2.1. Biến dị kiểu gene
Những nghiên cứu gần đây cho thấy các thí nghiệm nuôi cấy mô hoặc tế bào thường trải qua những thay đổi di truyền (đa bội-polyploidy, lệch bội-aneuploidy, đứt gãy nhiễm sắc thể -chromosomal breakage , khuyết đoạn -deletion, chuyển đo ạn- translocation, khuếch đại gen -gene amplifications , và đột biến -mutations), và những thay đổi này biểu hiện ở mức độ sinh hóa hoặc phân tử.
Như vậy , nuôi cấy mô và tế bào thực vật có khả năng tạo biến dị di truyền tương đối nhanh và không cần phải ứng dụng các kỹ thuật phức tạp khác . Biến dị di truyền trong nuôi cấy mô biểu hiện ở sự thay đổi tính trạng của các cây tái sinh và sau đó truyền sang thế hệ sau bằng phương thức nhân giống hữu t ính (ví dụ : rau diếp , thuốc lá) hoặc dinh dưỡng (ví dụ: mía, khoai tây).
Nhìn chung, các biến dị di truyền, xảy ra với tỷ lệ rất thấp và không có tính thuận nghịch. Gồm 3 loại biến dị chính (Larkin và cộng sự, 1989):
- Các đột biến bộ gene: là các biến đổi về số lượng nhiễm sắc thể như đa bội, dị bội hay thể khảm. Các loài có độ bội thể cao và số lượng nhiễm sắc thể nhiều dễ bị biến dị hơn những loài có mức bội thể thấp và ít nhiễm sắc thể hơn (Creissen và Karp, 1985).
- Các đột biến nhiễm sắc thể: là các biến đổi về cấu trúc nhiễm sắc thể. Các thay đổi này có thể bao gồm các hiện tượng như mất đoạn, đảo đoạn, thêm đoạn, lặp đoạn hay chuyển đoạn và các biến đổi trong quá trình giảm phân.
- Các đột biến gene hay đột biến điểm: là biến đổi ở mức phân tử, gồm sự thay đổi của một cặp base, thay đổi về số lượng bản sao của một trình tự đặc thù, sự thay đổi trong biểu hiện của các nhóm đa gene hay sự thể hiện của các gene nhảy.
2.2. Biến dị kiểu hình
Các biến dị kiểu hình thường liên quan đến sự thay đổi trong quá trình thể hiện của một gene nhất định. Điển hình là các quá trình khuếch đại và methyl hóa gene. Các biến dị kiểu hình thường xuyên xuất hiện ở các cây tái sinh sau nuôi cấy in vitro
Các thay đổi về kiểu hình có thể là tạm thời, không có tính di truyền và có thể phục hồi trạng thái ban đầu. Tuy nhiên, chúng có thể duy trì trong suốt chu kỳ sống của cây tái sinh.
Các ví dụ về biến dị kiểu hình có thể là hiện tượng tăng mạnh mẽ khả năng sinh trưởng của cây tái sinh khi trồng in vivo, hiện tượng ra hoa sớm, bạch tạng, các thay đổi về hình dạng, màu sắc cánh hoa, hình dạng lá và chiều cao cây…
Nhìn chung, nguyên nhân gây ra các biến dị không di truyền này có liên quan đến một vài thay đổi trong quá trình biểu hiện gene (Skirvin và cộng sự, 1994).
2.3. Cơ sở phân tử của biến dị
Các biến dị cũng có thể xuất hiện như là kết quả của những thay đổi tinh vi hơn do các đột biến đơn gen xuất hiện trong nuôi cấy, và các đột biến này biểu hiện rõ ràng không có những thay đổi thuộc nhân (karyological changes).
Các đột biến lặn không phát hiện được trong những cây R 0 (các cây tái sinh in vitro từ các tế bào hoặc mô bất kỳ ), nhưng biểu hiện ở thế hệ R 1 (thế hệ thu được sau khi tự thụ phấn (selfing) của cây R0). Thế hệ F1 phân ly tính trạng quan tâm theo quy luật Mendel với tỷ lệ 3:1. Những phân tích sâu hơn đã xác định bản chất của biến dị . Biến dị dòng soma của các đột biến lặn đơn gen cũng đã được tìm thấy ở ngô ,
Nicotiana sylvestris, lúa và lúa mì.
Trong một số trường hợp đặc biệt, các dòng chỉ thị di truyền (thiếu chlorophyll) đã giúp đánh giá các cây tái sinh từ nuôi cấy tế bào
Những thay đổi trong hệ gen (genome) của tế bào chất cũng được quan sát ở các dòng soma . Ở cây ngô có hai tính trạng thuộc tế bào chất : (a) mẫn cảm với độc tố chiết từ Drechslera maydis nòi T -tác nhân gây bệnh rụi lá (leaf blight) ở giống ngô Southern, và (b) tế bào chất bất dục đực Texas (cms-T). Cả hai tính trạng này được điều khiển bởi mtDNA (DNA ty thể).
Một hướng khác của đột biến đơn gen trong biến dị dòng soma liên quan với các nhân tố gen nhảy (transposable elements). Chourey và Kemble (1982) đã phát hiện sự biến dị như là kết quả của sự xen đoạn của các DNA giống plasmid (plasmid-like DNA) trong hệ gen ty thể của nuôi cấy tế bào ngô cms -s. Những thay đổi cảm ứng bằng gen nhảy được thông báo chi tiết hơn ở các dòng thuốc lá, alfalfa và lúa mì.
Biến dị dòng soma xuất hiện cũng có thể do những thay đổi phân tử gây ra do hiện tượng trao đổi chéo nguyên phân (mitotic crossing over-MCO) ở các cây tái sinh. Hiện tượng này bao gồm hai trường hợp biến dị đối xứng và bất đối xứng . Các đột biến đơn gen bởi MCO có thể hình thành một cơ chế thống nhất các biến dị di truyền mới. Những thay đổi nhỏ trong cấu trúc của cá c nhiễm sắc thể có thể dẫn đến những thay đổi về sự biểu hiện và chuyển giao di truyền (sang thế hệ sau ) của các gen đặc trưng, như là khuyết đoạn (deletion) và nhân đoạn (duplication) của một bản sao (hoặc nhiều bản sao) của một gen, hoặc sự biến đổi gen trong các quá trình sửa chữa . Sự tái tổ hợp về sau , hoặc đứt gãy nhiễm sắc thể ở vùng ưu tiên hoặc các “điểm nóng” di truyền (hot spots) của các nhiễm sắc thể đặc biệt ảnh hưởng đến hệ gen dẫn đến thay đổi biểu hiện phenotype.
Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng những thay đổi trong DNA cơ quan tử, các profiles của protein và isoenzyme liên quan với sự xuất hiện của biến dị dòng soma ở thực vật (lúa mì, lúa, khoai tây, ngô, lúa mạch và lanh). DNA cơ quan tử được tinh sạch tương đối dễ và có chuỗi nucleotide phức tạp . Một số enzyme cắt hạn chế có thể dễ dàng phân biệt giữa các kiểu cytosine -methylation (thay đổi trong các
biến dị dòng soma) bên ngoài và bên trong ở vị trí cắt hạn chế . Các dòng soma của lúa mì có những biến đổi ở mặt bên của gliadin . Ở lúa mạch, các biến dị thường có nguồn gốc từ nuôi cấy callus ; những biến dị có liên quan tới các đoạn spacer 1 của rDNA và các hordein cũng đã được tìm thấy.