Những đặc tính nổi trội của cây chuyển gen trong nâng cao chất lượng sản phẩm

Nâng cao chất lượng sản phẩm

- Thứ nhất là thay đổi tỷ lệ acid béo bão hòa và chưa bão hòa, thứ hai là tạo ra những acid béo có mạch carbon dài, chưa bão hòa, vì chúng được coi là thực phẩm có giá trị. Ví dụ: một gen từ Umbellularia californica mã hóa cho enzyme thioesterase được đưa vào cây cải dầu, đã tăng hàm lượng lauric acid (CH3(CH2)10COO-), thuận lợi cho việc sản xuất bơ. Đặc biệt trong thức ăn gia súc chủ yếu là đậu tương và ngô, phải bổ sung các amino acid được sản xuất bằng phương pháp lên men như lysine, methionine, threonine và tryptophan.

Trong tương lai không cần thiết phải bổ sung các amino acid này theo cách như vậy mà tạo dòng các gen ở cây đậu tương hoặc ngô mã hóa cho protein giàu những amino acid này. Một trong những thành công đầu tiên là tạo dòng ngô đột biến có cân bằng amino acid tốt hơn (hàm lượng protein cao hơn) có tên là Opaquez, có hàm lượng lysine cao hơn (tăng 32% so với đối chứng). Thế hệ con sinh ra nhờ lai hai loại cây trên biểu hiện được một kháng thể hoạt động gồm hai loại mạch với hàm lượng cao (chiếm 1,3% protein hòa tan tổng số của lá) và có tất cả các đặc tính của một kháng thể đơn dòng sản sinh từ hybridoma.

Gần đây đã thành công ở cây lúa biến đổi gen, có đủ hàm lượng -carotene (trong cơ thể người nó được biến đổi dễ dàng thành vitamin A) và hàm lượng Fe hấp thu được cũng cao hơn. Tuy nhiên, những hạt không nảy mầm hoặc động vật trong hệ thống tiêu hóa không có phytase hoạt động ở mức độ đáng kể thì động vật phải sử dụng phosphate rất nghèo trong hạt. Người ta cũng tìm thấy hai gen từ thực vật, một gen làm tăng sự tích lũy Fe trong gạo (ferritin) và gen khác tăng sự hấp thu Fe (protein giàu cystein, tương tự metallothionine) trong cơ thể người.

Gần đây, các nhà khoa học đã phân lập được gen mã hóa cho enzyme xúc tác phản ứng methyl hóa này ở trong mô thực vật, sau đó đã gắn gen với promoter đặc hiệu ở hạt và đưa vào cây thử nghiệm (test-plant).

Những ứng dụng mới của cây trồng-nguồn nguyên liệu và cải tạo đất

Khi người ta chuyển 3 gen mã hóa cho poly (3HB) có nguồn gốc từ Ralstonia eutropha vào lạp thể của Arabidopsis thaliana thì thu được cây phát triển bình thường và sản sinh ra poly (3HB) và chất này đạt đến 14% khối lượng khô. Ở Arabidopsis thaliana và cây cải dầu, chất trung gian để tổng hợp chất béo và amino acid được biến đổi để tổng hợp plastic có hiệu quả hơn. Việc sản xuất protein trong thực vật dễ dàng, nhưng làm sạch protein từ mô thực vật khá khó khăn và trước hết là giá thành cao.

Tiếp theo protein tạo thành có một hệ thống tín hiệu, đảm bảo cho nó được vận chuyển vào một vị trí xác định trong tế bào. Protein đi vào mạng lưới nội chất (ER) có thể được thải ra bên ngoài và chỉ ở vùng rễ, vì promoter chỉ đặc hiệu cho vùng này. Tiếp theo, người ta đã chuyển một gen vi khuẩn mã hóa cho enzyme phân giải thủy ngân Hg-reductase vào cây họ hàng với mộc lan.

Với hệ thống rễ một số loại thực vật có thể hút các kim loại và tích lũy trong các phần trên mặt đất của nó, những phần này sau đó được loại trừ dễ dàng. Một phương thức để nâng cao các quá trình tự nhiên là tăng cường hô hấp của cây, vì kim loại nặng cùng với dòng nước đi lên các bộ phận trên mặt đất.

Cây dược liệu

Trong tiến trình lịch sử con người đã sử dụng khoảng 13.000 loài thực vật dược liệu và ngày nay nhiều sản phẩm thực vật còn đóng một vai trò quan trọng trong y học. Một số gen mã hóa cho enzyme tổng hợp alkaloid đã được biết và đã tạo dòng đạt được kết quả đầu tiên, ví dụ ở cây cà diên (Atropa belladonna) enzyme hyoscyamin-6 -hydroxylase biểu hiện đã biến đổi hyoscyamin (tương ứng atropin) thành scopolamin. Tuy nhiên, điều quan trọng là những hiểu biết về gen và enzyme tổng hợp các alkaloid khác phải được giải thích trước hết bằng những nghiên cứu cơ bản.

Trước đây bệnh đậu mùa, bệnh lao, hoặc bệnh bại liệt là mối nguy hại lớn, ngày nay nhờ các biện pháp phòng ngừa và đặc biệt nhờ tiêm chủng mà ít nhất là ở các nước công nghiệp các bệnh này không còn nữa, tuy nhiên ở các nước đang phát triển vẫn còn là vấn đề. Một glycoprotein của virus gây bệnh chó dại được biểu hiện ở lượng nhỏ trong cây cà chua và trong thử nghiệm đã tìm thấy được một kháng thể đơn dòng. Ưu điểm lớn nhất của hệ thống biểu hiện thực vật so với vi khuẩn về sản xuất kháng thể là ở khả năng kết hợp và hình thành cấu hình chính xác của protein phức tạp.

Tuy nhiên trong mạng lưới nội chất của thực vật và động vật có vú cơ chế kết hợp và hình thành cấu trúc được duy trì, đảm bảo cho protein có chức năng chính xác. Gần đây, người ta đã thu được kháng thể hoàn chỉnh, như kháng thể chống lại virus type 2 Herpes-simplex, một kháng thể của Adenocarcinome ở người và một kháng thể của protein kết dính Streptococus mutants.

Thực vật biến đổi gen

Quá trình sinh tổng hợp flavonoid được tổng quát như sau: Bước đầu tiên tổng hợp flavonoid được xúc tác bởi enzyme chalcon-synthase (CHS) và tạo nên 4, 2’,4’,6’-tetrahydroxychalcon (Hình 2.9), chất này tiếp tục được biến đổi thành naringenin nhờ enzyme chalcon-isomerase (CHI). Chúng là những enzyme quan trọng trong việc xác định màu hoa, vì chúng xúc tác cho sự hydroxyl hóa khác nhau của dihydrokaempferol và cuối cùng tạo nên anthocyanidine, chất này được thay đổi bằng cách gắn thêm đường (Glc) hoặc các nhóm thơm (Caf). Cây dã yên thảo biến đổi gen có màu đỏ hồng (cây bình thường không có màu này), được đưa ra từ Viện Max-Planck ở Koeln cho nghiên cứu lai tạo là do can thiệp vào sự tổng hợp flavonoid.

Khi người ta đã chuyển gen mã hóa chalcone synthase (CHS), một enzyme chủ yếu trong quá trình tổng hợp các sắc tố anthocyanin, vào cây dã yên thảo thì thu nhận được những cây có hoa màu trắng hoặc đỏ. Nguyên nhân là do gen CHS sau khi được biến nạp đã gắn vào một vị trí bất kỳ trên bộ gen của cây sẽ gây ra hiện tượng “đồng loại bỏ” (co-suppression), ức chế sự biểu hiện của gen CHS nội bào dẫn đến sự hình thành các màu mới. Công ty Florigen và Suntory đã phát triển hoa cẩm chướng chuyển gen (Moondust TM) màu xanh mà cho đến nay không thể tạo ra được bằng phương pháp lai tạo truyền thống.

Nhờ sản phẩm gen A1 là dihydroflavanol reductase (DFR) mà dihydrokaempferol được khử thành leukopelargonidin, chất này sau đó được biến đổi thành sắc tố pelargonidin màu hồng đỏ nhờ các enzyme trong cây. Ở các tế bào chỉ có gen A biểu hiện thì xuất hiện đài hoa, gen A và B cùng biểu hiện thì xuất hiện cánh hoa, gen B và C cùng biểu hiện thì xuất hiện nhị hoa, chỉ có gen C biểu hiện thì xuất hiện nhụy hoa.

Bất dục đực nhân tạo để sản xuất hạt lai

Đối với các cây trồng cho mục đích thương mại, điều cần thiết là cây thế hệ sau của các cây bất dục đực là cây hữu dục, thì quả và hạt mới được tạo thành. Trong thế hệ sau của phép lai ở thực vật với sự biểu hiện đặc hiệu tapetum của Barnase và Barsta xuất hiện cây hữu dục, vì protein Bastar tạo một phức chất với Barnase và Barnase sau đó bất hoạt (Hình 2.12). Bên trái: Cây trong đó gen mã hóa cho Barnase được biến nạp dưới sự điều khiển của promoter đặc hiệu tapetum, là bất dục vì Barnase phân giải RNA trong tế bào tapetum, làm cho tế bào này chết.

Promoter đặc hiệu tapetum được điều khiển chính xác trong nhiều thực vật một và hai lá mầm và vì vậy hệ thống này được ứng dụng trong nhiều loại cây trồng như củ cải dầu, cà chua hoặc ngô. Người ta phun N-acetyl-L- phosphinothricin vào thời điểm cây nở hoa, hợp chất này không độc và được biến đổi thành L-phosphinothricin, một glufosinate ở trong các tế bào tapetum đã làm chết các tế bào này. Ở nước ta, bằng phương pháp nuôi cấy bao phấn kết hợp với chỉ thị phân tử bước đầu thành công trong việc quy tụ gen tạo vật liệu bố mẹ phục vụ cho công tác tạo giống lúa lai.

Trong những năm qua, các nhà khoa học ở Việt nam cũng đã nghiên cứu chuyển gen vào một số cây trồng và thu được một số thành công bước đầu. Bằng phương pháp biến nạp qua Agrobacterium đã thu nhận được cây thuốc lá mang gen nptII và gus, cây đậu xanh mang gen bar, gus và gen kháng sâu CryIA(c), hai giống lúa DT10 và DT13 kháng thuốc diệt cỏ, kháng bệnh khô vằn, lúa VL 902 kháng bệnh bạc lá, lúa kháng rầy chứa gen GNA, lúa chuyển gen tạo -caroten, ngô và bông chứa gen Bt, đậu tương.