Nghiên cứu phân lập các yếu tố điều khiển biểu hiện gen ubiquitin từ hai loại bèo tấm lemna aequinoctialis db1 và spirodela polyrhyza db2

Nghiên cứu phân lập các yếu tố điều khiển biểu hiện gen ubiquitin từ hai loại bèo tấm lemna aequinoctialis db1 và spirodela polyrhyza db2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

AEQUINOCTIALIS DB1 VÀ SPIRODELA POLYRHYZA DB2

LUẬN VĂN THẠC SỸ SINH HỌC

Thái Nguyên – 2009

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN THỊ PHƯƠNG LIÊN

Thái Nguyên – 2009

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS Trần Thị

Phương Liên – phòng Công nghệ ADN Ứng dụng – Viện Công nghệ Sinh học đã

tận tình hướng dẫn và dìu dắt tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Luận văn này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ

gen với sự hỗ trợ kinh phí của Đề tài nhánh: “Thiết kế vector tái tổ hợp mang gen

H5N1 để chuyển vào bèo tấm” thuộc đề tài: Nghiên cứu tạo giống bèo tấm mang

gen kháng nguyên H5N1 phòng chống bệnh cúm ở gia cầm thuộc Chương trình Công nghệ Sinh học Nông nghiệp 2007-2010

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học và các thầy cô giáo trong khoa Sinh – KTNN, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên , Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy và tạo điểu kiện cho tôi học tập và thực hiện luận văn

Tôi xin bày tỏ biết ơn tới toàn thể các cán bộ Phòng Công nghệ ADN Ứng

dụng, Viện Công nghệ sinh học , đặc biệt là PGS.TS Nông Văn Hải – Trưởng phòng Công nghệ ADN Ứng dụng , KS Hà Hồng Hạnh đã giúp đỡ và chỉ bảo tôi

rất tận tình trong suốt thời gian tôi thực tập và thực hiện luận văn vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Di truyền Nông nghiệp đã cung cấp nguyên liệu bèo tấm cho luận văn

Cuối cùng , tôi xin dành cho gia đình và bạn bè lòng biết ơn sâu sắc vì sự quan tâm , động viên và góp ý cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận

Học viên

Trần Thị Kim Dung

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Tác giả luận văn

Trần Thị Kim Dung

NHƢ̃NG TƢ̀ VIẾT TẮT

Amp Ampicilin

DNA Deoxyribonucleic acid ATP Adenosine triphosphate bp Base pair (cặp bazơ)

dNTP Deoxynucleoside triphosphate ddNTP Dideoxynucleoside triphosphate

E coli Escherichia coli

EDTA Ethylene diamine tetra-acetic acid epp Eppendorf

EtBr Ethidium bromide

IPTG Isopropyl thio-β-D-galactoside kb Kilo base

LB Luria – Bertani

PCR Polymerase Chain Reaction RNase Ribonuclease

RNA Ribonucleic acid

SDS Sodium Dodecyl Sulphate SHPT Sinh học phân tử

TAE Tris – acetate – EDTA

X - gal 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactocide v/p vòng/phút

DANH MỤC CÁC BẢNG

3.1 Các vị trí nucleotide khác biệt giữa Sp-Ubi-pin (Mỹ) với pJETSpUbipin6 và pJETSpUbipin6R

43

3.2 Các vị trí nucleotide khác biệt giữa La-Ubi-pin (Mỹ) với La-Ubi-10F 50

DANH MỤC CÁC HÌNH

3.2 Sơ đồ cấu trúc đoạn các yếu tố điều khiển biểu hiện gen ubiquitin của loài

bèo tấm Spirodela polyrrhiza DB2 (Mỹ) và vị trí các mồi

34

3.6 Trình tự đoạn các yếu tố điều khiển biểu hiện gen ubiquitin của loài bèo tấm

Spirodela polyrrhiza DB2 với dự đoán các vùng chức năng promoter

40

3.7 Sơ đồ cấu trúc đoạn các yếu tố điều khiển biểu hiện gen ubiquitin của loài

bèo tấm Lemna aequinoctialis DB1 và vị trí các mồi

44

3.11 Trình tự đoạn promoter của loài bèo tấm Lemna aequinoctialis DB1 với dự

đoán các vùng chức năng promoter

49

MỤC LỤC

Lời cam đoan Những từ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình Mục lục

Trang MỞ ĐẦU 1

2.1.1 Nguyên liệu thực vật 21

3.2 Phân lập đoạn các yếu tố điều khiển biểu hiện gen ở loài S polyrhiza 33

3.2.1 Thiết kế và tổng hợp cặp mồi đặc hiệu cho đoạn promoter 33 3.2.2 Nhân đoạn DNA bằng kỹ thuật PCR và tách dòng trong vector pJET1.2 33

3.3 Phân lập đoạn các yếu tố điều khiển biểu hiện gen ở loài L aequinoctialis 43

3.3.2 Nhân đoạn DNA bằng kỹ thuật PCR và tách dòng trong vector pCR1.2 44

MỞ ĐẦU

Khi con người có cuộc sống định cư, khoảng 8000 năm trước Công nguyên, ở khu vực Tiểu Á và lưu vực sông Nin người ta đã bắt đầu việc trồng trọt truyền thống với mục đích duy trì và cải thiện chất lượng giống cây trồng nhằm thỏa mãn yêu cầu của con người ngày một tốt hơn Con người đã biết tạo ra giống cây trồng mang các đặc tính mong muốn bằng phương pháp lai tạo giống (lai hữu tính giữa hai dòng cây trồng) Phương pháp này cần nhiều thời gian, công sức và trong nhiều trường hợp cây lai thu được kèm theo cả tính trạng không mong muốn

Ngày nay, công nghệ gen sử dụng các phương pháp hiện đại đã khắc phục được các hạn chế đó Công nghệ gen cho phép các nhà di truyền và chọn giống thực vật xác định và thiết kế các gen đặc hiệu cho các mục tiêu mong muốn (kể cả các gen có nguồn gốc từ các sinh vật khác loài) rồi chuyển các gen này vào các giống đang sử dụng, tạo ra những giống cây trồng biến đổi gen mang những đặc tính mới đáp ứng yêu cầu của con người và có thể đem lại lợi ích quan trọng như tăng tính chống chịu với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi, tăng năng suất và chất lượng, cải thiện môi trường nhờ giảm lượng thuốc trừ sâu hoá học cần sử dụng Công nghệ gen thực vật còn mở ra một khả năng mới là sử dụng thực vật như một nhà máy sản xuất các loại thuốc cần thiết cho con người như vitamin, enzyme, kháng thể, vacxin

và các loại thuốc chữa bệnh khác [3]

Trong nghiên cứu chuyển gen thực vật, bên cạnh những gen có giá trị mã hoá cho các tính trạng mong muốn, các promoter cần thiết cho sự biểu hiện của các gen cũng nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu công nghệ gen thực vật Promoter là thành phần quan trọng trong cấu trúc của tất cả các gen, khởi đầu cho sự phiên mã, đóng vai trò then chốt trong việc biểu hiện gen Việc phân lập các promoter biểu hiện gen hữu hiệu trên cây trồng, đặc biệt là promoter đặc hiệu cho từng loại cây, biểu hiện trong các loại mô tế bào khác nhau ngày càng được quan tâm đến Nhiều promoter từ các gen ở thực vật được phân lập trong số đó phải kể đến promoter ubiquitin gen ngô, promoter gen rbcS (ribulose – 1,5-bisphosphate carboxylase small subunit), promoter của gen mã hóa sucrose synthase [4] Ubiquitin - protein sốc nhiệt (heat shock protein - HSP) với phân tử lượng nhỏ, có

mặt trong mọi tế bào ở tất cả các giai đoạn sinh trưởng, protein này tham gia vào quá trình phân giải polypeptide trong tế bào chất, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tế bào và chuyển hóa các chất trong tế bào Promoter của Ubiquitin gen từ cây ngô được sử dụng rộng rãi trong công nghệ gen thực vật [22], [41], [53]

Bèo tấm là cây một lá mầm nhỏ nhất, có hàm lượng protein và polysaccharide cao Với đặc thù cấu trúc và quá trình trao đổi chất, bèo tấm được sử dụng trong công nghệ gen thực vật như nhà máy sản xuất protein tái tổ hợp Một số promoter bèo tấm đã được phân lập như promoter của các gen SSU5A, SSU5B, promoter của gen NPR1 (negatively phytochrome regulated1) có phản ứng với điều kiện chiếu sáng hoặc cảm ứng ABA trong các nghiên cứu về quá trình quang hợp ở cây [18], [61] Để tăng cường hiệu quả chuyển gen, ngoài sử dụng promoter

truyền thống như promoter 35S CAMV, promoter Ubiquitin từ loài bèo tấm Lemna

minor đã phân lập, nghiên cứu và hoàn thiện ở Mỹ, đã được đánh giá có hiệu quả

cao hơn và đăng ký thành patent [24] Ở Việt nam có 3 loài bèo tấm được phát hiện

thấy là Lemna aequinoctialis, Spirodela polyrrhiza và Wolffia globosa ở nhiều vùng

khác nhau

Nhằm mục đích nghiên cứu phân lập promoter đặc hiệu từ các loài bèo tấm

Việt Nam phục vụ cho việc thiết kế tiếp theo các vector mang những gen đem lại lợi ích cho con người để chuyển vào bèo tấm, chúng tôi xin đăng ký thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu phân lập các yếu tố điều khiển biểu hiện gen Ubiquitin từ hai loài bèo tấm Lemna aequinoctialis DB1 và Spirodela polyrrhiza DB2” với các nội

dung chính sau đây:

1 Hoàn thiện các phương pháp tách DNA tổng số từ hai loài bèo tấm Lemna

aequinoctialis DB1 và Spirodela polyrrhiza DB2;

2 Nghiên cứu thiết kế các mồi đặc hiệu và nhân đoạn các yếu tố điều khiển

biểu hiện gen đặc hiệu từ hai loài bèo tấm Lemna aequinoctialis DB1 và Spirodela

polyrrhiza DB2 bằng PCR;

3 Tách dòng và xác định trình tự đoạn các yếu tố điều khiển biểu hiện gen

đặc hiệu từ hai loài bèo tấm Lemna aequinoctialis DB1 và Spirodela polyrrhiza

DB2

Chương 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Giới thiệu chung về cây bèo tấm 1.1.1 Phân bố của bèo tấm

Bèo tấm với tên khoa học Lemnaceae là loài sinh vật thủy sinh có khả năng

tồn tại và phát triển ở nhiều nơi trên thế giới, trừ những vùng cực bắc và cực nam quanh năm giá lạnh Ở vùng sa mạc và vùng ẩm ướt thì sự có mặt của bèo tấm cũng

ít hơn Trong các chi thuộc loài bèo tấm thì 3 chi (Spirodela, Lemna, Wolffia) được phân bố khắp thế giới, trong khi đó Wolffia ít tìm thấy ở châu Mỹ và châu Phi

Spirodela có tâm phân bố ở Nam Mỹ Chi Lemna có tính đa dạng cao nhất ở Bắc

Mỹ và Đông Nam Á Wolffiella phân bố chủ yếu ở vùng ven nhiệt đới của châu Mỹ và châu Phi Wolffia tồn tại chủ yếu ở châu Mỹ, Đông Nam Á và châu Úc Lemna

aequinoctialis được phân bố rộng rãi ở các vùng có khí hậu ấm áp trên thế giới

Cùng với nghề trồng lúa nước, chúng có mặt rộng rãi ở nhiều vùng khác nhau như: Nam Âu, vùng trung tâm Bắc Mỹ, Bắc Trung Quốc, Bắc Nhật Bản…[36] Ở Việt

Nam, đã phát hiện thấy có 3 loài bèo tấm thuộc 3 chi khác nhau (Spirodela, Lemna,

Wolffia) đó là loài L aequinoctialli, S polyrrhiza và W globosa [36] Hiện nay,

các loài bèo này phân bố khá phổ biến trên các vùng mặt nước, ao hồ đồng ruộng và tập trung nhiều ở khu vực đồng bằng Bắc Bộ và Nam bộ [7], [36].

1.1.2 Đặc điểm hình thái bèo tấm

Lemnaceae thuộc nhóm cây một lá mầm nhỏ nhất phần lớn có cả lá, rễ, hoa,

quả, những cây trưởng thành không có thân cây Lá (cánh bèo) có kích thước khác nhau phụ thuộc vào từng chi, từng loài

1.1.2.1 Đặc điểm cánh bèo

Dạng thân giống lá của các loài Lemnaceae được gọi là “frond” (cánh bèo),

là một tập hợp của các mô có sự biệt hóa hạn chế Mức độ tổ chức của mô cánh bèo

trong họ Lemnaceae giảm từ Spirodela tới Lemna, Wolffiella và Wolffia [36] Cánh

bèo không ở dạng phẳng mà tồn tại các u lồi đặc trưng trên đó có định vị các gân lá, cây trưởng thành thường có từ 4-7 gân lá trong khi các cây non chỉ có 3 gân lá Đa số bèo tấm có cánh mỏng giống lá Một số loài có cánh không dẹt do có xoang khí

lớn Cánh bèo có hình ô van (hoặc tròn) dài tới 1,5 cm và rộng tới 1 cm

(S polyrrhiza, L trisulca) Loài nhỏ nhất có cánh đạt kích thước 3 mm ở điều kiện tối ưu Ở điều kiện thường có thể nhỏ hơn 1 mm (Wolffia) Kích thước và hình dạng

của cánh bèo phụ thuộc nhiều vào các điều kiện bên ngoài và kiểu gen của chúng Các yếu tố ngoại cảnh này bao gồm: ánh sáng, hàm lượng đường, hàm lượng nitơ, phospho, kali, canxi và magie, nhiệt độ…[36]

1.1.2.2 Đặc điểm rễ bèo

Kích thước và số lượng rễ trên 1 cánh bèo ở các loài bèo tấm không giống

nhau và phụ thuộc vào từng loài [36] Đa số các loài thuộc họ Lemna chỉ có một rễ,

S polyrrhiza có từ 7-12 rễ hoặc nhiều hơn và có thể dài đến 10 mm, Landoltia có 3 rễ và có thể lên đến 5 rễ với chiều dài tối đa có thể đạt được là 6 mm Ngoại trừ điều kiện khắc nghiệt, trong điều kiện thiếu nitơ, phosphate hay các chất khoáng, rễ sẽ dài hơn Trong khi đó, trong môi trường dinh dưỡng thuận lợi, rễ ngắn hơn và thậm chí có loại không hình thành rễ Cấu trúc rễ của bèo tấm cũng hết sức đơn giản, không có các rễ con và không phản ánh sự tăng trưởng cũng như sự tạo nhánh Vì lẽ đó, rễ của bèo tấm rất mảnh và nhỏ Cũng giống như các loại rễ phổ biến khác, rễ bèo tấm có cấu tạo gồm 4 phần chính: Đỉnh rễ, vùng mô phân sinh, vùng kéo dài, và vùng các tế bào thuần thục

2-1.1.2.3 Hoa và quả bèo

Hoa của các loài bèo tấm đã được nghiên cứu tương đối kĩ Chúng thường hình thành và tồn tại trong thời gian ngắn và hiếm khi được quan sát thấy Hoa của các loài bèo có thể hình thành trong thời gian ngắn hay dài khác nhau tuỳ thuộc vào loài Mỗi hoa thường có 2 nhị hoa và 1 vòi nhụy hoa duy nhất Các nhụy hoa thường ngắn và khó quan sát hơn Quả của bèo tấm đa phần là nhỏ, có lớp vỏ ngoài khô, một số trong đó có thể được quan sát thấy bằng mắt thường Quả bèo thường có dạng như một túi có răng cưa, đôi khi có dạng dọc hơi phẳng, và thường chứa từ 1-6 hạt [36] Hình 1.1 thể hiện một số đặc điểm của hoa bèo tấm

Hình 1.1 Hoa của Lemna gibba

1.1.3 Cây phân loại bèo tấm

Hình 1.2 Cây phân loại bèo tấm theo Landolt và cộng sự

Theo Landolt, bèo tấm thuộc giới thực vật, ngành Magnoliophyta, lớp

Liliopsida, bộ Arales, họ Lemnaceae gồm các chi Lemna, Spirodela, Wolffia, Woffiela với trên 40 loài khác nhau [36] Ông đã phân loại bèo tấm dựa trên số rễ và

kích thước của cánh bèo: Lemna (1 rễ); Spirodela (7-12) rễ; cánh bèo từ 10 mm trở lên); Landoltia (2-3 rễ, cánh bèo 3-6 mm); Wolffia (không có rễ, cánh bèo 0,6-1,2

mm)…

Năm 2002, Les và cộng sự đã dựa trên đặc điểm về hình thái nhiễm sắc thể và vi phân tử (DNA của nhân và lục lạp) đề ra giả thiết về cây phân loại của bèo

tấm gồm 5 chi tức là có thêm một chi mới là Landoltia [38]

Một số nghiên cứu gần đây của Rothwell và cộng sự, dựa trên sự so sánh trình tự đoạn intron tRNALeu

UAA (trnL) và tRNAPhe UAA (trnF) của bộ gen lục

lạp đã xác định rằng họ Lemnaceae và Pisita cùng thuộc họ ráy Araceae [48] Hình

1.2 biểu thị cây phân loại bèo tấm [37]

1.1.4 Hình thức sinh sản của bèo tấm

Bèo tấm có hai phương thức sinh sản để duy trì nòi giống: Sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính Sinh sản vô tính chiếm ưu thế so với sinh sản hữu tính Hình thức sinh sản hữu tính của bèo tấm chỉ xảy ra khi chúng gặp điều kiện bất lợi để bảo tồn nòi giống [36], [37]

1.1.4.1 Sinh sản vô tính

Bèo tấm sinh sản vô tính bằng hình thức nảy chồi từ vùng đỉnh phân sinh nằm trong xoang ở vùng gốc cánh Hình 1.3 thể hiện quá trình sinh sản vô tính bằng

hình thức nảy chồi của S polyrrhiza

Hình 1.3 Sinh sản vô tính bằng hình thức nảy chồi ở S polyrrhiza

Ở điều kiện tối ưu, tốc độ sinh sản vô tính của bèo tấm gần đạt mức tăng theo hàm số mũ Lượng cánh bèo có thể tăng gấp đôi chỉ sau 24 giờ nuôi cấy ở các loài

sinh trưởng nhanh như L aequinoctialis, W microscopica Với hình thức sinh sản

vô tính thì thời gian một vòng đời của cánh bèo chỉ vài tuần Theo nhiều tác giả cho biết, vòng đời của một cánh bèo phụ thuộc vào nhiệt độ nuôi, ở 30o

C vòng đời giảm

một nửa so với ở 20oC Trong giai đoạn ngủ, nghỉ và ở nhiệt độ thấp, cánh bèo có thể tồn tại trong vài tháng Điều kiện dinh dưỡng cũng có ảnh hưởng đến vòng đời của cánh bèo Sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng có thể làm cánh bèo già hoá nhanh và chết chỉ sau 1 đến 2 tuần Có thể nói, vòng đời sẽ dài hơn khi tốc độ nhân lên của cánh bèo nhỏ Khi nồng độ dinh dưỡng giảm dưới ngưỡng tối thiểu thì cánh bèo bị tổn thương và chết nhanh hơn bình thường [36]

1.1.4.2 Sinh sản hữu tính

Sinh sản hữu tính được thực hiện thông qua sự ra hoa và tạo hạt tương tự như các loài thực vật hạt kín khác Với kích thước cánh bèo, hoa và hạt nhỏ bé, bèo tấm được coi là loài thực vật hạt kín nhỏ bé nhất trong giới thực vật Sinh sản hữu tính ở bèo tấm bao gồm 2 giai đoạn: (i) Ra hoa và (ii) Tạo quả và hạt

* Giai đoạn ra hoa: Cơ quan ra hoa ở bèo tấm L aequinoctialis gồm các thành phần: 1 lá bắc, 2 nhị hoa, 1 nhụy hoa Ở Spirodela và Lemna, các cơ quan của hoa phát sinh trong xoang phát sinh cánh con Ở Wolffiella và Wolffia, hoa phát sinh

trong 1 xoang ở bề mặt trên của cánh bèo và không ở cung xoang phát sinh cánh

con Hoa của Wolffia nằm dọc theo đường trung tâm cánh Hoa của Wolffiella nằm

ở cạnh đường trung tâm của cánh [36]

* Giai đoạn tạo quả và hạt: Sau khoảng thời gian từ 2 đến 5 tuần tính từ lúc thụ tinh thì quả chín Mỗi quả có lá bao khô và thường có 1 - 6 hạt Ở hầu hết các

loài, quả gần như đối xứng ngoại trừ L valdiviana và L perpusilla Quả thường dài

từ 0,35 mm đến 2,75 mm Hạt bèo tấm có dạng hình trứng với 1 vảy đen ở đỉnh Khi quả có nhiều hơn 1 hạt thì quả có thể ở dạng hình trứng hoặc tam giác Kích thước hạt biến đổi trong cùng một loài và giữa các loài từ 0,3 – 2 mm về chiều dài và 0,2 – 0,8 mm về đường kính Hạt có vỏ hạt ngoài và vỏ hạt trong, nội nhũ và phôi Vỏ ngoài gồm 2 – 11 lớp tế bào của biểu bì ngoài, ở đỉnh có nhiều lớp tế bào hơn ở giữa và cuối hạt [36]

1.1.5 Hệ gen của bèo tấm

Các nghiên cứu đối với hệ gen bèo tấm được tiến hành từ đầu những năm 80

của thế kỷ trước cho đến ngày nay Các kết quả cho thấy, bộ gen bèo tấm giống với bộ gen của thực vật nói chung, bao gồm gen nhân và gen ngoài nhân Bộ gen của

bèo tấm có kích thước rất nhỏ, (lượng DNA trên 01 nhiễm sắc thể: 1C=0,6 pg

DNA) trong khi đó ở các loài thực vật khác như Triticum monococcum bộ gen lớn

hơn nhiều (1C=6,23 pg) [54] Kích thước gen nhân của các loài bèo tấm là khác

nhau, nhỏ nhất ở Spirodela và lớn nhất ở Wolffia Số lượng nhiễm sắc thể ở các loài

khác nhau cũng rất khác nhau từ 2n = 16 đến 2n = 126 Kích thước bộ gen của một số loài bèo tấm so với các loài đối chứng được liệt kê trên bảng 1.1 [36]

Bảng 1.1 Kích thước gen nhân của một số loài bèo tấm

1 C

pg DNA / chromsome

năm 2008, bộ gen lục lạp của Lemna minor đã giải trình tự hoàn chỉnh Bộ gen lục

lạp có cấu trúc mạch vòng bao gồm 165 955 bp mã hóa cho 112 gen (78 gen mã hóa protein, 30 tRNA gen và 4 rRNA gen [42]

1.1.6 Giá trị dinh dưỡng

Bèo tấm có chứa các chất dinh dưỡng với sự đa dạng về cả thành phần và hàm lượng Sinh khối bèo tấm có chứa các vitamin A, B1, B2… và các amino acid không thay thế trừ methionine Bèo tấm nuôi ở điều kiện tối ưu là một trong số các loài thực vật cho hàm lượng protein tổng số đạt giá trị cao nhất Hầu hết các loài bèo tấm có hàm lượng protein đạt từ 6,8 – 45% phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện nuôi cấy [37] Trong thời gian gần đây, đã có các nghiên cứu sử dụng bèo tấm như là hệ thống sinh tổng hợp các chất thứ cấp, các sản phẩm mang lợi ích cho người dân, các protein với hàm lượng lớn và hoạt tính sinh học cao…[38] Các yếu tố ảnh hưởng tới hàm lượng protein trong cánh bèo gồm có: ánh sáng, nhiệt độ, thành phần và hàm lượng khoáng chất trong môi trường nuôi (đặc biệt là nitơ) Thành phần và

hàm lượng các chất dinh dưỡng và các thành phần hữu cơ khác của bèo tấm được liệt kê ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Thành phần và hàm lƣợng các hợp chất hữu cơ có trong cánh bèo

1.1.7 Tiềm năng sử dụng bèo tấm trong công nghệ sinh học

Một trong những mục đích chủ yếu của công nghệ sinh học, đặc biệt là công nghệ DNA tái tổ hợp là tạo ra các sản phẩm chuyển gen có giá trị thương mại cao Để có thể tiến hành ứng dụng công nghệ sinh học trong quy mô sản xuất lớn, một đòi hỏi cấp thiết là cần phải có hệ thống tái sinh tốt với khả năng sinh trưởng và phát triển nhanh, ổn định [13] Cho đến nay, các nhà công nghệ sinh học phân tử đã và đang sử dụng nhiều hệ thống sinh học bao gồm: vi khuẩn, nấm, các dòng tế bào côn trùng, thực vật, động vật có vú, virus của côn trùng, của thực vật, các sinh vật đa bào…Việc lựa chọn hệ thống sinh học phụ thuộc phần lớn vào sản lượng và chất lượng thương phẩm Hệ thống sinh học từ vi khuẩn có khả năng tạo ra protein với hàm lượng cao nhưng hoạt tính của các protein thu được có một số hạn chế nhất định Các tế bào động vật bậc cao có khả năng cải biến tốt các protein sau dịch mã nhưng lại tiềm ẩn các tác nhân gây bệnh có nguồn gốc virus do chúng là ký chủ cho nhiều loại virus gây bệnh cho người và gia súc Do đó nhiệm vụ của các nhà sinh học phân tử là tìm ra được các hệ thống sản xuất protein khác đảm bảo các yêu cầu: rẻ tiền, dễ sử dụng và không mang nguy cơ lây nhiễm các bệnh có nguồn gốc virus Hệ thống đó là thực vật So với các hệ thống truyền thống, thực vật có nhiều lợi thế trong việc sản xuất protein tái tổ hợp Trước hết phải kể đến khả năng glycoside hóa các protein, bởi các glycoprotein là nhóm protein có vai trò quan trọng trong các phản ứng miễn dịch Lợi thế thứ hai là protein tạo thành từ thực vật tương đối an toàn so với protein có nguồn gốc động vật bậc cao Thứ ba là lợi thế về giá thành,

thực vật có thể trồng trên diện tích lớn với chi phí tối thiểu về phân bón, công chăm sóc và nguyên liệu đầu vào

Trong các loài thực vật được nghiên cứu để làm hệ thống tái sinh, các loài thuộc họ bèo tấm đang được đặc biệt quan tâm với vòng đời ngắn và khả năng tăng sinh khối nhanh Bèo tấm có tốc độ sinh sản rất nhanh, nhân đôi trọng lượng trong vòng 24 – 72 giờ Một số giống bèo tấm có tốc độ tăng sinh khối cao hơn hẳn so với các loài thực vật khác Đối với cây ngô, từ 1 g chất khô ban đầu, sau một tuần không thể tạo ra lượng chất khô lớn hơn 2,3 kg Trong khi đó một số loài bèo tấm lại có thể tạo ra 64 g chất khô từ 1 g chất khô ban đầu sau 1 tuần [31],[50]

Mặt khác hàm lượng các chất dinh dưỡng của bèo tấm rất cao với sự đa dạng về thành phần các vitamin (A, B1, B2…), các amino acid không thay thế Riêng protein của bèo tấm có thể đạt từ 6,8 – 45 % trọng lượng khô tuỳ theo loài [36], tức là tỷ lệ tương đương với đậu tương Theo tính toán, chỉ cần 1 - 3 % tổng số protein nói trên có hoạt tính sinh học quan tâm là đủ để bèo tấm được coi là hệ thống tái sinh hiệu quả Do những ưu điểm đó, trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu chuyển gen để sản xuất các hoạt chất sinh học từ bèo tấm Các nhà khoa học

Mỹ, Israel, Pháp đã sử dụng các loài Lemna để chuyển các gen có giá trị kinh tế,

nhằm sản xuất các hoạt chất sinh học khác nhau trong đó có vacine Quy trình chuyển gen vào bèo tấm cũng tương tự như quy trình biến nạp gen ở một số loài thực vật khác, tức là phải tạo vật liệu vô trùng trong ống nghiệm, tạo callus, sau đó tái sinh callus đã chuyển gen thành cây hoàn chỉnh Ngoài ra, các loài thuộc họ bèo tấm còn có khả năng chuyển gen sử dụng nguyên cây mà không cần nuôi cấy mô và vật liệu vô trùng Tháng 10 năm 2004, chính phủ Pháp đã tài trợ để thành lập công ty Lemnagene nhằm mục đích nghiên cứu ứng dụng bèo tấm đối với công nghệ sinh học [68]

1.2 Promoter và ứng dụng trong công nghệ gen thực vật 1.2.1 Cấu trúc gen sinh vật

Gen là một đoạn phân tử DNA, RNA, mang thông tin di truyền xác định cấu trúc của một chuỗi polypeptide hoặc một phân tử RNA nhất định Một gen có cấu trúc điển hình gồm ba vùng chính: Vùng điều khiển, vùng mang mã di truyền và

vùng kết thúc Vùng điều khiển có một số trình tự đặc hiệu điều khiển hoạt động gen Vùng mang mã chứa các thông tin di truyền, được phiên mã sang RNA thông tin (mRNA), gen cấu trúc có thể được dịch mã tạo ra sản phẩm là các protein Vùng kết thúc mang trình tự phân biệt giữa các gen, và các trình tự kết thúc quá trình phiên mã Cấu trúc gen còn bao gồm một số cấu trúc đặc thù nằm ở phía trước, phía sau hoặc trong gen như các trình tự điều hòa, vùng tăng cường (enhanor), vùng bất hoạt (silencer), vùng đệm (spacer)… [39] Hình 1.4 là sơ đồ cấu trúc 1 gen điển hình

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc gen điển hình 1.2.2 Cấu trúc promoter

Gen cấu trúc có thể biểu hiện được thành protein cần sự có mặt của các trình tự điều khiển thích hợp nằm ở những vị trí nhất định Trình tự tham gia tích cực vào quá trình điều khiển biểu hiện gen là trình tự khởi động (promoter) Promoter bao gồm trình tự nucleotide nằm ngược phía trên đầu 5’ so với vị trí khởi đầu phiên mã gen (transcription start site – TSS), đóng vai trò điều khiển quá trình phiên mã nhờ khả năng đảm bảo các vị trí nhận biết cho các protein tham gia vào việc điều khiển biểu hiện gen như enzyme RNA polymerase, các nhân tố phiên mã (transcription factor – TF) Tùy thuộc vào khoảng cách từ TSS, các thuật ngữ “promoter gần” hay “promoter tối thiểu” (khoảng vài trăm nucleotide quanh vùng TSS) (proximal promoter hay minimal promoter ) và “promoter xa” (hàng nghìn nucleotide ở phía trên TSS) (distal promoter) có thể được sử dụng Cả hai loại promoter gần và xa đều chứa rất nhiều yếu tố tham gia vào quy trình phức tạp của các nhân tố điều hòa phiên mã đặc hiệu tế bào, mô, cơ quan, giai đoạn phát triển và môi trường [3], [53]

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo promoter nhóm II ở sinh vật nhân chuẩn [69]

Về mặt cấu trúc, promoter có tổ chức phức tạp và chứa rất nhiều yếu tố đặc trưng có chức năng bám/gắn với các nhân tố protein tham gia vào quá trình phiên mã gen Các nhân tố điều hòa (regulatory elements) nằm trên promoter và cùng một

sợi với vùng mang mã của gen được gọi các nhân tố Cis (cis elements) [16] Mỗi yếu tố được đặt tên dựa trên cơ sở trình tự nucleotide của chúng Yếu tố cis cơ bản

nhất là hộp TATA (TATA box), được tìm thấy ở hầu hết các gen sinh vật nhân chuẩn, nằm ở vị trí -30 (nằm về phía trước vị trí khởi đầu phiên mã (vị trí +1) 1 đoạn 30 nucleotide) Ở sinh vật nhân sơ, hộp TATA thường nằm ở quanh vị trí -10 Ở sinh vật nhân chuẩn có các nhóm promoter tương ứng với ba loại enzyme RNA polymerase I, II và III Promoter nhóm II bao gồm các promoter của các gen hoạt hoá cho sự phiên mã mRNA và một số loại small RNA, U1, U2, U3… Cấu tạo promoter nhóm II có bốn thành phần: Tâm promoter, trình tự UP (upstream element), trình tự khởi đầu Inr, trình tự dowstream element (DE) Tâm promoter gồm các hộp TATA có vị trí từ -35 đến -25 Hộp TATA giúp RNA polymerase nhóm II nhận biết và gắn chính xác vào vị trí khởi đầu phiên mã Trình tự UP ở vị trí trước TATA khoảng 25 bp, có chứa nhiều cặp G - C (hộp G - C) và trình tự CCAAT (hộp CAT) là vị trí tiếp xúc đầu tiên của RNA polymerase Trình tự

dowstream element (DE) ở vị trí khoảng 27 - 34 sau hộp TATA Trình tự khởi đầu (initiator - Inr) nằm giữa hộp TATA và trình tự DE

1.2.3 Vai trò biểu hiện gen của promoter

Quá trình biểu hiện của một gen cấu trúc bao gồm: giai đoạn phiên mã, giai đoạn dịch mã và giai đoạn cải biến sau dịch mã Quá trình phiên mã (giai đoạn sơ khai đầu tiên để biểu hiện một gen thành protein), chịu sự điều khiển của nhiều yếu tố: promoter, các nhân tố phiên mã, các trình tự tăng cường, trình tự kết thúc… [60] Trong đó, đoạn promoter đóng vai trò chính trong quá trình biểu hiện gen Về cơ bản, promoter đóng vai trò như một công tắc đóng mở gen Tất cả các gen đều cần có promoter để khởi động quá trình biểu hiện Promoter có rất nhiều module khác nhau hoạt động như các cảm biến (sensor) và cho phép chúng có thể phản ứng theo những cách mà đến nay chúng ta cũng chưa hoàn toàn hiểu rõ, đối với những tín hiệu khác nhau từ những gen khác hoặc từ môi trường, định rõ khi nào thì khởi động và khởi động ở đâu với cường độ và thời gian như thế nào Trong những điều kiện nhất định, promoter có thể không hoạt động và khi đó thì gen hoàn toàn không được khởi động Nói chung, đối với một gen bình thường trong một sinh vật, vai trò của promoter là cho phép gen hoạt động đúng trong các chu trình điều hoà hết sức phức tạp Promoter liên quan đến các gen thuộc từng sinh vật được thích ứng với gen đó trong khi toàn bộ các gen của sinh vật được thích ứng để tồn tại và hoạt động cùng nhau qua hàng triệu hay hàng trăm triệu năm

1.2.4 Phân loại promoter

Promoter có thể được chia làm hai loại chính: Promoter không đặc hiệu hay

promoter cơ định (constituve promoter) và promoter đặc hiệu với các yếu tố cis

chuyên biệt (specific promoter) [3]

1.2.4.1 Prompter cơ định

Promoter cơ định tham gia điều khiển quá trình biểu hiện gen ở hầu hết các loại mô khác nhau trong nhiều giai đoạn phát triển của sinh vật CaMV35S promoter điều khiển sự biểu hiện của RNA 35S được phân lập từ virus khảm súp lơ (cauliflower mosaic virus – CaMV) là một ví dụ điển hình của loại promoter này Promoter này có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: Vùng trung tâm (hộp TATA có vị trí

từ - 46 đến + 8) hai đoạn trình tự tăng cường (enhanor) Trong thời gian gần đây, vai trò của các vùng khác nhau trên CaMV35S promoter trong việc gây bệnh của CaMV đã được nghiên cứu [44]

Trong hệ thống các promoter cơ định, promoter ubiquitin đóng một vai trò hết sức quan trọng Năm 1992, Christensen và cộng sự đã phát hiện ra 8 đến 10 locus mã hoá cho ubiquitin ở cây ngô Cả hai gen đặc tính Ubi-1 và Ubi-2 đều chứa một khung đọc mở bao gồm 1599 bp sắp xếp thành 7 chuỗi liên tiếp từ đầu đến cuối với đoạn lặp lại có chiều dài 228 bp [22], [43] Vùng điều chỉnh (regulatory region) là vùng điều điều khiển quá trình biểu hiện gen Ubi-1 ở cây ngô là đoạn trình tự bắt đầu từ vị trí -899 bp từ đầu 5’ của vị trí khởi đầu phiên mã đến vị trí 1093 bp đầu 3’ của vị trí khởi đầu phiên mã Trình tự vùng điều chỉnh có kích thước khoảng 2 kb bao gồm:

 Hộp TATA nằm ở vị trí -30 về đầu 5’ so với vị trí khởi đầu phiên mã

 Hai đoạn trình tự trùng khớp (overlaping sequence) có liên quan đến các yếu tố sốc nhiệt nằm ở vị trí -214 đến -204 so với vị trí khởi đầu phiên mã Nhân tố sốc nhiệt của vùng điều chỉnh làm tăng khả năng biểu hiện của ubiquitin trong quá trình chống chịu lại với nhiệt độ

 Một đoạn trình tự exon không phiên mã có kích thước 83 bp nằm liền kề với vị trí khởi đầu phiên mã

 Một đoạn trình tự intron kích thước khoảng 1 kb kéo dài từ vị trí +84 đến vị trí +1093

Hình 1.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển Ubiquitin ở thực vật

1.2.4.2 Promoter đặc hiệu

Sự biểu hiện đặc hiệu là sự biểu hiện các sản phẩm của gen giới hạn ở một hoặc một vài mô hay một vài giai đoạn phát triển Cần nhấn mạnh rằng không có một promoter hoàn toàn đặc hiệu: các promoter hoạt động bình thường ở một số mô nhất định trong khi ở các mô khác thì không hoặc chỉ hoạt động yếu (sự biểu hiện yếu) Trong số các promoter đặc hiệu, có nhóm promoter biểu hiện đặc hiệu mô (tissue specific promoter), biểu hiện đặc hiệu về thời gian, biểu hiện cảm ứng với môi trường (environmentally inducible promoter)

* Promoter đặc hiệu mô

Promoter đặc hiệu mô là những promoter chỉ điều khiển biểu hiện gen ở những mô đặc hiệu, ví dụ promoter đặc hiệu bó mạch ở thực vật thì điều khiển biểu hiện gen ở bó mạch Promoter này chứa các trình tự đặc trưng của một promoter như hộp TATA, hộp CCAAT… và các trình tự đặc hiệu quyết định sự biểu hiện gen đặc hiệu bó mạch như hôp ASL, hộp GATA…[66] Thuộc nhóm promoter này, promoter điều khiển biểu hiện gen mã hoá sucrose synthase đặc hiệu ở bó mạch được biết đến rộng rãi nhất

* Promoter đặc hiệu cảm ứng

Trong điều kiện stress (khô hạn, nhiệt độ khắc nghiệt, oxy hoá cao…), các gen chống chịu thường biểu hiện với tốc độ nhanh Do đó, vấn đề khởi động sự phiên mã cũng như cấu trúc promoter của chúng và các protein tham gia vào việc điều khiển biểu hiện gen được đặc biệt chú ý Promoter điều khiển biểu hiện gen chống chịu có trình tự đặc trưng nGAAn gọi là HSE (heat shock element) Khi nhân tố phiên mã HSF (heat shock transcription factor) – protein nội bào nhận biết được HSE chúng sẽ hoạt hóa promoter để biểu hiện gen HS [8] Promoter điều khiển biểu hiện gen rbcS (ribulose – 1,5 – bisphosphate carboxylase small subunit) cảm ứng ánh sáng ở nhóm cây hai lá mầm, chứa trên 30 vùng trình tự bảo thủ trong đó những vùng cảm ứng ánh sáng là hộp G, hộp I, GT – 1 (hộp II)… Hộp G có trình tự đặc trưng là CACGTG, hộp I có trình tự nhận biết là GATAAGR và trình tự ngược chiều của nó – YCTATC cũng được chú ý đặc biệt Đột biến xảy ra tại vùng này làm giảm rõ rệt mức độ biểu hiện của gen rbcS khi có ánh sáng [63]

1.2.5 Ứng dụng promoter trong công nghệ gen thực vật

Promoter đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển gen nói chung và chuyển gen ở thực vật nói riêng Việc chuyển nạp gen ở các giống cây có ý nghĩa kinh tế thường rất khó vì vậy, cần phải thử nghiệm tiềm năng biểu hiện của gen chỉ thị chọn lọc với các promoter khác nhau Nhiều promoter được dùng trong chuyển gen thực vật đã được nghiên cứu và sử dụng có hiệu quả Promoter 35S của virus khảm CaMV hoặc FiMV và promoter NOS thường được sử dụng Promoter 35S có tiềm năng cao và thường được sử dụng nhiều trong các thiết kế vetor chuyển gen

Các promoter cảm ứng có vai trò đối với quá trình biểu hiện các gen chuyển nạp trong những điều kiện cảm ứng như các gen chống lại quá trình oxi hóa giúp cho cây chống lại các stress hiếu khí hay các gen kháng kháng sinh tạo ra do nhiệt độ để chọn các đột biến trong việc tạo ra tín hiệu ở chu trình chuyển hoá các chất dưới tác dụng của nhiệt Một số các promoter cảm ứng khác cũng được nghiên cứu promoter sốc nóng [11], chuỗi khởi động cảm ứng nitrate từ gen nitrite reductase [12] và các promoter cảm ứng hormone [65]

Do các mối quan tâm ngày càng nhiều về việc sử dụng thực vật như là hệ thống mẫu để phát triển sinh học phân tử, nhiều gen và các chuỗi khởi động liên quan được mô tả Các gen này được thể hiện trong các loại mô hay trong các giai đoạn phát triển khác nhau của cây như các gen thể hiện ở hạt phấn [9], ở hoa [59], ở rễ [26] và ở thân [17]

Các nghiên cứu về gen ubiquitin ở thực vật đã phát hiện ra một số lượng lớn các nhóm promoter có sự biểu hiện mạnh ở thực vật Polyubiquitin promoter được phân lập và xác định đặc tính từ cây ngô [22], cây thuốc lá [48], Arabitalic [19], cây hướng dương [15], khoai tây [28], cà chua [50], lúa [55], [61], mía đường [64] và đậu tương [21] Đa số các promoter này điều khiển ở mức độ cao hơn so với promoter CaMV35S trong quá trình biểu hiện ở các loài thực vật chuyển gen Do gen Ubiquitin được biểu hiện ở hầu hết các mô thực vật trong điều kiện tự nhiên, nên promoter ubiquitin đã được sử dụng để biểu hiện gen trong các loại thực vật chuyển gen đặc biệt là giữa các loài gần gũi Sự biểu hiện mạnh của promoter ubiquitin được chi phối bởi sự xuất hiện của các đoạn intron, những đoạn chủ yếu

định vị trong vùng 5’ không dịch mã của gen ubiquitin [41], [55] Các đoạn intron

gần với bộ 3 khởi đầu dịch mã là những nhân tố cis quan trọng, là nguyên nhân gây

ra sự tăng cường gián tiếp có liên quan đến intron (intron-mediate enhancement – IME) của quá trình biểu hiện gen ở thực vật [19] Ngày nay Ubiquitin promoter và actin promoter của lúa thường được sử dụng để biểu hiện gen ở cây một lá mầm [43] Trong đó, Ubiquitin promoter được thử nghiệm trong quá trình điều khiển biểu hiện gen ở cây ngô, lúa, đậu tương…[32], [41], [46]

1.3 Tình hình nghiên cứu chuyển gen ở bèo tấm 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Bèo tấm là loài thực vật có khả năng sinh trưởng và phát triển nhanh trong thành phần có chứa nhiều chất dinh dưỡng quan trọng, có thể sử dụng làm thức ăn cho chăn nuôi, trong sản xuất các protein tái tổ hợp với số lượng lớn Ngoài ra, bèo tấm còn được sử dụng nhiều trong các quá trình giảm thiểu ô nhiễm mặt nước và trong kỹ nghệ môi trường Do đặc điểm này mà bèo tấm đã trở thành đối tượng được quan tâm nghiên cứu bởi đông đảo các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới

1.3.1.1 Các nghiên cứu xây dựng hệ thống tái sinh

Có rất ít các nghiên cứu xây dựng hệ thống tái sinh trên bèo tấm được công bố cho đến nay Từ năm 1978, Chang và Hsing đã tạo được callus thành công trên

L aequinoctialis khi nuôi cấy các cánh của chúng trong môi trường lỏng có chứa

10mg/l 2,4D Callus được tạo ra từ vùng mô phân sinh xung quanh điểm node phát sinh cánh bèo sau 13 tuần nuôi cấy Trước đó, trong những năm 1976 - 1978, Chang

và Chiu đã tạo thành công callus và tái sinh cánh ở dòng bèo L gibba G3 [20] Cho

đến năm 1997 - 1998, một số nhà nghiên cứu thuộc đại học phía Bắc bang Carolina

phát triển một hệ thống tái sinh thông qua callus ở L gibba G3 Tuy nhiên, kết quả

cuối cùng mới chỉ là dạng cấu trúc giống cánh màu xanh hoặc dạng nốt sần màu xanh [58]

Một quy trình tái sinh cây được xây dựng trên L minor đã được công bố năm 2002, trong đó callus được tạo ra với tỷ lệ 89% khi cấy từ mẫu cánh bèo L minor

(4 loại mẫu: toàn cánh trưởng thành, cánh bị tổn thương do cắt, nửa cánh, mẫu rễ xấp xỉ 1 cm) trên môi trường có bổ sung 45 µM 2,4D Cánh tái sinh từ callus thu

được trên môi trường tái sinh có 22 µM IAA và 4,0 µM kinetin Tỷ lệ tái sinh đạt 100%, cánh tái sinh thu được khi chuyển lên môi trường nhân cánh đã nhanh chóng tạo ra cánh bình thường [55]

Li và cộng sự, (2004) đã xây dựng hệ thống tái sinh hoàn chỉnh và chi tiết

trên các loài bèo S oligorrhiza, S punctata, L gibba và Hurfeish Báo cáo này đã

phân tích ảnh hưởng của các loại đường và các chất kích thích sinh trưởng tới giai đoạn tạo callus Các auxin sử dụng gồm có dicamba, PCA, NAA, 2,4D Các cytokinin gồm: TDZ, BA, 2iP, zeatin Các loại đường gồm có galactose, sorbitol, maltose, sucrose, manitol Các chất kích thích sinh trưởng, đường và hàm lượng của chúng được sử dụng khác nhau ở các giai đoạn khác nhau trong hệ thống tái sinh và ở mỗi loài bèo [40]

1.3.1.2 Các nghiên cứu chuyển gen vào bèo tấm

Kể từ khi có sự ra đời của các kỹ thuật sinh học phân tử, đã có các nghiên cứu phân lập và xác định đặc tính của hệ gen bèo tấm Đã có nhiều những nghiên cứu phân lập và tách dòng gen trên đối tượng này Năm 1991, Okubara và cộng sự

đã phân lập được 3 gen được điều khiển với hệ thống phytochrome ở L gibba [45]

Sau đó, Kehoe và cộng sự đã xác định được 2 đoạn trình tự có kích thước khoảng

10 bp quyết định đến sự điều khiển phytochrome của promoter gen Lhcb từ

L gibba [33] Trong những năm gần đây, các nghiên cứu phân lập promoter từ bèo

tấm cũng được thực hiện như các promoter của gen SSU5A, SSU5B, NPR1…[18], [62] Cùng với các nghiên cứu phân lập gen, các nghiên cứu xây dựng quy trình chuyển gen cũng được quan tâm Năm 2001, các nhà nghiên cứu thuộc đại học phía Bắc bang Carolina đã áp dụng thành công phương pháp chuyển gen vào bèo tấm

thông qua Agrobacterium tumefaciens ở giai đoạn nốt sần trước khi tái sinh cánh

L.gibba G3 và L.minor 8744 [63] Họ đã sử dụng quy trình tái sinh của Moon và

Stomp, 1997 Trong báo cáo này, Yamamoto và cộng sự đã xây dựng một quy trình

chuyển gen hiệu quả ở hai loài bèo tấm L gibba (G3) và L minor (8627 và 8744)

và đã tạo ra một dòng bèo chuyển gen từ loài L gibba G3, hai dòng chuyển gen từ

L minor 8627 và một dòng chuyển gen từ L minor 8744 Gen được chuyển là gen

chỉ thị (gen GUS) được điều khiển bởi promoter CaMV35S [65]

Các loài bèo tấm đã được sử dụng làm hệ thống biểu hiện protein tái tổ hợp với nhiều thuận lợi so với các hệ thống biểu hiện gen và nuôi cấy tế bào hiện tại Có tới 12 loại protein đã được biểu hiện thành công trên hệ thống Lemna SystemTM

, gồm các đoạn peptide nhỏ, mảnh Fab (Fabs), các kháng thể đơn dòng (mAbs) và các enzyme đa tiểu phần lớn… Lemna SystemTM

là hệ thống biểu hiện protein tái tổ hợp dựa trên nền tảng các loài bèo tấm thuộc chi Lemna được hãng Biolex phát triển và đăng ký độc quyền tại nhiều nước trên thế giới [27] Quy trình biến nạp vào bèo tấm cũng tương tự như quy trình biến nạp ở các loài thực vật khác, tức là phải tạo vật liệu vô trùng trong ống nghiệm, tạo đầu callus rồi sau đó tái sinh callus đã chuyển gen thành cây hoàn chỉnh Bên cạnh đó, phương pháp chuyển gen nguyên

cây (in planta) cũng được một số tác giả áp dụng trên bèo tấm đã cho thấy khả năng

thu cây chuyển gen bền vững từ phương pháp này [27], [57] Hướng nghiên cứu sử dụng bèo tấm để sản xuất các loại protein tái tổ hợp có nguồn gốc từ vi khuẩn, thực vật, động vật và người ngày càng được xúc tiến mạnh Các hệ thống vector chuyển gen sử dụng các promoter được phân lập từ bèo tấm được đặc biệt chú ý đến Ngoài promoter SSU5B, NPR1, đoạn điều khiển của gen ubiquitin đã được phân lập từ một số loài bèo tấm, bước đầu được sử dụng trong nghiên cứu chuyển gen và chứng minh là có hiệu quả cao[24].

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về bèo tấm còn hết sức hạn chế Các nghiên cứu ban đầu chủ yếu nhằm mục đích sử dụng cho chăn nuôi và mới chỉ dừng lại ở những khảo sát cơ bản nhất về các đặc tính sinh lý, sinh hóa của một số loài bèo đặc hữu có mặt phổ biến ở Việt Nam Tại đại học Nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh, các nhà khoa học đã thử nghiệm bổ sung bèo tấm làm thức ăn cho hơn 200 con gà giống Tàu Vàng, kết quả gà tăng trọng nhanh và chi phí thức ăn giảm 10 -15%/1 kg thịt Tại Đại học Huế, khi bổ sung bèo tấm cho heo cũng thu được kết quả hết sức khả quan với khả năng tăng trọng tăng lên 20 - 30%

Đến những năm đầu thế kỷ 21, khi chương trình Công nghệ Sinh học Nông nghiệp chính thức được nhà nước thông qua, các nghiên cứu chuyển gen vào thực vật mới được khởi dựng Nhiều gen quý có giá trị đã được phân lập từ nguồn tài

nguyên sinh vật Việt Nam để tiến tới ứng dụng tạo sinh vật biến đổi gen Các công trình chuyển gen thường được triển khai sử dụng các vector của nước ngoài với các promoter thông dụng như CaMV35S và NOS promoter [1], [2], [4], [5], [6]

Tại Viện Di truyền Nông nghiệp, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, các nghiên cứu đầu tiên chuyển gen vào bèo tấm đã được thực hiện Bắt đầu từ năm 2006, các loài bèo tấm phổ biến ở Việt Nam đã được thu thập và nghiên cứu Các nghiên cứu về nuôi cấy mô, xây dựng hệ thống tái sinh đã được tiến hành với các

loài: L aquinoctiallis, L minor, S polyhriza, W globosa Năm 2007, Vũ Văn Tiến

và các cộng sự thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ tế bào thực vật, Viện Di truyền nông nghiệp đã bước đầu xây dựng thành công hệ thống tái sinh cây với

loài bèo tấm L aquinoctialis thông qua quá trình nuôi cấy callus với tỷ lệ tái sinh

cao Quá trình thăm dò khả năng chuyển gen vào nguyên cây bèo tấm

L aquinoctialis thông qua A tumefaciens cũng đã được khảo sát [7] Tuy vậy,

nghiên cứu về phân lập gen, nhất là phân lập các loại promoter ở bèo tấm Việt Nam còn chưa được nghiên cứu đến

Đối với mỗi quá trình sản xuất protein tái tổ hợp, yêu cầu tối quan trọng là cần phải có promoter đủ mạnh để điều khiển quá trình biểu hiện Hiện nay đã có nhiều loại promoter được phân lập và sử dụng, trong đó promoter ubiquitin là một đối tượng được quan tâm nghiên cứu do nó có khả năng làm tăng mạnh mẽ quá trình biểu hiện gen từ mức độ phiên mã cho tới dịch mã [41] Bèo tấm là loài sinh vật có tốc độ sinh trưởng nhanh và hơn hết là rất phổ biến ở Việt Nam, do đó việc phân lập promoter từ bèo tấm là một việc làm cần thiết và hứa hẹn nhiều tiềm năng

Chương 2

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên liệu

2.1.1 Nguyên liệu thực vật

Giống bèo tấm Lemna aequinoctialis DB1và Spirodela polyrrhiza DB2 do

Viện Di truyền Nông nghiệp cung cấp Đây là các giống bèo tấm được thu thập tại địa bàn Hà Nội và được định dạng tên loài tại Cộng hòa liên bang Đức Bèo tấm nguyên cây, được nhân lên trong môi trường đặc chủng và nuôi cấy in-vitro

- Enzyme giới hạn , Taq DNA polymerase, T4 ligase, thang DNA chuẩn 1kb,

dNTP, GeneJETTM PCR Cloning Kit: hãng MBI Fermentas (Đức), tinh sạch sản phẩm PCR bằng Wizardkit của hãng Promega

- Vector pCR2.1, vector pJET1.2 và kit tách dòng phân tử của hãng Invitrogen

tuyệt đối và các hóa chất chuyên dụng khác: hãng Merck (CHLB Đức)

- Chủng E coli DH5α lưu giữ tại Phòng Công nghệ ADN ứng dụng

- Thành phần môi trường trong nuôi cấy vi sinh vật (LB lỏng, LB đặc, SOC) các dung dịch dùng trong tách chiết DNA plasmid và sử dụng trong thí nghiệm được giới thiệu ở phụ lục

2.1.3 Thiết bị thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ gen và phòng Công nghệ ADN ứng dụng

Tủ lạnh sâu -200

C, -700C (Sanyo, Nhật Bản); Lò vi sóng (Samsung, Hàn Quốc); Pipetman các loại (Gilson, Pháp); Cân phân tích (Mettler Toledo 10-4

g, Thụy Sĩ); Máy đo pH (Mettler, Thụy Sĩ); Máy ly tâm lạnh cao tốc (Avanti TM 30 Centrifuge Beckman, Mỹ); Máy ly tâm Eppendorf (Eppendorf 5415C, Đức); Máy PCR (MJ Research, Inc., Mỹ); Máy soi DNA (Minitransilluminator BioRad, Mỹ); Máy điện di (PowerPac 300, BioRad, Mỹ); Box cấy; Bể ổn nhiệt; Nồi khử trùng

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp tách chiết DNA tổng số từ thực vật

* Nguyên tắc

Thành tế bào thực vật được phá vỡ bằng các biện pháp cơ học kết hợp với việc sử dụng các chất tẩy rửa mạnh DNA được giải phóng và làm sạch tạp chất nhờ dung dịch phenol - chloroform - isoamyl (25 : 24 : l) DNA được kết tủa trong cồn tuyệt đối ở -200C và thu tủa nhờ ly tâm

* Phương pháp tách chiết DNA tổng số:

Phương pháp tách chiết DNA tổng số sử dụng CTAB và PVP theo Stewart và Vie (1993) [56] Bèo tấm nghiền trong nitơ lỏng Khoảng 1 g mẫu thực vật được chiết trong 5 ml dung dịch đệm có chứa Tris-HCl (pH=8) 0,1 M; NaCl 1,4 M; EDTA (pH=8) 10 mM; 0,1% β-mercaptoethanol, 2% CTAB, 1% PVP và 5 mM ascorbic acid, ủ ở 65oC trong ít nhất 1 giờ Mẫu được sử lý bằng phenol-chloroform và cuối cùng bằng chloroform Lớp trên cùng tách ra tủa bằng một phần mười thể tích Na-acetate 3 M và ba thể tích cồn ở -200C trong 2 giờ Sau đó rửa lại 2 lần bằng cồn 70% Cặn thu được làm khô ở điều kiện chân không và hòa vào 300 µl TE Loại RNA bằng RNase

Phương pháp tách chiết DNA tổng số sử dụng SDS và PVP theo Angelaes và cộng sự (2005) [10], có sự thay đổi trong thành phần dung dịch đệm chiết như sau: NaCl 2 M; Tris-HCl (pH= 8) 0,2 M; EDTA (pH=8) 70 µM; β-mercaptoethanol 0,2 M; PVP 100 mg/2ml dung dịch đệm chiết Sau đó, cho thêm 0,2 ml 20% SDS đối với 1 g mẫu thực vật và ủ ở 65oC trong ít nhất 1 giờ

Phương pháp tách chiết DNA tổng số sử dụng CTAB và PEG theo Zuccarello và cộng sự (2006) [67]: thành phần dung dịch đệm chiết có chứa Tris-

HCl (pH=8) 0,1 M; NaCl 1,4 M; EDTA (pH=8) 0,02 mM; 0.1% β- mercaptoethanol, 2% CTAB và 1% PEG 6000,

* Quy trình

- Nghiền 1 g lá bằng cối chày sứ (cối, chày sứ phải vô trùng và được giữ ở -700C) trong nitơ lỏng cho đến khi thành dạng bột mịn

- Hòa tan mẫu trong 3 ml dung dịch đệm chiết có thành phần: 5 M NaCl;

1 M Tris HCl pH 8,0; 0,5 M EDTA pH 8,0; CTAB 2%, PVP 2%, β - mercaptoethanol 0,1 M, sau đó ủ ở 65o

C trong 60 phút, cứ 5 -10 phút lắc nhẹ một lần hoặc sử dụng thành phần dung dịch chứa PEG 6000: Tris - HCl (pH=8) 0,1 M; NaCl 1,4 M; EDTA (pH=8) 0,02 mM; 0,1% β - mercaptoethanol; 4% CTAB và 2% PEG 6000 sau đó ủ ở 65o

C trong 60 phút, cứ 5 -10 phút lắc nhẹ một lần - Bổ sung 3 ml phenol - chloroform - isoamyl (25 : 24 : 1), lắc nhẹ

- Ly tâm 12.000 v/p trong 40C, 15 phút, tạo thành 3 pha, thu lấy pha trên, chuyển sang ống ly tâm khác

- Bổ sung 3 ml chloroform - isoamyl (24 : 1), lắc nhẹ

- Ly tâm 12.000 v/p trong 40C, 15 phút, thu lấy pha trên, chuyển sang ống epp mới, mỗi ống 300 µl

- Tủa DNA: Cho vào mỗi ống epp 50 μl CH3COONa 3 M, 1 ml ethanol 100% Để ở nhiệt độ -200

C trong vòng 3 giờ

- Sau đó ly tâm 12.000 v/p trong 40C, 15 phút Thu tủa, rửa tủa bằng 700 μl ethanol 70% 2 lần Sấy khô bằng máy hút chân không speed vac, hòa mẫu trong 50 μl nước khử ion vô trùng Sau đó chạy điện di kiểm tra

- Loại RNA: Bổ sung RNase vào mẫu DNA thu được để đạt đến nồng độ

cuối cùng là 100 g/ml, ủ mẫu ở 370C trong 1 giờ

- Chạy điện di kiểm tra 5 l sản phẩm DNA thu được trên gel agarose 0,8%

2.2.2 Phương pháp điện di DNA trên gel agarose [51]

* Nguyên tắc

Nguyên tắc của phương pháp điện di dựa vào đặc tính cấu trúc của các nucleic acid Nucleic acid là các đại phân tử tích điện âm, nên dưới tác động của dòng điện một chiều các đoạn DNA có khối lượng và kích thước khác nhau sẽ di chuyển trong điện trường từ cực âm sang cực dương

* Hóa chất

Agarose 0,8% (Hòa 0,8 g agarose trong 100 ml dung dịch đệm TAE 1X);

Đệm TAE 10mM 1X; EtBr 10 µg/ml; Đệm tra mẫu (glycerol 20%; Tris-HCl 0,1 M, pH 8,0; EDTA 0,01 M, pH 8,0; bromophenol blue 0,25%)

* Quy trình

- Agarose 0,8% được đun sôi, để nhiệt độ hạ xuống khoảng 50 - 600C, đổ dung dịch agarose vào khay gel đã cài sẵn răng lược thích hợp Sau 30 - 60 phút, khi gel đã đông cứng, tháo răng lược, đặt khay gel vào bể điện di Đổ đệm TAE 1X ngập cách mặt gel ~ 2 mm

- Tra mẫu: Mẫu DNA trộn cùng với đệm tra mẫu theo tỷ lệ thích hợp, tra mẫu vào các giếng trên bản gel

- Tiến hành điện di với dòng điện 1 chiều có hiệu điện thế 100 V, cường độ dòng điện 60-80 mA, quan sát sự di chuyển của vệt màu bromophenol blue để ngừng vào thời gian phù hợp (thường sau khoảng 30 phút)

- Nhuộm DNA bằng ethidium bromide (EtBr): Bản gel được lấy ra khỏi khuôn và ngâm vào dung dịch EtBr nồng độ 10 g/ml trong thời gian 20 phút trên máy lắc nhẹ Sau đó rửa sạch bản gel bằng nước cất

- Quan sát và chụp ảnh: Gel được quan sát dưới ánh sáng tử ngoại Quan sát thấy DNA hiện lên dưới dạng các vạch sáng Ảnh điện di được chụp trên máy Bio- Rad với tia UV có bước sóng 320 nm

2.2.3 Nhân gen bằng kỹ thuật PCR

Phản ứng chuỗi polymerase do Mullis và cộng sự sáng chế ra năm 1985 Kỹ

thuật này cho phép nhân nhanh số lượng không hạn chế nguyên bản một đoạn DNA mong muốn từ hệ gen của cơ thể sinh vật Nguyên tắc của kỹ thuật PCR là sử dụng

DNA polymerase chịu nhiệt, ví dụ Taq DNA polymerase được tách chiết từ vi khuẩn Thermus aquaticus để tổng hợp trong ống nghiệm các đoạn DNA mới từ

mạch khuôn trong môi trường có dư các dNTP và cặp mồi đặc hiệu

* Quy trình nhân bản bằng enzyme này bao gồm ba bước được lặp lại nhiều lần, được tiến hành theo Sambrook và Russell (2001) [51]:

- Biến tính DNA từ dạng sợi kép sang dạng sợi đơn bằng cách nâng cao nhiệt độ lên 94 - 950C trong thời gian ngắn

- Tiếp hợp đoạn mồi thông qua hạ nhiệt độ xuống 50-600C Hai đoạn mới là các oligonucleotide dài khoảng 15-30 base sẽ tiếp hợp theo nguyên tắc bổ sung với đoạn DNA tương đồng ở hai đầu của đoạn DNA cần nhân

- Phản ứng polymerase tổng hợp phân tử DNA kéo dài từ đoạn mồi: Để tránh hiện tượng tiếp hợp không đặc thù phản ứng tiếp hợp được thực hiện ở 720

C

Như vậy, sau mỗi chu kỳ phản ứng từ 1 đoạn DNA cần nhân sẽ có 2 đoạn

được tổng hợp, sau n chu kỳ sẽ có 2n

bản sao đoạn DNA mong muốn, chiều dài thực tế của đoạn DNA được nhân bản bằng đúng khoảng cách giữa hai đầu xuất phát của hai đoạn mồi

* Kỹ thuật PCR bao gồm các thành phần sau đây:

- Một đoạn DNA khuôn mẫu

- Hai đoạn mồi đặc hiệu có chiều dài 15 - 30 nucleotide

- Bốn loại deoxyribonucleotide triphosphate (dATP, dTTP, dGTP, dCTP) - DNA polymerase chịu nhiệt

Sau khi phản ứng kết thúc, lấy 8 μl sản phẩm PCR điện di kiểm tra trên gel agarose 0,8%

* Thành phần của phản ứng PCR đối với mẫu bèo tấm L aequinoctialis DB1

- Chu trình nhiệt

950C 950C 550C 720C 720C

4 phút 1 phút 1 phút 1 phút 30chu kỳ 10 phút