hay tồn lâu dài môi trường tự nhiên so với không chuyển gen tương ứng Các tính trạng chống chịu thuốc diệt cỏ, kháng trùng đồng thời điều tra so với không chuyển gen tương ứng (Crawley cộng sự, 2001) Tuy nhiên, nhà nghiên cứu phát biểu kết khơng có nghĩa thay đổi di truyền khơng thể làm gia tăng tính hoang dại hay khả phát tán trồng mà chúng trồng suất khó tồn lâu dài mà không canh tác Do đó, việc đánh giá chuyển gen theo trường hợp quy định quan trọng * Ảnh hưởng trực tiếp lên sinh vật sinh vật cần diệt Tháng năm 1999, xuất báo cáo hạt phấn từ ngô Bt có ảnh hưởng bất lợi ấu trùng bướm Monarch Báo cáo gây lo lắng nguy tiềm tàng bướm Monarch sinh vật khơng phải sinh vật cần diệt khác Một số nhà khoa học lại cho cần phải thận trọng việc giải thích kết nghiên cứu nghiên cứu phản ánh tình khác với thực trạng mơi trường Tác giả nghiên cứu tiến hành phòng thí nghiệm khởi đầu vấn đề quan trọng dựa vào khơng đủ sở để rút kết luận nguy quần thể bướm Monarch cánh đồng Một báo cáo Ủy ban bảo vệ môi trường Mỹ số liệu chứng minh protein trồng khơng có 19 | P a g e ảnh hưởng bất lợi sinh vật sinh vật cần diệt Thêm vào đó, nghiên cứu trường Đại học Linnois bướm Monarch không bị gây hại hạt phấn Bt điều kiện đồng ruộng thực * Phát triển tính kháng trùng Một lo ngại khác thực vật Bt phát triển tính kháng trùng Bt Chính phủ, Bộ ngành nhà khoa học đưa kế hoạch quản lý tính kháng trùng để giải vấn đề Những kế hoạch bao gồm quy định cánh đồng trồng chuyển gen kháng trùng phải có không chuyển gen để côn trùng phát triển mà không bị chọn lọc giống kháng sâu Những biện pháp quản lý tính kháng khác nhà khoa học khắp giới xây dựng Những thành tựu, triển vọng chủ yếu tạo giống trồng chuyển gen Công nghệ chuyển gen vào trồng khơng vấn đề phải tranh cãi mà trở thành kỹ thuật thơng dụng để tạo giống trồng mới, phục vụ trực tiếp cho trồng trọt Những mốc quan trọng phát triển kỹ thuật chuyển gen thực vật là: Năm 1980: Lần thực chuyển ADN ngoại lai vào nhờ Agrobacterium Năm 1983: Tạo marker chọn lọc thị màu sắc, thị kháng với kháng sinh Thiết kế lại plasmid Ti (loại bỏ gen gây khối u, cài gen mong muốn vào plasmid Ti) Năm 1984: Thực chuyển gen trực tiếp gián tiếp vào tế bào protoplast Năm 1985: Tạo giống trồng kháng virus, đưa chuyển gen đồng ruộng Năm 1987: Chuyển gen kháng sâu súng bắn gen Năm 1988: Tạo khoai tây chống nấm, cà chua chín chậm Năm 1990: Chuyển gen bất dục đực cho ngơ vào phơi ni cấy vơ tính Năm 1992: Chuyển gen cho lúa mì 20 | P a g e Năm 1994: Thương mại hóa cà chua chuyển gen Đây sản phẩm chuyển gen thương mại hóa Năm 1998: Tồn giới có 48 giống trồng chuyển gen thương mại hóa Năm 1999: Chuyển gen tạo giống lúa có giá trị dinh dưỡng hàm lượng vitamin A cao Từ năm 2000 đến nay, trồng chuyển gen không ngừng phát triển Năm 2000, tồn giới có 44,2 triệu trồng chuyển gen đến năm 2003 tăng lên 67,6 triệu Có nước trồng chuyển gen phổ biến là: Mỹ 42,8 triệu ha; Acgentina 13,9 triệu ha; Canada 4,4 triệu ha; Braxin triệu ha; Trung Quốc 2,8 triệu ha; Nam Phi 0,4 triệu Các chuyển gen đậu tương (chiếm 61%), ngơ (23%), bơng (11%), đu đủ (21%) Các gen chuyển gen kháng thuốc trừ cỏ, gen kháng sâu Các hướng tạo trồng chuyển gen 6.1 Chuyển gen kháng sâu Trong 30 năm gần đây, sản xuất nông nghiệp, người ta sử dụng thuốc trừ sâu vi sinh Bt vi khuẩn Bacillus thuringiensis tạo Vi khuẩn sản xuất protein kết tinh độc ấu trùng côn trùng khơng gây độc động vật có xương sống Tinh thể protein độc tố vi khuẩn vào côn trùng bị enzym protease phân giải thành đoạn peptit, có đoạn khối lượng khoảng 68.000 dalton chứa khoảng 1200 axit amin làm hỏng ruột trùng Các gen mã hóa độc tố nằm plasmid vi khuẩn, gọi chung Cry (crystal) Hình Chuyển gen kháng sâu bệnh 6.2 Chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ 21 | P a g e Thuốc diệt cỏ glyphosat thuốc có tác dụng diệt cỏ tốt, dễ tự phân hủy gây ô nhiễm môi trường Cơ chế diệt cỏ thuốc kìm hãm hoạt động enzym có tên enol pyruvat sikimat phosphat synthetase (EPSPS) Enzym EPSPS có chức chuyển hóa sản phẩm quang hợp thành axit mang mạch vòng có tên axit sikimic Axit sikimic khơng hình thành làm rối loạn tồn q trình trao đổi chất cỏ làm cỏ chết Cây trồng tạo có hàm lượng hoạt tính enzym EPSPS cao gấp lần so với trồng bình thường hồn toàn chống chịu với thuốc diệt cỏ glyphosat 6.3 Chuyển gen tạo kháng virus gây bệnh Có nhiều cách tạo kháng virus, chuyển gen mã hóa protein vỏ virus, chuyển gen tạo enzym phân giải virus (ví dụ enzym ribozyme), chuyển gen có trình tự đối (antisens) với ARN virus Các đối khóa lại chép phiên mã ARN virus Kỹ thuật chuyển gen mã hóa vỏ protein virus thường sử dụng phổ biến Virus có cấu tạo phần: phần lõi axit nucleic (ADN ARN) phần vỏ protein Khi có mặt gen mã hóa protein vỏ virus tế bào gây hiệu ứng kìm hãm tổng hợp protein vỏ gen tạo vỏ virus Do virus không nhân lên Nhiều loại trồng chuyển gen tạo vỏ nhiều loại virus nên kháng virus gây bệnh như: đu đủ kháng với virus gây bệnh đốm vòng; thuốc kháng với virus khảm dưa chuột; thuốc kháng với virus khảm alfa; khoai tây kháng với virus X, virus Y; khoai tây kháng với virus xoăn lá; cam, quýt kháng bệnh virus gây tàn lụi tristeza … Hình Cây thuốc chuyển gen kháng virus CMV đối chứng 22 | P a g e Hình Lá đu đủ chuyển gen kháng PRSV đối chứng (PRSV: Papaya ringspor virus, gây bệnh đốm vòng) 6.4 Chuyển gen tạo sản xuất protein động vật Các nhà khoa học tìm cách giải trình tự gen mã hóa cho protein động vật, thiết kế lại, sau chuyển gen vào thực vật, biến thực vật thành thể sản xuất protein động vật Ví dụ: gen tổng hợp lactoferrin protein có sữa người, chuyển vào khoai tây, lúa thu khoai tây, lúa có khả tổng hợp lactoferrin Một hướng quan trọng khác sản xuất “thực phẩm chức năng” Điều có nghĩa cần chuyển nhiêu gen tổng hợp protein có tác dụng kháng nguyên vào đối tượng trồng rau, đậu, ăn Do tạo vacxin Nhờ ăn rau, đậu, hoa, trồng chuyển gen tạo vacxin để thay cho việc tiêm vacxin phòng bệnh Hình Thực phẩm chức 6.5 Chuyển gen thay đổi hàm lượng chất lượng chất dinh dưỡng 23 | P a g e Đã nghiên cứu chuyển gen mã hóa cho protein chứa nhiều methionin vào đậu tương ngô, kết làm tăng loại protein giàu methionin lên 8% tổng số protein có hạt Người ta chuyển thành cơng gen mã hóa cho việc tổng hợp chất thaumatin (chất có độ gấp hàng nghìn lần so với đường mía) vào khoai tây Kết tồn thân, lá, rễ củ khoai tây Hình Hạt gạo vàng Người ta chuyển nhóm gen mã hóa cho enzym chuyển hóa pyrophosphat thành β- caroten Gạo có hàm lượng β- caroten giải vấn đề thiếu vitamin A cho người 6.6 Chuyển gen tạo giống hoa có nhiều màu sắc Hình 10 Đa dạng màu hoa Màu sắc hoa, đặc biệt hoa có màu xanh, nhung đen có giá trị Trong mô cánh hoa, tế bào biểu bì thường chứa sắc tố tạo màu sắc hoa Có nhóm anthocyanin phát dẫn xuất chất pelargonidin, cyanidin delphinidin 24 | P a g e Các sắc tố dẫn xuất pelargonidin thường có màu da cam, hồng đỏ; cyanidin có màu đỏ màu hoa cà; delphinidin có màu tía, màu xanh màu xanh đen Sự phối hợp nhóm anthocyanin tạo phổ màu sắc hoa rộng Trên sở biết gen mã hóa cho enzym tham gia vào biến đổi sắc tố, người ta chuyển gen mã hóa, gen ức chế hoạt động enzym nhằm điều khiển hướng chuyển hóa sắc tố, từ tạo hoa có màu sắc khác Quy trình tạo hoa hồng xanh kỹ thuật RNA interference (RNAi) Hội nghị hoa hồng giới 2006 tổ chức thành phố Osaka từ ngày 11- 17/5/2006 Trong hội nghị ban tổ chức đưa triển lãm nhiều giống hoa hồng đẹp ấn tượng Tuy nhiên trội hội nghị lần hoa hồng xanh tạo kỹ thuật RNAi hợp tác nhà khoa học hai công ty Florigene Suntory trợ giúp mặt kỹ thuật Viện Khoa Học Kỹ Thuật Úc Châu (CSIRO) Hoa hồng xanh coi chén thánh (Holy Grail) nhà lai tạo hoa hồng kể từ năm 1840 Khi hiệp hội làm vườn Anh Bỉ treo giải thưởng 500.000 francs cho người tạo hoa hồng màu xanh Các nhà di truyền học phân tử công ty Florigene Suntory đoạt giải thưởng này, giải thưởng làm nhụt chí nhà lai tạo hoa hồng truyền thống cách kết hợp yếu tố cũ, yếu tố mới, yếu tố vay mượn cuối yếu tố tạo màu xanh Yếu tố tạo màu xanh hoa hồng gen delphinidin mà nhà di truyền cơng ty Florigene clone từ lồi hoa păng-xê để tổng hợp trực tiếp màu xanh hoa hồng Yếu tố vay mượn gen iris nhằm tạo enzyme DFR (the dihydroflavonol reductase), enzyme hồn thành chu trình phản ứng tổng hợp delphinidin hoa hồng Yếu tố gen nhân tạo Gen tạo nhóm nhà di truyền học công ty Suntory kỹ thuật RNA interference, viết tắt RNAi Kỹ thuật tư vấn viện CSIRO nhằm mục đích tắt hoạt động gen hình thành màu đỏ hoa hồng Chính gen đánh bại nỗ lực nhóm nghiên cứu Florigene nhằm làm hoạt hóa chu trình delphinidin hoa hồng gần thập kỷ Vì vậy, nhà khoa học Suntory tạo gen “câm lặng” để vượt qua khó khăn kỹ thuật RNAi Trong trồng có loại phân tử gọi anthocyanin coi sắc tố chủ đạo hoa, trái mô tế bào khác Thông thường, màu 25 | P a g e hoa bắt nguồn từ anthocyanin với có mặt chất carotenoid màu vàng Ngồi ra, anthocyanin dihydrokaempferol (DHK) lại enzyme chi phối cho chu trình hình thành sắc tố trồng bao gồm: cyanidin, pelargonidin delphinidin Gen cyanidin mã hóa enzyme làm thay đổi enzyme DHK nhằm hình thành chu trình cyanidin dẫn đến biểu màu đỏ, hồng hay màu tím hoa cà Trong gen delphinidin không diện hoa hồng mã hóa enzyme tương đồng cho việc thay đổi enzyme DHK nhằm hình thành tổng hợp màu theo chu trình delphinidin Một loại enzyme khác có tên gọi dihydroflavinol reductase (DFR) hỗ trợ màu thị ba chu trình Enzyme quan trọng khơng có khơng thể tạo màu cánh hoa Chính mà đột biến gen DFR cho hoa có màu trắng Trong hoa hồng khơng có gen delphinidin để hình thành màu theo chu trình Chu trình delphinidin hình thành màu đỏ xanh hoa tác động DRF pH Để tạo hồng màu xanh, nhà nghiên cứu Florigene cần loại hồng trắng gene DFR bị bất hoạt Vào năm 2001, TS.Waterhouse thảo luận việc sử dụng kỹ thuật RNAi nhằm ức chế gen mong muốn để sau thay gen khác Do đó, nhà khoa học công ty Florigene nhận lợi ích việc dùng kỹ thuật RNAi nhằm ức chế hoạt động gen DFR hoa hồng đỏ dẫn đến ức chế chu trình cyanidin sau chuyển gen delphinidin với gen DFR hồn tồn nhằm hồn chỉnh chu trình tổng hợp delphinidin hoa hồng Cùng lúc nhà nghiên cứu cơng ty Suntory, Nhật Bản có ý tưởng cách dùng kỹ thuật RNAi để ức chế gen DFR sau họ tạo dòng (clone) gen delphinidin từ loài hoa păng-xê (pansy) gen DFR từ hoa iris Các gen DFR hoa hồng iris tương tự chia sẻ nhiều đoạn mã DNA, kỹ thuật RNAi tinh tế ức chế gen DFR hoa hồng mà không ảnh hưởng đến gen DFR hoa iris việc tạo cấu trúc ức chế gen có tác dụng tạo phân tử dsRNA kẹp tóc (hairpin dsRNA) với trình tự tương đồng với gen DFR hoa hồng Vì để tạo hồng xanh, nhà khoa học Suntory áp dụng gen Một gen nhân tạo dùng cho kỹ thuật RNAi nhằm ức chế gen DFR hoa hồng làm cho hoa hồng khơng biểu màu Sau chuyển gen delphinidin từ loài hoa păng-xê gen DFR từ loài hoa iris tạo hoa hồng có hàm lượng delphinidin cao cánh hoa Tuy nhiên, phải lưu ý yếu tố ảnh hưởng đến màu xanh cánh hoa độ pH tế bào lý lồi hoa có chu 26 | P a g e trình anthocyanin lại có màu khác Khi nồng độ pH tế bào mang tính kiềm sắc tố anthocyanin thường trở nên xanh pH đất không ảnh hưởng hay ảnh hưởng đến pH tế bào cánh hoa Nồng độ pH tế bào cánh hoa thường mang tính di truyền Cánh hoa hồng thơng thường có nồng độ pH khoảng 4,5 Chính vậy, để tạo cánh hoa hồng có nồng độ pH thấp hạn chế Vì vậy, nhà khoa học nghĩ đến kỹ thuật ức chế gen kỹ thuật RNAi nhằm xác định gen ảnh hưởng đến tính axít cánh hoa hay điều chỉnh màu cánh hoa theo hướng khác Hình 11 Quy trình hình thành bơng hồng xanh với hỗ trợ kỹ thuật RNAi Nguồn hình từ CSIRO (http://www.csiro.au/files/files/p29z.pdf) Hình 12 Hoa hồng xanh (blue rose) Bông hồng xanh sản phẩm tạo từ việc ứng dụng kỹ thuật RNAi Đây hàng loạt ứng dụng RNAi nghiên cứu y sinh công cụ hữu ích cho việc tìm hiểu khám phá chức bí ẩn gen thời đại nghiên cứu hậu genome (postgenomic era) 27 | P a g e Công nghệ tạo trồng chuyển gen ngày phát triển tạo hàng trăm giống trồng chuyển gen khác mang nhiều đặc tính quý Tuy nhiên vấn đề trồng chuyển gen (GMOs- Genetically Modified Organisms) vấn đề tranh cãi, chí gặp phải phản đối gay gắt từ nhiều nhà khoa học Sản phẩm chuyển gen bị nhiều người tiêu dùng lo ngại Các sản phẩm chuyển gen phải dán nhãn để người tiêu dùng lựa chọn Nhiều nước chưa cho phép nhập sản phẩm chuyển gen trồng chuyển gen Các phương pháp nhận biết GMOs cấu trúc phân tử GMOs Việc nhận biết GMOs cần thiết nhiều ứng dụng để đánh giá mức độ hạt giống hay việc bắt buộc dán nhãn thực phẩm số quốc gia Vì nhiều kỹ thuật phân tích phát triển để đáp ứng nhu cầu Việc phát GMOs dẫn xuất thực nhờ nhận biết phân tử (ADN, ARN protein) mà phân tử có nguồn gốc từ gen chèn (hoặc gen biến đổi) Có ba phương pháp để xác định GMOs là: phương pháp khuyếch đại dựa sở nucleotit; phương pháp dựa cở sở protein; phương pháp dựa sở phát hoạt tính enzym * Phương pháp khuếch đại dựa sở nucleotit: bao gồm kỹ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction), phản ứng LCP (Ligase Chain Reaction), khuếch đại dựa trình tự axit nucleic (NASBA), kỹ thuật dấu vân tay (RFLP, AFLP, RAPD…), lai mẫu dò, chép trình tự trì liên tục (3SR) khuếch đại enzym chép Q * Phương pháp dựa sở protein: bao gồm điện di gel SDS chiều, điện di gel SDS hai chiều, phân tích Western blot kỹ thuật ELISA (Enyme linked immunosorbent assays) * Phương pháp dựa sở phát hoạt tính enzym: phương pháp khơng thích hợp với thực phẩm qua chế biến lúc protein bị biến tính Cho đến phương pháp phát triển để phát GMOs dẫn xuất GMOs chủ yếu dựa việc phát ADN, vài phương pháp phát triển để phát protein ARN Điều có nhiều lý do, ADN làm nhân lên hàng triệu thời gian ngắn nhờ kỹ thuật PCR Việc phân tích ARN protein trình phức tạp thời gian lâu ADN phân tử bền vững, ARN lại khơng ổn định Tính bền vững protein lại khác nhau, phụ thuộc vào loại protein Thường có mối tương quan số lượng 28 | P a g e GMOs ADN ADN biến đổi di truyền nhân, mối tương quan khơng xảy ADN ADN ngồi nhân (trong sinh vật nhân chuẩn, thể nhiễm sắc nhiễm sắc thể sinh vật nhân sơ) Trong lại khơng có nhiều mối tương quan số lượng GMOs protein ARN Cuối thân thể bị biến đổi di truyền bị tác động mức ADN Hiện nay, tất GMOs thương mại hoá thể bị biến đổi ADN nhân Tuy có nhiều kỹ thuật khác kỹ thuật lại có tính đặc hiệu mặt hạn chế riêng Phương pháp dựa sở protein Phương pháp nhờ vào liên kết đặc hiệu protein kháng thể Kháng thể tác nhân bảo vệ thể chống lại xâm nhập vi khuẩn virus Khi kháng thể nhận phân tử lạ liên kết với phân tử này, phân tích phát GMOs phức tạp mối liên kết nhận biết nhờ phản ứng hình thành sắc tố Đây kỹ thuật ELISA, kháng thể cần thiết để nhận biết protein khơng sinh không nhận protein Protein phải làm từ thân GMOs tổng hợp thư viện thành phần axit amin protein biết rõ Kỹ thuật phát protein đặc hiệu sử dụng ELISA thích hợp với việc phân tích ngun liệu thơ Phương pháp khuyếch đại dựa sở nucleotit + Phương pháp dựa sở ARN: phương pháp nhờ vào liên kết đặc hiệu phân tử ARN phân tử ADN ARN tổng hợp gọi đoạn mồi (primer) Primer phải bổ sung với trình tự nucleotit điểm khởi đầu phân tử ARN Kết phân tử tách đôi tương tự ADN Thường liên kết ARN primer dẫn đến chuyển hóa phân tử ARN thành phân tử ADN thơng qua q trình chép ngược Cuối cùng, ADN nhân lên nhờ PCR Hoặc ARN phiên mã thành hàng trăm copy phân tử ARN gốc q trình lặp lại nhờ sử dụng phân tử ARN copy mẫu chuẩn kỹ thuật NASBA (Nucleic acid sequencebased amplification) + Phương pháp dựa sở AND: chủ yếu nhờ vào nhân đôi ADN đặc hiệu với kỹ thuật PCR Kỹ thuật dùng để xác định sản phẩm GM, với đoạn mồi (primer) thiết kế dựa trình tự điều tiết gen cấu trúc đoạn gen chuyển Các đoạn primer thiết kế có vài đặc điểm đặc biệt sử dụng để sàng lọc sản phẩm phát sản phẩm đặc hiệu Hai mạch ADN tổng hợp có vai trò quan trọng chuỗi phản 29 | P a g e ứng trùng hợp này, mạch ADN bổ sung với mạch cặp mồi Primer thứ cặp đơi mã hố cho chuỗi ADN nhân đơi, primer thứ bắt cặp với mạch ADN lại khơng mã hoá chuỗi ADN Trong phản ứng PCR, giai đoạn chu kỳ: phân tử ADN tách đôi Giai đoạn 2, diễn bắt cặp đoạn primer với chuỗi ADN bổ sung chúng Giai đoạn tạo thành hoàn hảo chuỗi ADN gốc nhờ bổ sung nucleotit thích hợp để kết thúc đoạn primer Khi chu trình hồn thành ta lặp lại chu trình này, chu kỳ kết thúc số lượng lại tăng lên gấp đôi, kết sản phẩm khuếch đại nhanh Sau 20 chu kỳ, số lượng tăng gấp triệu lần Tuy nhiên, chu kỳ định số lượng sản phẩm khuếch đại bị ức chế, không tăng lên Kỹ thuật PCR khơng thích hợp để phát thực phẩm qua chế biến mức độ cao đoạn ADN thực phẩm bị đứt thành mảnh nhỏ Tuy nhiên, PCR kỹ thuật phổ biến sử dụng rộng rãi, phương pháp nhạy có tính đặc hiệu cao, phát axit nucleic khối lượng nhỏ Kỹ thuật PCR không sử dụng để xác định sản phẩm GM mà sử dụng vào mục đích định lượng, định tính Vì mà có quantitative- PCR, multiplex- PCR, realtime PCR, qualitative- PCR… Để tuân theo ngưỡng dán nhãn GMOs có thành phần thực phẩm, real- time PCR, quantitative competitive PCR (QC- PCR) ứng dụng nhiều phòng thí nghiệm để kiểm sốt thức sản phẩm thực phẩm Khi đưa gen chèn vào thể thực vật gen thường chứa trình tự điều khiển chứa gen đặc hiệu (gen quy định tính trạng mong muốn) Hiện nay, hầu hết thực vật chuyển gen có chứa trình tự khởi động promoter 35S CaMV (small subunits of cauliflower mosuic virus) virus khảm súp lơ đoạn kết thúc terminator NOS (Nopalin synthase) plasmid vi khuẩn Agrobacterium, trình tự mã hố gen chuyển Chính mà sử dụng PCR để xác định xem có phải GMOs hay khơng, thường sử dụng cặp primer 35S primers NOS primers đặc hiệu cho gen chuyển, primer tổng hợp phần hay tồn trình tự gen 30 | P a g e 31 | P a g e ... truyền (thu c lá) có khả chống chịu trùng cách biểu gen mã hóa protein diệt trùng từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt).Trung Quốc quốc gia chấp thu n công nghiệp chuyển đổi gen với thu c kháng... liều lượng nồng độ thu c trừ sâu sử dụng Ví dụ: Trung Quốc bơng Bt giảm thu c diệt côn trùng 40 kg/ha Giảm sử dụng thu c trừ sâu cải thiện đáng kể chất lượng nước vùng sử dụng thu c Ví dụ: nước... sâu bệnh 6.2 Chuyển gen kháng thu c diệt cỏ 21 | P a g e Thu c diệt cỏ glyphosat thu c có tác dụng diệt cỏ tốt, dễ tự phân hủy gây nhiễm mơi trường Cơ chế diệt cỏ thu c kìm hãm hoạt động enzym