Trước hết, chúng ta phải hiểu cơ chế tác động của thuốc trừ cỏ. Thuốc trừ cỏ có thể kìm hãm sinh tổng hợp thực vật, kìm hãm sinh hô hấp, kìm hãm sự chuyển hoá acidnucleic, gây rối loạn phân chia tế bào, kìm hãm sinh tổng hợp lipid, kìm hãm sinh tổng hợp amino acid....
Cơ chế chung của việc chuyển gen kháng thuốc trừ cỏ đó là chuyển vào cây trồng những gen có khả năng sản xuất dư thừa loại protein (enzyme) mẫn cảm với thuốc trừ cỏ, bảo đảm đủ lượng cần thiết cho các chức năng của tế bào khi có mặt của thuốc; hoặc làm giảm khă năng liên kết của protein mẫn cảm với thuốc bằng cách thay đổi cấu trúc protein; hoặc trang bị cho cây khả năng làm mất hoạt tính chuyển hoá của thuốc trừ cỏ.
Sản xuất dư thừa protein (enzyme) mẫn cảm với thuốc trừ cỏ đã được áp dụng với nhiều cây trồng để tăng tính kháng thuốc trừ cỏ, Ví dụ Phosphinothricin (tên thương phẩm là Basta) và bialaphos. Phosphinothricin ức chế enzyme tổng hợp glutamin (glutamin synthaza – GS). Ức chế GS gây ra sự tích luỹ amonia nhanh chóng trong cây làm cho cây chết. Tăng sự tổng hợp GS trong cây lên nhiều lần có thể khắc phục được tác động của thuốc trừ cỏ. De Block (1987) đề xuất một chiến lược liên quan tới một enzyme có khả năng khử độc của thuốc trừ cỏ Bastạ Gen Bar phân lập từ Steptomyces hygroscopicus tham gia vào quá trình sinh tổng hợp
bialaphos và mã hoá enzyme phosphinothricin axetyltranferase (PAT). Enzyme này axetyl hoá nhóm NH2 tự do của phosphinothricin và làm cho cây không bị ngộ độc.
Đột biến của gen protein mục tiêu làm mất khả năng liên kết của thuốc trừ cỏ cũng tăng khả năng kháng hay chịu thuốc trừ cỏ, chẳng hạn như thuốc trừ cỏ
glyphosate, atrazine và sulphonylureạ
2. Ví dụ:
Một số cây trồng chuyển gen kháng thuốc trừ cỏ được trồng trên quy mô lớn: đậu tương, ngô, bông, cải dầu, thuốc lá....
Một số thành tựu trong chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ:
Cây
trồng
Gen ngoại Phương pháp chuyển gen Tính trạng biểu hiện Lúa Bar Chuyển qua protoplast
trong môi trường đệm
PEG
Kháng thuốc trừ cỏ Basta
(phosphinothrricin)
Lúa Bar Bắn gen vào tế bào nuôi cấy dạng huyền phù
Kháng thuốc trừ cỏ Basta
(phosphinothrricin)
Lúa mỳ Bar Bắn gen vào callus đang
hình thành phôị
Kháng thuốc trừ cỏ Basta
Ví dụ về chuyển gen kháng thuốc trừ cỏ Glyphosate và Glufosinate:
Glyphosate và Glufosinate là những loại thuốc diệt cỏ kiểm soát hầu hết các loại cây xanh khác. Hai loại thuốc diệt cỏ này rất hữu hiệu trong việc kiểm soát có dại và ít ảnh hưởng trực tiếp lên vật nuôi cũng như không tồn tại lâu trong đất. Chúng có hiệu quả cao nhất và an toàn nhất trong số những hoá chất dùng trong nông nghiệp. Tuy nhiên chúng vẫn ảnh hưởng xấu tới cây trồng. Những loại thuốc diệt cỏ này nhắm vào một số enzyme chủ yếu trong quá trình trao đổi chất của cây trồng, phá vỡ quá trình sản xuất ra thức ăn cho cây và cuối cùng là tiêu diệt nó.
Cây trồng kháng thuốc diệt cỏ Glyphosate:
Cơ chế hại của thuốc là kìm hãm hoạt động của một enzyme enol pyruvat sikimat phosphat synthetase (EPSPS), biến đổi sản phẩm quang hợp thành acid mạch vòng sikimic. Khi acid này không hình thành sẽ gây rối loạn toàn bộ quá trình trao đổi chất ở thực vật, dẫn đến cây chết. Người ta tìm ra gen mã hoá EPSPS từ vi sinh vật hoặc từ một số thực vật có hoạt tính rất cao, sau đó cải biến chúng và chuyển nạp cho cây trồng. Kết quả tạo ra cây có hàm lượng hoạt tính của enzyme EPSPS cao hơn gấp 4 lần so với cây bình thường và hoàn toàn chống chịu được với thuốc Glyphosatẹ Ngoài ra, người ta còn có thể đưa vào cây trồng một gen của vi sinh vật khác tạo ra enzyme làm suy biến Glyphosatẹ
Cây trồng kháng thuốc Glufosinate:
Thuốc diệt cỏ Glufosinate chứa thành phần kích hoạt phosphinothrcin tiêu diệt thực vật bằng cách phong toả enzyme chịu trách nhiệm trong quá trình chuyển hoá nitơ và giải phóng chất độc amoniac, một dẫn xuất của quá trình chuyển hoá của thực vật. Cây trồng biến đổi gen chịu được Glufosinate có chứa một gen của vi khuẩn tạo ra loại enzyme giải phóng chất phosphinothrcin và ngăn chặn chúng không bị phá huỷ.