Nhập môn công nghệ sinh học phần II các ứng dụng của công nghệ sinh học

Đây là lĩnh vực công nghệ sinh học có nhiều đóng góp quan trọng. Các sản phẩm công nghệ sinh học mới trong nông nghiệp chứa đựng triển vọng hứa hẹn đối với người tiêu dùng và nông dân. Hiện nay, các ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp đang tập trung vào các hướng: chọn lọc và biến đổi di truyền cây trồng để có được các đặc điểm mong muốn (năng suất cao, phẩm chất tốt, thích nghi với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi...), nuôi cấy mô và tế bào thực vật để nhân nhanh giống cây trồng, sản xuất các kháng thể đơn dòng để phục vụ chẩn đoán các bệnh thực vật và động vật

Nhập môn Công nghệ sinh học 237 Phần II Các ứng dụng của Công nghệ sinh học Nhập môn Công nghệ sinh học 238 Chương 7 Các ứng dụng trong nông nghiệp I. Mở đầu Đây là lĩnh vực công nghệ sinh học có nhiều đóng góp quan trọng. Các sản phẩm công nghệ sinh học mới trong nông nghiệp chứa đựng triển vọng hứa hẹn đối với người tiêu dùng và nông dân. Hiện nay, các ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp đang tập trung vào các hướng: chọn lọc và biến đổi di truyền cây trồng để có được các đặc điểm mong muốn (năng suất cao, phẩm chất tốt, thích nghi với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi .), nuôi cấy mô và tế bào thực vật để nhân nhanh giống cây trồng, sản xuất các kháng thể đơn dòng để phục vụ chẩn đoán các bệnh thực vật và động vật, thụ tinh trong ống nghiệm và cấy chuyển phôi ở vật nuôi, cải thiện năng suất và chất lượng của động vật, nuôi trồng thủy sản, chế biến thực phẩm . Nhìn chung, trong những năm qua công nghệ sinh học đã có những tác động rất tích cực trong sản xuất nông nghiệp, tạo ra một cuộc cách mạng sâu sắc trong lĩnh vực giống cây trồng, vật nuôi và chế biến thực phẩm. Nhiều kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong sản xuất và đem lại những giá trị kinh tế lớn lao. Chẳng hạn, nhiều giống cây trồng mang gen kháng sâu, kháng bệnh, kháng chất diệt cỏ… đã được đưa ra thị trường như bông, ngô, khoai tây, lúa mạch, lúa nước, cà chua, củ cải đường . Nhiều loại vật nuôi đã được thụ tinh trong ống nghiệm và cấy chuyền phôi, sử dụng hormone sinh trưởng để tăng nhanh sức lớn và sản lượng sữa ở trâu, bò, kể cả sản lượng thực phẩm và các chất phụ gia sinh học . II. Cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng Hướng nghiên cứu được tập trung nhiều nhất để cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng là nuôi cấy mô và tế bào thực vật (plant cell and tissue culture). Đây là kỹ thuật nuôi cấy vô trùng in vitro các bộ phận tách rời khác nhau của thực vật. Ngoài mục đích nhân giống và cải thiện di Nhập môn Công nghệ sinh học 239 truyền giống cây trồng, nuôi cấy mô và tế bào thực vật còn đóng góp vào việc sản xuất sinh khối các sản phẩm hóa sinh, bệnh học thực vật, duy trì và bảo quản các nguồn gen quý hiếm… Các hoạt động này được bao hàm trong thuật ngữ công nghệ sinh học nông nghiệp (biotechnology in agriculture). Lĩnh vực nhân giống và cải thiện giống cây trồng có bốn hướng chính: - Nhân giống trong ống nghiệm (nhân giống vô tính in vitro) bằng kỹ thuật nuôi cấy tế bào, mô và cơ quan của thực vật. Với kỹ thuật này trong một thời gian rất ngắn có thể sản xuất một lượng lớn cây con giống hệt nhau và giữ nguyên kiểu di truyền của cây mẹ ban đầu. - Sản xuất cây đơn bội (1n) bằng cách nuôi cấy bao phấn hoặc hạt phấn cho phép tạo ra các dòng thuần (đồng hợp tử) để phục tráng giống cây trồng bị thoái hóa sau một thời gian dài canh tác. Hoặc tìm kiếm các tính trạng lặn dị hợp tử ưu việt thu được trong quá trình chọn giống. - Lai vô tính (somatic hybridization) hay còn gọi là dung hợp tế bào trần (protoplast fusion) giữa các loài xa nhau về quan hệ họ hàng mà trong thực tế không thể tiến hành bằng phương pháp lai hữu tính, nhờ đó mở ra khả năng tạo ra những giống cây hoàn toàn mới. - Ứng dụng kỹ thuật chọn dòng tế bào biến dị soma (somaclonal variation) trong nuôi cấy in vitro để tạo ra các giống mới chống chịu các bệnh vi khuẩn, virus và vi nấm, chịu được các điều kiện canh tác khắc nghiệt như hạn hán, ngập mặn, nóng và lạnh . 1. Nhân giống vô tính in vitro Nhân giống in vitro là kỹ thuật nhân giống cây trồng bằng cách sử dụng nhiều bộ phận khác nhau của thực vật, có kích thước nhỏ và sinh trưởng ở điều kiện vô trùng trong ống nghiệm hoặc trong các loại bình nuôi cấy khác chứa môi trường dinh dưỡng nhân tạo. Trên quan điểm ứng dụng, kỹ thuật nhân giống in vitro được ứng dụng nhằm phục vụ các mục đích sau: - Duy trì và nhân nhanh các kiểu gen quý hiếm làm vật liệu cho công tác tạo giống. - Nhân nhanh với hiệu quả kinh tế cao các loài hoa và cây cảnh không trồng bằng hạt. - Nhân nhanh và duy trì các cá thể đầu dòng tốt để cung cấp hạt giống các loài rau, cây cảnh và các cây trồng khác. Nhập môn Công nghệ sinh học 240 - Nhân nhanh và kinh tế các kiểu gen quý của giống cây lấy gỗ trong lâm nghiệp và gốc ghép trong nghề trồng cây ăn quả, cây cảnh. - Nhân nhanh ở điều kiện vô trùng, cách ly tái nhiễm kết hợp với làm sạch bệnh virus. - Bảo quản các tập đoàn giống nhân giống vô tính và các loài cây giao phấn trong ngân hàng gen. 2. Sản xuất cây đơn bội in vitro > , . in vitro . : - . - . - (dòng thuần). Một số phương pháp được sử dụng để tạo thể đơn bội như sau: in vivo in vivo Nhập môn Công nghệ sinh học 241 : s . Nhìn chung, các kỹ thuật này cho hiệu suất tạo cây 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 được hiện tượng bất thụ thường xảy ra khi lai khác loài (lai xa) để mở rộng nguồn gen, tạo ra các giống cây trồng mới mang các đặc tính di truyền ưu việt. [Lycopersicum esculentum 258. Nhập môn Công nghệ sinh học 242 Hình 7.1. Dung hợp protoplast. A: các protoplast. B: hai protoplast dung hợp trong một cặp. C: các protoplast có thể dung hợp trong thể 3 (bên phải ảnh) hoặc nhiều hơn, có khi tới 6 protoplast. 3.1. Dung hợp protoplast bằng hóa chất Phương pháp này dùng NaNO 3 hoặc polyethylene glycol (PEG) để kích thích sự dung hợp của hai protoplast. 3.2. protoplast (electrofusion) - trong n - A B C Nhập môn Công nghệ sinh học 243 - . 4. Chọn dòng biến dị soma in vitro : - - - . - - (overproduction) . - (genetic markers) . Hình 7.2. Sơ đồ c Helminthosporium maydis ở ngô Chọn lọc trên môi trường chứa độc tố của nấm bệnh rỉ sắt (Helminthosporium maydis) Giống ngô bất dục đực Nuôi cấy callus Dòng callus kháng H. maydis Tái sinh cây Kiểm tra tính kháng H. maydis Nhập môn Công nghệ sinh học 244 in vitro ) , khoai tây). - - ). Tuy nhiên, t . 5. Chuyển gen vào cây trồng . hơn protoplast. Nhập môn Công nghệ sinh học 245 Stt Loài Phương pháp chuyển gen Thử nghiệm trên đồng ruộng 1 Chuối Bắn gen/Agrobacterium - 2 Lúa mạch Bắn gen Kháng vi rus 3 Đậu tây Bắn gen - 4 Canola Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ, điều khiển sự thụ phấn 5 Sắn Bắn gen/Agrobacterium - 6 Ngô Bắn gen/Agrobacterium Kháng côn trùng, chống chịu chất diệt cỏ 7 Bông Bắn gen/Agrobacterium Kháng côn trùng, chống chịu chất diệt cỏ 8 Đu đủ Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus 9 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 Quả chín muộn, kháng virus 19 Lúa mì Bắn gen - Nhập môn Công nghệ sinh học 246 Hình 7.3. Một số cây trồng chuyển gen. A: ngô kháng côn trùng. B: lúa mạch kháng virus. C: cà chua cho quả chín muộn . D: khoai tây chống chịu chất diệt cỏ. ). Agrobacterium . A B C D . Nhập môn Công nghệ sinh học 237 Phần II Các ứng dụng của Công nghệ sinh học Nhập môn Công nghệ sinh học 238 Chương 7 Các ứng dụng trong nông. trong công nghiệp thực phẩm các nghiên cứu công nghệ sinh học được sử dụng chủ yếu để hoàn thiện các quy trình công nghệ lên Nhập môn Công nghệ sinh học