1. Một số nguyên tắc sinh học
Thực vật được chuyển gen chứa đoạn DNA lạ trong bộ gen.Gen ngoại lai này phải được truyền lại cho tất cả mọi tế bào, kể cả các tế bào sinh sản.
Nếu dòng tế bào sinh sản bị biến đổi, các tính trạng bị biến đổi này sẽ được truyền cho các thế hệ kế tiếp thông qua sinh sản .
Nếu chỉ có dòng tế bào sinh dưỡng bị biến đổi, chỉ có cơ thể mang các tế bào sinh dưỡng đó bị ảnh hưởng và không di truyền lại cho thế hệ sau.
Việc chuyển gen ngoại lai vào động vật (thực vật) chỉ thành công khi các gen này di truyền lại cho thế hệ sau.
Khi đặt ra mục đích và thực hiện thí nghiệm chuyển gen cần chú ý một số vấn đề sinh học ảnh hưởng đến quá trình chuyển gen như sau:
- Không phải toàn bộ tế bào đều thể hiện tính toàn năng (totipotency). - Các cây khác nhau có phản ứng không giống nhau với sự xâm nhập của một gen ngoại lai.
- Cây biến nạp chỉ có thể tái sinh từ các tế bào có khả năng tái sinh và khả năng thu nhận gen biến nạp vào genome.
- Mô thực vật là hỗn hợp các quần thể tế bào có khả năng khác nhau. Cần xem xét một số vấn đề như: chỉ có một số ít tế bào có khả năng biến nạp và tái sinh cây. Ở các tế bào khác có hai trường hợp có thể xảy ra: một số tế bào nếu được tạo điều kiện phù hợp thì trở nên có khả năng, một số khác hoàn toàn không có khả năng biến nạp và tái sinh cây.
- Thành phần của các quần thể tế bào được xác định bởi loài, kiểu gen, từng cơ quan, từng giai đoạn phát triển của mô và cơ quan.
- Thành tế bào ngăn cản sự xâm nhập của DNA ngoại lai. Vì thế, cho đến nay chỉ có thể chuyển gen vào tế bào có thành cellulose thông qua Agrobacterium, virus và bắn gen hoặc phải phá bỏ thành tế bào để chuyển gen bằng phương pháp xung điện, siêu âm và vi tiêm.
- Khả năng xâm nhập ổn định của gen vào genome không tỷ lệ với sự biểu hiện tạm thời của gen.
- Các DNA (trừ virus) khi xâm nhập vào genome của tế bào vật chủ chưa đảm bảo là đã liên kết ổn định với genome.
GVHD : Cô Lê Thị Thủy Tiên. 19
- Các DNA (trừ virus) không chuyển từ tế bào này sang tế bào kia, nó chỉ ở nơi mà nó được đưa vào.
- Trong khi đó, DNA của virus khi xâm nhập vào genom cây chủ lại không liên kết với genome mà chuyển từ tế bào này sang tế bào khác ngoại trừ mô phân sinh (meristem).
2. Phản ứng của tế bào với quá trình chuyển gen
Mục đích chính của chuyển gen là đưa một đoạn DNA ngoại lai vào genome của tế bào vật chủ có khả năng tái sinh cây và biểu hiện ổn định tính trạng mới. Nếu quá trình biến nạp xảy ra mà tế bào không tái sinh được thành cây, hoặc sự tái sinh diễn ra mà không kèm theo sự biến nạp thì thí nghiệm biến nạp chưa thành công.
Ở rất nhiều loài thực vật, điều khó khăn là phải xác định cho được kiểu tế bào nào trong cây có khả năng tiếp nhận sự biến nạp. Hạt phấn hay tế bào noãn sau khi được biến nạp có thể được dùng để tạo ra cây biến nạp hoàn toàn, thông qua quá trình thụ tinh bình thường.
Từ nhiều thập kỷ qua người ta đã biết rằng, tính toàn thể của tế bào thực vật đã tạo điều kiện cho sự tái sinh cây hoàn chỉnh in vitro qua quá trình phát sinh cơ quan (hình thành chồi) hay phát sinh phôi. Các chồi bất định hay phôi được hình thành từ các tế bào đơn được hoạt hóa là những bộ phận dễ dàng tiếp nhận sự biến nạp và có khả năng cho những cây biến nạp hoàn chỉnh (không có tính khảm).
3. Các bước cơ bản của chuyển gen
Từ khi người ta khám phá ra rằng các thí nghiệm chuyển gen có thể thực hiện nhờ một loại vi khuẩn đất Agrobacterium tumefaciens, thì các nhà khoa học tin rằng
Agrobacterium có thể chuyển gen vào tất cả các cây trồng. Nhưng sau đó kết quả thực tế cho thấy chuyển gen bằng Agrobacterium không thể thực hiện được trên cây ngũ cốc (một lá mầm) vì thế hàng loạt kỹ thuật chuyển gen khác đã được phát triển đó là các kỹ thuật chuyển gen trực tiếp như bắn gen bằng vi đạn (bombardement/gene gun), vi tiêm (microinjection), xung điện (electroporation), silicon carbide, điện di (electrophoresis), siêu âm (ultrasonic), chuyển gen qua ống phấn (pollen tube)... Đến nay, nhờ cải tiến các vector chuyển gen nên kỹ thuật chuyển bằng A. tumefaciens đã thành công cả ở cây ngũ cốc đặc biệt là lúa. Kỹ thuật này trở nên một kỹ thuật đầy triển vọng đối với cây chuyển gen ở thực vật.
Quá trình chuyển gen được thực hiện qua các bước sau : - Xác định gen liên quan đến tính trạng cần quan tâm.
GVHD : Cô Lê Thị Thủy Tiên. 20
- Phân lập gen (PCR hoặc sàng lọc từ thư viện cDNA hoặc từ thư viện genomic DNA).
- Gắn gen vào vector biểu hiện (expression vector) để biến nạp. - Biến nạp vào E. coli.
- Tách chiết DNA plasmid.
- Biến nạp vào mô hoặc tế bào thực vật bằng một trong các phương pháp khác nhau đã kể trên.
- Chọn lọc các thể biến nạp trên môi trường chọn lọc. - Tái sinh cây biến nạp.
- Phân tích để xác nhận cá thể chuyển gen (PCR hoặc Southern blot) và đánh giá mức độ biểu hiện của chúng (Northern blot, Western blot, ELISA hoặc các thử nghiệm in vivo khác...).
Nguyên liệu để thực hiện sự biến nạp là các tế bào thực vật riêng lẽ, các mô hoặc cây hoàn chỉnh.
Cản trở lớn nhất của sự tiếp nhận DNA ở phần lớn sinh vật là thành tế bào. Muốn làm mất thành tế bào thực vật người ta thường sử dụng enzyme và dưới những điều kiện thích hợp người ta có thể tạo ra tế bào trần, tế bào trần tiếp nhận DNA nói chung dễ dàng. Chẳng hạn sử dụng phương pháp xung điện, ở đây tế bào được đặt ở trong một xung điện ngắn, xung điện này có thể làm xuất hiện những lỗ tạm thời ở trên màng tế bào, những phân tử DNA có thể đi vào bên trong tế bào. Sau khi biến nạp người ta tách những enzyme phân giải và để cho tế bào phát triển, thành tế bào mới được tạo nên. Các tế bào biến nạp này được nuôi cấy trên các môi trường nhân tạo thích hợp cùng với các chất kích thích sinh trưởng để tạo nên cây hoàn chỉnh. Sau đó bằng các phương pháp phân tích genome như PCR, Southern blot, Northern blot được thực hiện để tìm ra chính xác những cây biến đổi gen.
Bên cạnh các phương pháp biến nạp Agrobacterium hoặc xung điện, hiện nay có hai phương pháp khác cũng thường được sử dụng để đưa DNA vào trong tế bào. Phương pháp thứ nhất là vi tiêm: với một cái pipet rất nhỏ người ta có thể đưa các phân tử DNA trực tiếp vào nhân tế bào mà người ta muốn biến nạp. Phương pháp này đầu tiên chỉ được sử dụng ở tế bào động vật, nhưng sau này người ta đã sử dụng cho tế bào thực vật. Phương pháp thứ hai là bắn vào tế bào các vi đạn (microprojectile), thường bằng vàng hoặc wolfram, được bao bọc bởi DNA. Phương pháp này được gọi là phi sinh học và được sử dụng thành công ở nhiều loại tế bào khác nhau.
GVHD : Cô Lê Thị Thủy Tiên. 21