III. Các câu hỏi về kiến thức chung
Câu 33: Kỹ thuật di truyền và cây trồng biến đổi gen
Trả lời:
Kỹ thuật di truyền và cây trồng biến đổi gen( Genetic Engineering and GM crop )
Trong vòng 30 năm qua, lĩnh vực kỹ thuật di truyền đã tiến bộ vượt bậc nhờ những hiểu biết sâu sắc hơn về chuỗi DNA, dạng chuỗi xoắn kép hóa học tạo thành gen. Thuật ngữ kỹ thuật di truyền thường có thể thay bằng cơng nghệ gen, biến đổi gen, hay thao tác gen để mơ tả q trình trong đó cấu trúc gen có thể bị thay đổi khi sử dụng “công nghệ gen tái tổ hợp
Q trình địi hỏi sử dụng các cơng cụ trong phịng thí nghiệm để cấy ghép, biến đổi hoặc cắt rời các đoạn DNA có chứa một hoặc nhiều gen mong muốn. Khả năng thao tác trên từng gen riêng biệt và chuyển gen giữa các loài chưa sẵn sàng cho giao phối chéo là đặc điểm phân biệt kỹ thuật di truyền và kỹ thuật cấy giống thực vật truyền thống.
Với kỹ thuật cấy giống thực vật thơng thường, khơng đảm bảo có được một tổ hợp gen cụ thể từ hàng triệu thế hệ giao phối chéo. Vì thế, các gien khơng mong muốn có thể được chuyển sang cùng với gien mong muốn, hoặc chỉ có được một gen mong muốn, các gen khác bị mất vì các gen mong muốn từ đời bố mẹ đã bị trộn lẫn ở đời con. Những vấn đề này giới hạn cải tiến của người cấy giống cây trồng. Ngược lại, kỹ thuật di truyền cho phép chuyển trực tiếp một hoặc một số ít gen, giữa những sinh vật có quan hệ gần gũi hoặc không gần lắm. Không phải kỹ thuật di truyền nào cũng liên quan tới việc ghép DNA từ những sinh vật khác nhau. Cây trồng có thể bị biến đổi bằng cách bỏ hoặc cắt đi những gen nhất định.
Kỹ sƣ di truyền của tự nhiên( Nature’s own engineer)
Chia sẻ DNA giữa những sinh vật sống là một hiện tượng tự nhiên. Hàng nghìn năm qua, gen đã tự chuyển từ sinh vật này qua sinh vật khác. Ví dụ như Agrobacterium tumefaciens, một loại vi khuẩn đất được coi là kỹ sư di truyền của tự nhiên vì có khả năng cấu trúc sự di truyền ở thực vật. Nó gây ra bệnh mụn đầu lá ở một lượng lớn các loại cây lá to như táo, lê, đào, anh đào, hạnh đào, mâm xơi và hoa hồng. Loại bệnh có tên như vậy xuất phát từ một loại mụn giống như bướu thường xảy ra ở đầu lá, trên mặt đất. Về cơ bản, loại vi khuẩn này chuyển một đoạn DNA của mình sang cây trồng, đoạn DNA này nhập vào hệ gen của cây trồng, gây ra sự phát triển của mụn đầu lá cùng với những thay đổi trong quá trình trao đổi chất của cây trồng.
Page | 192 Ứng dụng kỹ thuật di truyền vào sản xuất cây trồng( Appication of genetic engineering in crop production)
Những thao tác của kỹ thuật di truyền chỉ được sử dụng khi tất cả các kỹ thuật khác khơng hiệu quả, ví dụ khi tính trạng mong muốn không xuất hiện trong sinh chất cây trồng, vì thế rất khó cải tiến tính trạng này bằng phương pháp gây giống thực vật thông thường; và mất nhiều thời gian để có được hoặc cải tiến tính trạng bằng phương pháp gây giống thông thường
Phương pháp gây giống cây trồng hiện đại là một quá trình phối hợp và liên ngành, cần kết hợp và sử dụng một số lượng lớn các công cụ và yếu tố như kỹ thuật gây giống thông thường, sinh tin, di truyền phân tử, sinh học phân tử và kỹ thuật di truyền
Phát triển các loại cây trồng trao đổi gen( Development oftransgenic crops)
Mặc dù có rất nhiều thao tác phức tạp khác nhau về kỹ thuật di truyền, nhưng các nguyên tắc cơ bản lại tương đối đơn giản. Tuy nhiên, điều quan trọng cần biết đó là các cơ chế sinh hóa và sinh lý học hoạt động, chi phối biểu hiện gen và độ an toàn khi sử dụng gen và cơng nghệ gen.
Chu trình kỹ thuật gen địi hỏi phải thực hiện thành công 5 bước sau đây:
Bước 1: Chiết xuất axit nucleic (DNA/RNA)
Chiết xuất axit nucleic hay DNA, RNA là bước đầu tiên trong kỹ thuật di truyền. Vì thế cần có những phương pháp đáng tin cậy để cô lập các thành phần từ tế bào. Trong quá trình tách, bước đầu tiên là cơ lập sinh vật mong muốn, có thể là tế bào vi rút, vi khuẩn hoặc tế bào của cây trồng để chiết xuất axit nucleic. Sau một loạt các bước về hóa học và hóa sinh, axit nucleic chiết xuất được có thể làm kết tủa, trở thành những viên nhỏ như sợi có DNA/RNA
Bước 2: Sao bản gen
Bước thứ hai trong chu trình kỹ thuật di truyền là sao bản gen. Dựa trên DNA tách chiết, tất cả DNA từ sinh vật yêu cầu được tách cùng một lần. Qua sao bản gen, có thể tách được gen mong muốn từ phần còn lại của DNA tách chiết, sau đó tái bản hàng loạt ở tế bào chủ, tạo ra hàng nghìn sao bản của gen yêu cầu.
Thường có 4 giai đoạn trong bất kỳ các thí nghiệm sao bản liên quan tới việc sản xuất các đoạn DNA, hợp vào một véctơ, nhân giống ở tế bào chủ, cuối cùng lựa chọn các đoạn theo yêu cầu
Khi đã sao bản được gen yêu cầu, cần liên kết tất cả các đoạn DNA điều khiển để gen yêu cầu có thể hoạt động được ở bên trong hệ gen thực vật. Các đoạn DNA sẽ chi phối (chất hoạt hóa) biểu hiện của gen ghép.Q trình thiết kế và đóng gói gen được thay thế bằng một chất hoạt hóa có sẵn cùng một chất mới, kết hợp với nhân tố ảnh hưởng lựa chọn.
Page | 193 Các chất hoạt hóa cho ra những biểu hiện gen khác nhau. Ví dụ, một vài chất hoạt hóa khiến các gen ghép biểu hiện cùng một lúc, trong khi một số gen khác lại khiến gen thể hiện ở từng giai đoạn phát triển của thực vật, trong từng tế bào thực vật nhất định, hoặc phản ứng với những tác động từ mơi trường bên ngồi. Đồng thời số lượng gen thể hiện cũng bị chất hoạt hóa chi phối. Một số chất hoạt hóa có tác dụng yếu, một số lại có tác động mạnh. Điều khiển biểu hiện gen cũng là một ưu điểm. Các gen có nhân tố ảnh hưởng lựa chọn thường được liên kết với gen yêu cầu để hỗ trợ những thay đổi khi đã ở trong tế bào thực vật. Điều này giúp các tế bào kết hợp thành công với các gen yêu cầu, đồng thời tiết kiệm chi phí và sức lực. Hiện tại, các kỹ sư di truyền sử dụng các gen có nhân tố kháng chất kháng sinh để kiểm tra tế bào thực vật có gen ghép. Những tế bào cịn sót lại lượng kháng sinh cần thêm cho chu kỳ tăng trưởng cho thấy tình hình hiện tại của gen ghép. Có một số lo ngại về về việc sự dụng gen có nhân tố kháng chất kháng sinh sẽ làm tăng khả năng kháng kháng sinh trong động vật và con người, vì thế mã hóa gen kháng những chất kháng sinh không quan trọng cần được lưu ý hơn. Hơn nữa, rất nhiều loại gen có nhân tố ảnh hưởng khác đang được nghiên cứu phát triển.
Khi gen yêu cầu được đóng gói cùng với chất hoạt hóa và gen có nhân tố ảnh hưởng, nó sẽ được ghép vào một cơ thể vi khuẩn để tạo ra nhiều sao bản của gen đóng gói.
Bước 4: Chuyển đổi
Khi đã sẵn sàng, gói gen được đưa vào tế bào thực vật và được điều chỉnh qua một chu trình gọi là biến đổi hoặc ghép gen.
Phương pháp thông dụng nhất sử dụng đưa gói gen vào tế bào thực vật bao gồm chuyển đổi sinh đạo, dùng súng bắn gen hoặc chuyển đổi qua trung gian là vi khuẩn nơng nghiệp. Mục tiêu chính của quá trình chuyển đổi là đưa gen yêu cầu vào nhân tế bào mà không ảnh hưởng đến khả năng sinh tồn của tế bào. Nếu gen đưa vào hoạt động, sản phẩm của gen được tổng hợp, loại cây trồng đó được coi là đã chuyển đổi. Khi gen ghép ổn định, di truyền và thể hiện ở những thế hệ sau, loại cây trồng như vậy gọi là cây trồng có gen chuyển đổi
Bước 5: Gây giống bằng giao phối chéo ngược
Gây giống bằng giao phối chéo ngược là bước cuối cùng trong sản xuất cây trồng biến đổi gen. Quá trình được thực hiện bằng cách cho giao phối chéo những loại cây trồng có gen chuyển đổi sử dụng phương pháp cấy giống thực vật thông thường. Phương pháp này giúp việc tổng hợp những tính trạng mong muốn từ đời cây bố mẹ ưu việt và cây có gen chuyển đổi. Đời con sẽ được cho giao phối chéo ngược với đời cây bố mẹ ưu việt để tạo ra một dịng cao sản có gen chuyển đổi.
Thời gian phát triển loại cây có gen chuyển đổi phụ thuộc vào gen, loại cây trồng, những nguồn có sẵn và luật thơng qua. Thường dao động từ 6-15 năm để có thể đưa vào thị trường loại giống lai có gen chuyển đổi.
Page | 194 Những loại cây trồng có bán trên thị trường được nghiên cứu cải tiến bằng kỹ thuật di truyền
Đã có những bước tiến liên tục tồn cầu trong lĩnh vực canh tác loại cây trồng có gen biến đổi hoặc biến đổi gen từ năm 1996-2003. Gần 68 triệu hécta gieo trồng loại cây trồng gen biến đổi có thị giá cao trong năm 2003 ví dụ như giống đậu nành, ngơ, bơng, canola ít dùng thuốc trừ sâu, hay giống ngô và bông kháng sâu, hoặc giống bí và đu đủ kháng vi rút.
Bằng kỹ thuật di truyền, nhiều tính trạng có thể được kết hợp vào một cơ thể thực vật. Loại cây trồng biến đổi gen với những tính trạng tổng hợp đã có mặt trên thị trường đó là giống ngơ và bơng ít dùng thuốc trừ sâu và kháng sâu.
Những phát kiến mới trong tƣơng lai về kỹ thuật di truyền
Ngày nay, nhiều loại cây trồng biến đổi gien phục vụ cho mục đích thương mại đã làm lợi cho ngành sản xuất cây trồng, tuy nhiên, cịn rất nhiều sản phẩm có gen biến đổi có những đóng góp trực tiếp vào chất lượng lương thực, lợi ích mơi trường, sản xuất dược phẩm, và những loại cây trồng phi lương thực. Ví dụ về những sản phẩm loại này bao gồm: lúa với hàm lượng sắt và ca-rô-ten b cao (một loại vi dưỡng quan trọng để chuyển đổi sang vitamin A trong cơ thể)
chuối có tuổi thọ cao có thể chín cây nhanh hơn và thu hoạch sớm hơn; ngơ có chất lượng cải tiến, cà chua với hàm lượng favonon cao, một loại chất chống oxy hóa cực mạnh, ngơ chịu hạn tốt, ngơ với hàm lượng phốt pho cải tiến, cây trồng chịu asen tốt, hoa rau quả có chứa vắc xin có thể ăn được, cây có chất gỗ thấp dùng để làm giấy.