II. TỔ CHỨC DẠY HỌC CHUYÊN ĐỀ:
2. Sinh sản bằng công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
2.2. Cơ sở sinh lý của công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
Quá trình phát sinh hình thái các bộ phận của cây được thực hiện trên cơ sở của sự phân chia, phân hoá tế bào. Các sự kiện này được phối hợp, chi phối và điều chỉnh nhờ thông tin định sẵn trong ADN và một phần của các chất điều chỉnh sinh trưởng. Hệ gen chứa thông tin này tiềm tàng và có vai trò quan trọng trong sinh trưởng và phát triển thực vật. Cơ sở sinh lý của công nghệ nuôi cấy mô thực vật dựa vào tính toàn năng và khả năng phân hoá, hình thành các mô và cơ quan phân hoá và mất phân hoá chuyển sang trạng thái phân chia (tế bào mô phân sinh).
- Tính toàn năng (tổng năng – totipotence): Là khả năng của một tế bào hình thành lại một cây hoàn chỉnh
Tất cả sự phức tạp, sai biệt của tất cả các mô và cơ quan đều từ một tế bào chứa thông tin di truyền cho toàn bộ chu kì sống hoàn chỉnh. Điều đó có nghĩa là tất cả tế bào có một bộ ADN hoàn chỉnh. F.C. Steward và cộng sự (1964) đã thành công trong nuôi cây cà rốt từ một tế bào đơn lẻ tách riêng từ nuôi cấy mô sẹo rễ cà rốt. Nó đặt nền tảng cho nuôi cấy mô in vitro (hình 4)
Hình 4. Kĩ thuật nuôi cấy mô libe ở củ cà rốt (Daucus carota)
Các gen không hoạt động trong tất cả các thời kì sinh trưởng và phát triển. Do đó các protein, các enzim khác nhau có mặt trong các trạng thái khác nhau.
Chẳng hạn như một trứng thụ tinh trong túi noãn hay trong túi phôi, nó hô hấp, dùng năng lượng sinh sản ra để tổng hợp tế bào chất và các chấtcủa thành tế bào. Nó chứa một hệ enzim cần thiết. Nó phân chia rất nhanh trong phôi và xuất hiện các cơ quan chuyên biệt (tế bào lá mầm chứa chất dinh dưỡng, các tế bào dẫn, và tiếp theo là tế bào cứng (bảo vệ), tế bào chứa diệp lục, tế bào tiết v.v...). Nó diễn ra các hoạt động và phản ứng hoá học, tổng hợp và phân giải. Các enzin mới xuất hiện cho sự phát triển, phân hoá thành mô này, mô khác, cơ quan này, cơ quan khác, mang những đặc điểm sau đây:
- Bản chất prôtein của của các xúc tác sinh học tập trung sự thành tạo đa dạng vật chất tế bào ở axit nuclêic.
- Nhân của trứng là kho di truyền hoàn chỉnh quy định mọi con đường hoá học diễn ra suốt đời sống của cây: ADN ARN protein enzim chuỗi trao đổi chất (chuỗi chuyển hoá vật chất) sinh trưởng và phát triển.
Tóm tắt lại tính toàn năng của tế bào sinh vật bao gồm một hệ thống các quá trình dẫn đến sự hình thành rễ, thân, lá và cơ quan khác. Các giai đoạn và sự kiên cơ bản của quá trình sinh trưởng và phát triển đó là:
- Mỗi tế bào chứa đựng một bộ thông tin di truyền toàn vẹn, một bộ ADN hoàn chỉnh
- Các gen không cùng hoạt động trong tất cả các giai đoạn sinh trưởng. Cơ chế hoạt động gen thay đổi trong chu kì sống của cây
- Sự tổng hợp protêin, enzim và quá trình chuyển hoá được điều chỉnh do tín hiệu của môi trường
- Các chất điều hoà sinh trưởng (hoocmôn) làm thay đổi chiều hướng của sinh trưởng
- Môi trường sống của cây làm biến đổi đáng kể sự sinh trưởng và phát triển của cây.
- Sự phát sinh một cây từ một trứng, một bào tử hay 1 tế bào nào đó gồm 3 dạng trạng thái cùng tồn tại trong một tổng thể khó phân tách riêng biệt
- Sự phân hoá các dạng tế bào (phân hoá tế bào): xuất hiện các mô khác nhau và một số mô chuyên hoá (lông, lỗ khí ở tế bào biểu bì)
- Xuất hiện các cơ quan mới: rễ, thân, lá, hoa (sự hình thành cơ quanvới đặc điểm giải phẫu hình thái riêng (tỷ lệ gỗ và libe: nguồn gốc sự phân nhánh...)
- Phát triển từng loại cơ quan, từng loại mô (sự phát sinh hình thái) Sự phát sinh hình thái được quan niệm đó là:
+ Sự phân hoá mô và cơ quan
+ Sự hình thành các dạng riêng biệt (nhóm các mô, hình thái cơ quan thuộc các thể, họ, bộ
Tất cả các đặc tính đó được xác định bằng một đặc điểm di truyền, nhưng có sự thay đổi môi trường có ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính đó.
- Vai trò các yếu tố di truyền: Nó điều khiển sự tổng hợp các enzim, các protein. Nó đại diện cho cường độ sinh trưởng của những tiến trình phân hoá.
Gen tạo nên hình mẫu theo không gian ba chiều, số lượng các vật liệu tế bào và giải phóng các gen “kích thước”.
Vai trò nhân đối với sự phát sinh hình thái được chứng minh ở tảo lục đơn bào có kích thước lớn Acetabularia. Tảo này giống như một mũ được nâng đỡ bằng cán và rễ giả phân nhánh. Là tế bào có nhiều nhân nhưng chỉ có một nhân lớn nằm ở rễ giả. Các loại tảo khác nhau bởi hình dạng và kích thước mũ (Acetabularia mediterranea và A.Wettsteni). Khi cắt các mũ và ghép vào phần rễ giả có nhân thì mũ mới sẽ hình thành giống như mũ cũ. Nếu cắt cả mũ, cán và rễ (có một nhân) từ loài này ghép vào tảo loại thứ hai thì mũ mới giống với mũ gốc ghép. Như vậy là nhân điều khiển việc tạo thành mũ mới, chứ không phải là tế bào chất của cán. Do ADN thông tin tồn tại tương đối ngắn nên sự tổng hợp protêin đòi hỏi ARN thông tin mới được tổng hợp mà dùng ADN nhân làm khuôn mẫu để sao chép thông tin. Như vậy sự phân hoá phụ thuộc vào nhân.