chuyển gen kháng sâu vào cây trồng:
Từ hơn 30 năm nay con người đã sử dụng vi khuẩn Bacillus thuringiensis làm thuốc trừ sâu vi sinh. Vi khuẩn này sống trong đất và được tìm thấy ở hầu hết các nơi trên thế giới. Trong quá trình tạo bào tử, vi khuẩn này sản xuất ra các protein kết tinh (delta-endotoxin) rất độc với côn trùng nhưng không độc với động vật có xương sống. Tinh thể protein do vi khuẩn tạo ra sau khi xâm nhập vào côn trùng, trong điều kiện pH cao trong ruột giữa sẽ phân giải các tinh thể giải phóng các protein. Vào giai đoạn này protein chưa có hoạt tính độc, nhưng các protease đặc biệt trong dịch ruột phân huỷ protein chỉ còn lại bộ lõi kháng protease có khối lượng phân tử 68000 dalton chứa 1200 acid amin, bộ lõi này hoàn toàn có hoạt tính. Bộ lõi này kết hợp với chất nhận đặc thù ở tế bào biểu mô nằm dọc theo ruột giữa và tự lồng vào màng nguyên sinh của tế bào. Tích tụ các protein này làm cho tế bào bị rò rỉ chất dinh dưỡng và chết. Côn trùng ngừng ăn và chết đói trong vòng 24 tiếng đồng hồ.
Vi khuẩn này có thể sản sinh ra 4 loại độc tố hại côn trùng khác nhau: ngoại độc tố , ,α β γ toxin và nội độc tố δ toxin. Trong đó, nội độc tố δ toxin là quan trọng nhất. Từ năm 1987, các nhà nghiên cứu ở Bỉ đã tách được gen mã hoá protein này (Bt toxin). Các gen này thường định vị trên vi khuẩn plasmit của vi khuẩn và được gọi tên chung là gen ICP (insecticidal crystal protein). Do vi khuẩn Bacillus
thuringiensis là vi khuẩn phức tạp có hơn 30 serotype nên chúng có chứa các gen
ICP khác nhau và tạo nên những độc tố khác nhau. Người ta sử dụng chữ Cry (crystal) để biểu thị cho gen sản xuất toxin diệt côn trùng của vi khuẩn Bacillus
thuringiensis. Người ta phân nhóm gen δ endotoxin thành 6 nhóm chính, ký hiệu từ Cry I đến Cry VI. Trong mỗi nhóm phân thành các nhóm phụ ký hiệu từ A đến G. Mỗi nhóm gen có tác dụng diệt một nhóm côn trùng khác nhau.
Cry I Diệt ấu trùng bộ Cánh vảy (Lepidoptera): sâu cuốn lá, sâu đo, sâu róm, sâu đục gân lá....
Cry II Diệt ấu trùng bộ Cánh vảy (Lepidoptera) và bộ Hai cánh (Diptera): ruồi đục quả...
Cry II Gây độc cho ấu trùng bộ Cánh cứng (Coleoptera): câu cấu, xén tóc đục thân...
Cry IV Gây độc cho ấu trùng bộ Hai cánh (Diptera)
Cry V Diệt ấu trùng bộ Cánh vảy (Lepidoptera) và bộ cánh cứng (Coleoptera)
Cry VI Diệt tuyến trùng
Các gen này được tách, xác định trình tự, tổng hợp, thiết kế vào các vectơ chuyển gen và chuyển vào nhiều loại cây trồng khác nhau, đặc biệt là bông, ngô, đậu tương, lúa... tạo ra các giống cây trồng kháng sâu có ý nghĩa. Các nhà khoa học còn tiếp tục nghiên cứu, cải tiến các gen Cry để nâng cao độc tính của gen bằng cách tinh giảm đoạn gen chuyển vào, chỉ chuyển đoạn mã hoá cho protein gây độc và thay thế các codon cho phù hợp với quá trình phiên mã và dịch mã ở thực vật. Kết quả làm cho tính độc tăng lên nhiều lần.
Gần đây người ta phát hiện các gen vip (vegetative insecticidal protein – các protein sinh dưỡng diệt côn trùng). Các gen vip 1, vip 2, vip 3 mã hoá cho các protein trong pha dinh dưỡng của chu trình phát triển vi khuẩn Bt và Bc (Bacillus
cereus) đã được chiết tách, nhân bản, xác định trình tự và thử hoạt tính sinh học. Kết
quả cho thấy protein do gen vip mã hoá có hoạt lực và phổ tác dụng mạnh hơn các protein do gen Cry mã hoá.
VD: gen vip 3 mã hoá cho protein vip 3 có hoạt tính kháng sâu xám cao gấp 260 lần so với gen Cry IA, có phổ hoạt động rộng diệt được cả sâu xanh hại ngô và sâu hại thuốc lá,
Phối hợp chuyển đồng thời gen Cry và vip vào thực vật có khả năng làm tăng hoạt tính, tăng phổ hoạt động diệt sâu, đồng thời duy trì độ ổn định kháng sâu của cây qua nhiều thế hệ.
Ngoài khuynh hướng kháng sâu bằng gen Cry, còn có hướng chuyển gen mã hoá cho các protein ức chế hoạt động của enzym protease làm hỏng quá trình tiêu hoá của côn trùng. Gen này được tách chiết từ cây khoai môn khổng lồ của vùng nhiệt đới, cây này tạo ra một lượng chất ức chế cao trong củ. Chất ức chế tinh khiết có tác dụng làm giảm khả năng sinh trưởng của sâu non do làm mất hoạt tính của protease nên sâu bị chết đói. Tương tự, gen mã hoá chất ức chế tripsin của đậu bò cũng được chuyển vào cây thuốc lá để phòng trừ sâu hại lá.