Tài liệu Nhập môn Công nghệ sinh học - Phần II: Các ứng dụng của Công nghệ sinh học pptx

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 [...]... trong kho lạnh ở 0-1 0oC 3.2 Sản xuất rượu vang 3.2.1 Trong - (nho có ) Nhập môn Công nghệ sinh học 259 - ) - : (1) S ,q ,n (2) S 2 O2 : 2 - (đ dâu da , + + 1 Nhập môn Công nghệ sinh học 260 6 5-7 0o - : + men thường được sử dụng: Sac ellipsoideus, Sac cerevisiae, Sac oviformis… + - : + + 2 0-3 0o + n O2 Có ba giai đoạn: Sau giai đoạn một, t Nhập môn Công nghệ sinh học 261 - 3.3 Sản xuất... từ các sản phẩm truyền thống có nguồn gốc xa xưa như men bánh mì, phomát, sữa chua, rượu vang, rượu cất, đến những sản phẩm mới xuất hiện như protein nấm (mycoprotein) Trước đây, 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 252 men truyền thống Còn hiện nay, các nghiên cứu công nghệ sinh học. .. hiệu suất tạo nước quả cũng như chất lượng của nó Tài liệu tham khảo/đọc thêm 1 Đái Duy Ban và Lê Thanh Hòa 1996 Công nghệ sinh học đối với vật nuôi và cây trồng NXB Nông nghiệp, Hà Nội Nhập môn Công nghệ sinh học 268 2 Trần Thị Thanh 2003 Công nghệ vi sinh NXB Giáo dục, Hà Nội 3 Nguyễn Văn Uyển và Nguyễn Tiến Thắng 1999 Những kiến thức cơ bản về công nghệ sinh học NXB Giáo dục, Hà Nội 4 Chrispeels MJ... giàu protein Bao gồm các sản phẩm khác nhau giàu protein như phomát, đậu phụ, nước mắm và các hình thức bảo quản thực phẩm nhờ lên men acid như trong sản xuất các loại giò chả, xúc xích, cá ướp, cá mắm Tuy nhiên, cho đến nay các ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại trong vấn đề này nói chung không đáng kể trừ ngành sản xuất phomát Ngược lại các ứng dụng của công nghệ sinh học lại thể hiện rất... yếu liên quan đến việc tạo ra các chủng mới có năng suất sinh học cao và việc áp dụng chúng vào các công nghệ lên men hiện đại Theo đánh giá chung, hiện nay mới chỉ khoảng 15% thực phẩm trên thế giới được sản xuất bằng các quy trình công nghệ sinh học Do vậy, ảnh hưởng của công nghệ sinh học hiện đại trong lĩnh vực này thực sự chưa rõ nét Nguyên nhân có thể là do ngành công nghiệp chế biến thực phẩm... Agrobacterium c Agrobacterium Agrobacterium gus Nhập môn Công nghệ sinh học 247 - - (Southern b Phaseolus Agrobacterium gusA, bar gus gus 5.6 Cây bông Agrobacterium tumefaciens soma Nhập môn Công nghệ sinh học 248 5.7 Cố định đạm Quá trình cố định đạm diễn ra ở rễ của các loài cây họ đậu nhờ một số loài vi khuẩn cộng sinh có khả năng hấp thụ nitrogen của không khí và tạo ra chất đạm cho cây Vi khuẩn... thuộc nhiều loại vi sinh vật khác nhau bao gồm cả vi khuấn, nấm men, nấm sợi và tảo Sinh khối tế bào vi sinh vật luôn có hàm lượng protein cao Do vậy, trong những năm gần đây lĩnh vực công nghệ sinh học rất chú ý nghiên cứu công nghệ sản xuất và khả năng ứng dụng của protein vi sinh vật Quá trình sản xuất SCP gắn liền với công nghệ lên men, do vậy năng suất tạo protein của nó rất cao (3 0-8 0% khối lượng... 2 Tạo chế phẩm phòng tránh bệnh cho động vật Công nghệ sinh học trong những năm gần đây đã có những đóng góp không nhỏ, chủ yếu là tạo ra các vaccine thế hệ mới nhờ áp dụng công nghệ Nhập môn Công nghệ sinh học 250 DNA tái tổ hợp, chẳng hạn như vaccine phòng bệnh lỡ mồm long móng (Foot and Mouth Disease Virus-FMDV), bệnh Theileriosis (bệnh sốt bờ biển đông-East Coast Fever) ở gia súc, bệnh sốt lợn Châu... người ta đã chứng minh được rằng hormone được sản xuất bằng kỹ thuật trên cho phép tăng khả năng sinh trưởng của gà lên khoảng 15% IV Chế biến thực phẩm Đây là lĩnh vực công nghệ sản xuất thực phẩm từ nông sản có sự tham gia của vi sinh vật, cũng như sự đóng góp của công nghệ sinh học hiện đại trong việc nâng cao hiệu suất của các quy trình sản xuất nói trên Thực phẩm được tạo ra bởi vi sinh vật rất... sung thêm một số thành phần để cung cấp thêm vitamin và amino acid như muối ammonium, muối phosphate, dịch thủy phân nấm men Môi trường có thành phần như trên có thể sử dụng để lên men - Giống Chủ yếu là các chủng của nấm men Sac cerevisiae Các chủng nấm men dùng trong sản xuất phải có những đặc điểm cơ bản sau: Nhập môn Công nghệ sinh học 263 + Có đầy đủ đặc điểm đặc trưng của nấm men + Tốc độ phát . 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