Công nghệ Sinh học phục vụ nông lâm ngư nghiệp

Nội dung text: Công nghệ Sinh học phục vụ nông lâm ngư nghiệp

1. 21 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung * Điều kiện vô trùng phải nghiêm ngặt, kể từ khi chuẩn bị môi trường đến khi xử lí mô. Vì vậy, phải có buồng cấy vô trùng và tủ cấy Laminaire, cũng như các thao tác dụng cụ đều phải tuân theo nguyên tắc vô trùng triệt để. * Chọn lựa mô phải có đủ điều kiện để phát triển mạnh và phải có đủ khả năng để tạo thành callus trong môi trường chứa chất dinh dưỡng thích hợp. Thường người ta chọn mô phân sinh ngọn hay chồi nách. * Điều kiện xử lí mô phải thích hợp. Tuy các mô trên cùng một cây cùng một lượng thông tin di truyền như nhau nhưng cho các callus phát triển hoàn toàn khác nhau trong khả năng tái sinh chồi, phát triển rễ hay thành cây hoàn chỉnh. Đó là do xử lí chất điều hòa sinh trưởng (ĐHST) khác nhau, xử lí nhiệt độ và ánh sáng khác nhau. Phương pháp nuôi cấy mô và tế bào thực vật là phương pháp nhân giống lí tưởng không chỉ do đòi hỏi ít diện tích, nhanh, mà còn giữ nguyên được tính ưu việt của giống cây ban đầu. Nhân giống và nhân dòng vô tính có ý nghĩa đặc biệt đối với cây nhiệt đới vì chúng có độ dị hợp cao, thường nhiễm nhiều loại virus. Các cây trồng sau đều có thể đưa vào nhân giống vô tính in vitro với mục tiêu thương mại hóa trên qui mô lớn: Atiso, măng tây, củ cải đường, tỏi, gừng, khoai tây, Raspberry, dâu tây, mía đường, khoai lang, khoai nước, dứa dại, hạnh nhân, táo tây, chuối, cam, chanh, dừa, anh đào, kiwi, cọ dầu, đu đủ, lê, dứa, chuối bột, nho, hạt dẻ, tre, lim, bạch đàn, vả, cẩm chướng, cúc, Iris, Gerbera, huệ, lan, Pelagonium, đỗ quyên, hoa hồng, Một số cây đang được tái sinh trong phòng thí nghiệm: cây bơ, ca cao, cà phê, Jojoba, cao su, chà là, thuốc lá, cà rốt, Endive, cải dầu, ngô, đậu, củ từ, đậu nành, (theo tài liệu Zimmerman, 1986; Ketchum, 1987; Picrik, 1987). Ỏ Trung Mĩ và Nam Mĩ, kĩ thuật nuôi cấy mô được áp dụng nhằm tạo giống cây sạch bệnh và nhân giống vô tính cây cọ dầu (Brazil, Colombia, Costa Rica, Cộng hòa Dominique), cam, chanh, khoai tây, dâu tây (Brazil), cà phê (Costa Rica và Mexico). Nhiều công ti tư nhân cũng đã dùng kĩ thuật này để tăng sản lượng cọ dầu (Costa Rica, Cộng hòa Dominique), chuối (Honduras), lan (Brazil) cẩm chướng, cúc, dứa cảnh (Colombia, Costa Rica). Năm 1987, Ở khoa Sinh học Đại học Maranhão đã thành lập một phòng thí nghiệm cấy mô để thực hiện chương trình chọn giống các cây ăn quả nhiệt đới: dừa hột, và các cây gỗ cung cấp lương thực khác. Các công ti tư nhân Brazil Biomatris S.A. (Rio de Janeo) là chi nhánh của công ti giống khổng lồ AGROCERES đang tham gia vào các nghiên cứu triển khai việc nhân giống in vitro khoai tây, cây ăn quả ôn đới
2. 22 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung và nhiệt đới, cây cảnh. Công ti trải rộng trên toàn lãnh thổ Brazil và sản lượng hàng năm của nó tới 2,4 triệu cây giống (Biotechnologia Fundacão). Ở Việt Nam, Trung tâm Thực nghiệm Sinh học tại thành phố Hồ Chí Minh (1979-1980) cũng đã nhân giống vô tính in vitro giống khoai tây để phục vụ cho các hợp tác xã sản xuất ở thành phố Đà Lạt. Ở Viện Khoa học Việt Nam ở Hà Nội (nay là Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) cũng đã thí nghiệm nhân giống vô tính in vitro các cây khoai tây, cà, lúa, thuốc lá từ năm 1974-1975. Cho đến nay, ở đây cũng đã nhân nhiều giống cây trồng như mía, ngô, dứa sợi, lúa, thuốc lá, có khả năng chống chịu để phục vụ cho việc trồng trọt ở địa bàn miền Bắc. Ở Đại học Nông nghiệp I, viện Di truyền Nông nghiệp TW, cũng bằng nhân giống vô tính và kĩ thuật dung hợp protoplast tạo ra nhiều giống cây trồng phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Việc nhân giống và khai thác cây chịu hạn (serophyte) đã mang lại nhiều mối lợi cho các nước ĐPT ở vùng khô hạn hoặc bán khô hạn. Trong số 350.000 loài thực vật được các nhà thực vật học mô tả, con người mới chỉ thử trồng khoảng 3.000 loài làm lương thực, lấy sợi, làm thuốc hoặc thu nguyên liệu. Chỉ có khoảng 100 loài được trồng diện rộng và 90% lương thực của loài người do khoảng 10 loài cung cấp, trong đó không có loài nào thuộc cây chịu hạn. Vì vậy, cần thiết phải tìm ra các loài cây chịu hạn có khả năng cho sản phẩm dồi dào ở các vùng khô hạn chiếm hơn 1/3 diện tích của quả đất. Các nguồn nước tưới ngày nay đang trở thành một nhân tố hạn chế trong sự phát triển của nông nghiệp. Vì vậy, tìm cây chịu hạn có ý nghĩa quan trọng trong sản xuất. Năm 1960, Viện Nghiên cứu ứng dụng, Đại học Ben. Gurion ở Negev, Israel đã được thành lập với mục đích du nhập và phát triển các cây thích nghi với điều kiện khô hạn và bán khô hạn. Lúc đầu viện thực hiện cái gọi là “nông nghiệp sa mạc” nghĩa là du nhập và phát triển những cây từ vùng khô cằn, các loài sử dụng rất ít nước mưa (lượng mưa dưới 200 mm), chỉ cần bổ sung nước tối thiểu. Sau đó, các nhà khoa học Israel chuyển sang “làm nông nghiệp trên sa mạc”, nghĩa là làm cho những người định cư trên vùng khô cằn có thu nhập cao để đủ cho họ có mức sống khá. Người ta đã đưa vào sử dụng việc tưới nước lợ hay mặn (nước này có ở vùng sa mạc Negev). Viện Rodolph và Rhoda Boyko (Viện Nghiên cứu Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng) của Israel đã tiến hành nhiều chương trình nghiên cứu nhằm áp dụng các tiến bộ nông học và CNSH vào vùng sa mạc Negev và các vùng khô hạn nói chung (chương trình có sự tham gia của Israel, Mĩ, Ai Cập, Hà Lan, Cộng hòa Liên bang Đức) theo tài liệu của Raz, 1987). Người ta đã trồng những cây chịu hạn nhiều năm trong đó có cây cao và
3. 23 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung cây bụi Atriplex mummularia (Saltbusch) Atriplex canescens và Cassia sturtii) đã cho các kết quả đặc biệt tốt. Qua nghiên cứu so sánh 120 loài cây chịu hạn thì Atriplex nummularia, Atriplex barclayama và Atriplex lentiformis là cây chịu mặn cho năng suất cao và dùng làm thức ăn gia súc. Cây Distchlis spicata (cỏ chịu mặn) cũng có thể sống trong điều kiện cực khô hoặc mặn dùng phủ xanh và cải thiện ô nhiễm vùng Texcoco (Mexico). Cây Jojoba (Simmondsia chinensis) là loại cây bụi có lá thường xuyên thuộc họ Buxaceae (cao đến 5 m) tìm thấy ở tây bắc Mexico trong sa mạc Sonora và cả ở vùng khô cằn bang California và Arizona của Mĩ (có thể mọc ở sa mạc có lượng nước mưa 75 mm vẫn cho quả tuy cây có thấp). Cây Jojoba có bộ lá dày, thô, chịu nhiệt độ 50oC nhờ bộ rễ ăn sâu 30 m. Từ xa xưa, dầu Jojoba dùng bôi tóc và xử lí da súc vật (thổ dân Apaches sử dụng). Hạt Jojoba (bằng hạt Lạc) chứa một loại sáp lỏng chiếm 30-60% màu hơi vàng, có mùi, thành phần không chứa glyceride mà chứa một hỗn hợp các rượu và ester của các acid béo mạch dài từ 20- 22 nguyên tử C. Dầu Jojoba thay thế dầu cá voi dùng bôi trơn trục chuyền thủy lực và hộp số xe đua ở áp suất và nhiệt độ cao, dùng trong công nghiệp da, công nghiệp mĩ phẩm, công nghiệp dược, chất chống bọt lên men vi sinh vật, sáp bóng phủ các loại giấy carbon đặc biệt. Khô dầu chứa dầu dư và khoảng 30% protein, xơ, tannin và các chất khác. Cây Guayule (Parthenium argentatum) là cây lấy nhựa mủ tự nhiên làm cao su. Cây Crambe (Crambe abyssinia) thuộc họ Thập tự Cruciferae chứa một lượng lớn acid erucic có thể thay thế cải dầu. Cây bí trâu Cucurbita foetidissima (Buffalo gourd) có hạt giàu dầu và protein, rễ chứa nhiều tinh bột. Sau 4-5 năm sinh trưởng, thân, lá, rễ đã nặng 40 kg trong đó có 20% là tinh bột, chi Grindelia gồm nhiều loài dùng làm nhựa dẻo. Cây Ocnothera spp. là cây làm thuốc, hạt có nhiều acid γ-linoleic được dùng như chất bổ sung dinh dưỡng và làm mĩ phẩm. Những cây đã nêu trên, người ta dùng CNSH nuôi cấy mô và tế bào để nhân giống và trồng ở qui mô rộng, vừa chịu hạn, chịu mặn, chịu nóng, chịu nghèo dinh dưỡng mà đạt năng suất cao và dùng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, phục vụ cho đời sống. Đối với cây rừng, xuất khẩu gỗ giữ vai trò quan trọng đối với các nước ĐPT. Theo số liệu thống kê của bộ Nông nghiệp Pháp: năm 1984-85, mậu dịch gỗ nhiệt đới là 35.236 triệu m3 trong đó châu Phi: 35%, châu Á: 60%, Trung và Nam Mĩ: 5%.
4. 24 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Nhân giống vô tính in vitro các cây rừng lấy gỗ hay làm bột giấy có ý nghĩa kinh tế rất lớn. Chi bạch đàn (Eucalyptus) có nhiều loài đặc hữu ở Australia, Timor, Tân Guinê, Philippinnes. Bạch đàn đã du nhập và trồng ở Nam Mĩ, châu Phi, Spain, Portugan, châu Á, Trung Cận Đông và Bắc Mĩ. Các phương pháp nhân giống vô tính truyền thống như giâm cành, chiết cành, ghép đối với bạch đàn đều không cho hiệu quả. Người ta tạo callus từ những phần khác nhau của các loài bạch đàn và cây con tái sinh từ callus từ các bộ phận khác nhau của bạch đàn chanh Ecalyptus citriodova và bạch đàn trắng E. alba. Từ năm 1970, đã nuôi cấy thành công mảnh lá, đoạn thân, rễ bạch đàn. Các nhà nghiên cứu Mĩ đã thu nhận cây con nuôi cấy đoạn thân các loài: E. grandis, E. gunni, E. dalrrympleana, E. pauciflora, E. ficifolia. Từ năm 1973, AFOCEL (Association Franҫaise Forêt-cellulose) đã khởi sự nhân vô tính in vitro cây bạch đàn nhằm mục tiêu sản xuất lớn các dòng vô tính chịu lạnh và năng suất gỗ cao. Từ năm 1975, bắt đầu trồng ngoài đất cứ mỗi tháng trồng 20.000 cây bao gồm 18 dòng vô tính. Hartney (1982) đã nhân vô tính thành công các giống E. camadulensis, E. curtisi, E. ficifolia, E. grandis, E. obtusifolia và E. rudis, bằng cách nuôi cấy chồi nách và từ cây con.Mchra-Palta (1982) đã thành công trong tạo chồi phụ từ lá mầm và trên đoạn thân bạch đàn E. nova angelica và E.viminalis trong điều kiện in vitro. Diallo và Duhoux (1984) làm việc tại phòng thí nghiệm Sinh lí thực vật Đại học Dacar, Senegal đã nuôi cấy lá mầm và tạo thành công chồi cây E. camaldulensis, trên môi trường có chứa NAA (naphtalen acetic acid là một auxin) và 6.BA (6-benzylaminopurine là một loại cytokinine) kĩ thuật này cho phép tạo ra 200 cây từ 1 cây con trong 2 tháng và 1013 cây trong 1 năm, trong khi kĩ thuật cắt đoạn của Gupta chỉ đạt 106 cây/năm. Davies (1984) làm việc tại phòng thí nghiệm của Dhoux đã phát triển kĩ thuật nhân vô tính cây Faidherbia (Acacia albida). Cây họ Đậu này mọc ở hầu hết các vùng khô hạn ở châu Phi, đặc biệt là ở Tây Phi. Chúng đóng vai trò quan trọng đối với kinh tế đồng cỏ vùng Sudan Sahel. Chúng cố định N2 và rụng lá vào mùa mưa. Lá và quả dùng làm thức ăn cho đại gia súc vào mùa khô. Acacia albida tạo môi trường thuận lợi cho các cây kê, lúa miến, lạc mọc dưới tán lá cây của chúng vào mùa mưa. Hai cây rừng khác có khả năng cố định N2: cây họ Đậu Acacia senegalensis và cây không họ Đậu Casuarina equisetifolia cũng đã được quan tâm nghiên cứu nuôi cấy mô.
5. 25 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung  Nghiên cứu tạo phôi soma Một hướng khác được tổ chức trồng trọt là việc tạo phôi soma. Theo như mô tả của Steward và cộng sự, sự chuyển sang môi trường có nồng độ auxin thấp đã gây ra sự sinh trưởng tế bào trong phôi. Chúng cũng trải qua tất cả các giai đoạn phát triển bào thai của một hợp tử nhưng tạo thành từ tế bào soma chứ không phải là sản phẩm hòa hợp của 2 giao tử đực và cái. Sự nuôi cấy phôi của tế bào soma có một số tiến bộ: * Phôi phát triển cả hai hướng đem đến cả rễ, chồi và phát triển thành cây toàn vẹn ngay từ đầu. * Nuôi cấy phôi có thể tạo ra một hướng lớn các cây hơn cả con đường nuôi cấy mô. * Khi lớn lên trong môi trường nước thì phôi tách ra thành những phôi khác và bơi tự do, do đó, không cần nhiều thiết bị. Hàng ngàn phôi phát triển trong bình nuôi cấy cổ thắt và cũng có tốc độ sinh trưởng nhanh không kém tốc độ sinh trưởng khi nuôi cấy vi sinh vật. Ngoài cà rốt, cần tây, những cây khác như đậu, chanh, cà phê, chà là, kê cũng được nuôi cấy phôi tế bào soma. Sự chín phôi tế bào soma có thể được cải biến bằng những chất ĐHST đặc biệt dùng acid abscicic và thay đổi môi trường. Công nghệ hiện nay hoàn toàn cho phép nhân lên những phôi soma cho một số lớn các loài cây thu hoạch quan trọng. Một vài cây trồng đã được tái sinh thành công bằng nuôi cấy phôi soma: cà rốt, cần tây, đậu, cà phê, chanh, cọ dầu, v.v. Thí dụ: cọ dầu tạo từ phôi soma có thể thực hiện trực tiếp từ callus sơ cấp trên môi trường chứa auxin, cytokinine và than hoạt tính. Các thể phôi hình thành 6 tháng sau khi đưa các phân đoạn của lá và nuôi cấy. Có thể thu được tới 500.000 thể phôi từ 1 mẫu lá trong vòng 1 năm. Các thể phôi đã thành thục, được tách ra và tạo cây, các phôi non dùng để tiếp tục nhân (Noirel, 1984-85). Chúng ra có thể phân biệt 2 giai đoạn trong nhân giống in vitro cọ dầu: giai đoạn thứ nhất: từ lúc tạo callus rút ngắn còn 6 tháng hay ít nhất tùy tốc độ tạo phôi soma, giai đoạn hai: thường kéo dài 4 tháng trong đó phôi tự nhân lên và hình thành cây. Việc chuyển vận thể phôi từ Pháp đến Malaysia hoặc Indonesia không có gì khó khăn. Giữ đông lạnh thể phôi đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu Sinh lí các cơ quan thực vật Sau thu hoạch CPOVAR của viện Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp CNRS. Phôi được bảo quản ở -196oC trong thời gian rất dài. Người ta đã nhận thấy rằng các cây cọ dầu xuất xứ từ các phôi đông lạnh sau 15 tháng trồng trên đồi không có biến dị hình thái nào. Vì vậy, Viện Nghiên cứu dầu và cây có dầu Pháp (IRHO) đã đề xuất kĩ thuật này cho các khách
6. 26 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung hàng hải ngoại. Kĩ thuật này rất thích hợp đối với các loài không thích hợp với nhiệt độ bảo quản của các cây ôn đới (0-5oC). Hơn nữa nó có thể giảm thiểu các hiểm họa tiềm tàng nếu số lần cây chuyền để nhân giống tăng lên quá lớn (Biofuture, 1987, số 56). Dầu cọ là loại dầu ăn được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, chỉ đứng hàng thứ 2 sau dầu đậu tương và chiếm 17% tổng sản lượng dầu béo và mỡ (3-11 tấn/ha/năm), nên cần có giống cọ dầu để trồng, nhất là các nước cận xích đạo. Về cây dừa, từ năm 1981 các nhà khoa học Pháp thuộc Viện Nghiên cứu Khoa học vì Sự phát triển (ORSTOM) và IRHO cũng đã bắt đầu các thí nghiệm nuôi cấy mô dừa nhằm tạo phôi soma. Các cây nuôi cấy mô được tạo từ mô của phần lá non của các cây dừa 5 tuổi trồng trong nhà kính thuộc giống PB-121 con lai giữa giống lùn vàng Malaysia (Malaysia Yellow Drafs) và giống cao Tây Phi được chọn lai tại Côte d’Ivoire. Các thể phôi thu được sau 6 tháng nuôi cấy. Các nghiên cứu tạo cây hoàn chỉnh từ phôi được tiến hành từ năm 1984 (Pannetier và Noirel, 1984). Theo các nhà khoa học Pháp, quá trình phát sinh phôi soma có thể xuất hiện trong một giai đoạn ngắn từ mô lá non của cây dừa từ 2 đến 5 tuổi và có thể thu được với cây trưởng thành . Bằng phương pháp này, dừa cho năng suất cao hơn (số quả và sản lượng cơm dừa) có thể gấp 5 lần. Đối với cây cà phê, các nhà nghiên cứu Pháp ở GERDAT (Groupement d’Etude et de Recherche d’Agronomie Tropical), Montpellier đã nuôi cấy mô cà phê từ năm 1978-1979 và năm 1981 đã thành công trong thu nhận phôi soma trực tiếp từ mô cấy ban đầu mà không phải thông qua giai đoạn tạo callus trung gian (Dublin, 1982). Các phôi vô tính được hình thành từ các bó mạch của phiến lá đem nuôi cấy trên bề mặt môi trường. Từ một mảnh lá duy nhất có thể tạo ra hơn 1.000 cây con. Qua một vài ví dụ cụ thể nêu trên cho thấy rằng, việc nghiên cứu tạo phôi soma là một trong các biện pháp kĩ thuật có triển vọng của CNSH, nhằm nhân nhanh các giống cây trồng nông lâm nghiệp ở qui mô rộng.  Nghiên cứu nhân giống cây sạch virus. Để tiến hành tạo cây sạch bệnh virus bằng kĩ thuật nuôi cấy mô và tế bào, người ta thường dùng mô phân sinh ở đỉnh chồi. Những mô này chứa những tế bào sinh trưởng và được bao một lớp vỏ cutin. Sự hình thành mới các cơ quan của thực vật bắt đầu trong các mô phân sinh ở đỉnh chồi này. Các mô đó phân hóa ngay từ những giai đoạn đầu của phôi và giữ lại trong suốt quá trình sống của cây. Mô phân sinh là vùng khỏe mạnh nhất của cây, vì người ta thấy rằng, quá trình sinh tổng hợp DNA của virus
7. 27 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung thực vật không xẩy ra được ở vùng này – do một cơ chế gì hiện nay chưa rõ, thậm chí cả cây bị bệnh virus nhưng phần này vẫn không bị nhiễm virus. Vì mô phân sinh có các tế bào phôi nên khi nuôi cấy tạo nên callus. Dùng các chất ĐHST khác nhau như gibbrelline, auxin, cytokinine, v.v. để kích thích khối tế bào không phân hóa này đâm chồi. Từ đó hình thành nên những cây con khỏe mạnh không bị virus. Bằng cách đó người ta sản xuất ra dâu tây, khoai tây, đu đủ, khoai mỡ, sắn và nhiều cây cảnh sạch bệnh virus.  Nhân giống bằng sản xuất hạt nhân tạo. Ngày nay người ta đã dùng kĩ thuật nuôi cấy mô và tế bào thực vật để sản xuất hạt nhân tạo. Tế bào thực vật có đặc trưng là không chỉ trở thành tế bào sinh dưỡng mà còn trở thành tế bào phôi mầm, chỉ cần điều khiển chúng bằng các chất ĐHST thích hợp. Do vậy, người ta cho vào bình dung dịch dinh dưỡng có chất ĐHST nhất định thì tế bào có thể trở thành tế bào phôi. Các tế bào phôi trong bình đó sẽ sinh sản rất nhiều và tụ họp lại. Các phôi này được bao bọc bởi một chất keo - gồm hỗn hợp các chất dinh dưỡng và gọi là các hạt nhân tạo. Khi gieo các hạt này xuống đất sẽ mọc thành cây bình thường. Việc sản xuất các hạt nhân tạo như thế rất cần thiết trong nông lâm nghiệp. Bởi vì, trong cải tạo giống nhiều khi tạo ra được giống có năng suất cao và chống chịu giỏi nhưng lại không có hạt hoặc rất ít hạt để có thể gieo trồng lại. Bằng phương pháp nói trên, người ta có thể sản xuất hạt nhân tạo bằng các tế bào bình thường của cây này với một lượng lớn trong các nồi lên men. Một loạt các vấn đề lí thú về hạt nhân tạo ở đây là: * Khi còn trong các bình nuôi cấy lên men rất tiện lợi cho người ta xử lí nhiệt các mô để làm sạch hết virus, tạo ra các hạt sạch bệnh. * Người ta cũng có thể đưa vào vỏ hạt nhân tạo các loài vi khuẩn cố định N2 thì khi cây trưởng thành, vi khuẩn này sẽ lấy N2 từ không khí để cung cấp phân đạm cho cây đó. * Cũng bằng cách tương tự như trên, người ta đưa một lượng thuốc trừ sâu hoặc trừ cỏ dại vào vỏ hạt nhân tạo để bảo vệ cây khỏi bị sâu và cỏ dại phá hoại. * Hạt nhân tạo cũng là đối tượng dễ dàng để nạp các gene lạ vào để tạo ra các giống mới có đặc tính mong muốn. Rất mừng là hiện nay trên thị trường thế giới có bán nhiều hạt nhân tạo với các tính ưu việt nói trên, trong đó có hạt lúa mì, hạt lúa, là những hạt lương thực sống còn đối với cuộc sống con người. 2.2. Tạo giống mới có năng suất cao thông qua phương pháp tạo dòng soma trong nuôi cấy mô tế bào
8. 28 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Soma là tên gọi các tế bào cơ thể (sinh dưỡng), nó khác với tế bào sinh dục. Chúng ta biết rằng, từ các tế bào soma có thể tạo nên bất kì bộ phận nào của cây. Đó là đặc điểm toàn năng của tế bào thực vật. Từ callus có thể khôi phục lại một bộ phận nào đó: rễ, thân lá hoặc tạo thành một cây hoàn chỉnh đều dựa trên đặc điểm toàn năng này. Có điều callus được cấy đi cấy lại nhiều lần thường xẩy ra những biến đổi di truyền. Những cây lớn lên từ những tế bào biến đổi ấy cho các hạt. Những hạt này lại mọc thành cây cho những đặc tính quí mà ta mong muốn. Như vậy, chính lúc này những cây đó sẽ là nguồn ban đầu để nhân lên và những thế hệ sau được tạo ra mà ta gọi là các dòng soma. Phương pháp tạo giống kiểu này gọi là phương pháp tạo dòng soma. Cơ sở khoa học của việc chọn giống đó là hiện tượng biến dị soma - tức là biến đổi di truyền không phải ở tế bào sinh dục mà ở tế bào cơ thể (sinh dưỡng) của cây. Có ba cách: * Biến đổi NST kiểu đa bội thể (polyploid) như ở cà chua, đậu, cây cảnh. * Biến đổi NST kiểu thêm, bớt một vài NST trong bộ NST tế bào. * Biến đổi kiểu đột biến ở một số gene nhất định ở NST hoặc gene của ti thể, lạp thể (lục lạp). Có nhiều kiểu biến đổi: . Sự biến dị tự nhiên: thường rất thấp, chỉ một trong hàng triệu tế bào. . Bằng biện pháp chọn lọc cổ điển (sau lai ghép và đột biến) thì khó có được sư phối hợp giữa cái cũ và cái mới. . Biến đổi dòng tế bào soma, đặc biệt là từ những tế bào callus trong nuôi cấy thì tần số xảy ra rất nhiều. Khoai tây tái sinh từ callus đã được thử nghiệm, trong đó có 13 biến dị gene đơn giản đã được phát hiện trong 230 cây khoai tây tái sinh. Tỉ lệ biến đổi dòng soma ở đây là 1/18, có nghĩa là từ 18 cây tái sinh thì có một cây biến dị. Tỉ lệ biến dị này thật quá lớn. Một số biến dị gene đơn giản xẩy ra ở cà chua cũng đã được xác định và một trong những biến dị đó nằm ở cánh tay dài của NST 10 trong bản đồ gene. Vừa qua đã đạt được một số kết quả về biến dị soma trong số cây trồng đã kích thích sự áp dụng phương pháp chọn lọc dòng soma vào việc đổi mới cây trồng. Bằng phương pháp chọn dòng soma, người ta đã tạo nên được giồng lúa vừa chín sớm vừa có hạt dạng dài nhằm vừa tăng năng suất thu hoạch lại vừa tạo được chất xanh làm thức ăn cho gia súc.
9. 29 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Về cây mía, phương pháp chọn dòng soma này đã tạo ra được giống mía chống được một số bệnh virus như bệnh fip, nấm lông, bệnh than, và bệnh đột mắt. Ta biết rằng cây Mía là cây bát bội (octoploid) hoặc thập bội (decaploid) và rất dị hợp tử. Điều này gây trở ngại cho việc mô hình hóa lí thuyết và các phân tích di truyền. Heinz, 1977 ở Hawaii và sau đó các nhà khoa học Đài Loan, Pháp, Cuba, Argenetina, đã thành công trong tái sinh mía từ callus, từ nuôi cấy túi phấn đã tạo được cây đơn bội có năng suất cao hơn trong điều kiện tự nhiên so với cây bố mẹ, hoặc phương pháp chọn lọc dòng soma cho phép phân lập được các dòng kháng bệnh. Bằng phương pháp chọn dòng soma, các nhà nghiên cứu cũng đã thực nghiệm chống bệnh tàn lụi cây cà chua, chống virus khảm thuốc lá trên cây thuốc lá. Từ những biến đổi dòng soma, cũng đã phát hiện những quả to nhỏ khác nhau, từ đó áp dụng vào việc chọn lọc cây ăn quả như bưởi, cam, để thu được những đặc tính quí. Đối với cây cọ dầu, khi tái sinh từ callus, cây không giống nhau mà xuất hiện một số đột biến soma (Jones, 1983). Những biến dị soma này theo Cocking ở Đại học Tổng hợp Notlingham, có nguyên nhân di truyền và do cả điều kiện nuôi cấy tạo nên (Cocking, 1981). Nói tóm lại, trong nuôi cấy mô và tế bào thực vật, người ta đã thừa nhận có sự biến đổi di truyền. Sự biến đổi như vậy có thể có ích đối với thu hoạch của con người. Trong quá trình nghiên cứu cơ sở di truyền của sự biến đổi tế bào thực vật nuôi cấy, người ta đã nhận thấy rằng, công nghệ nuôi cấy tế bào in vitro cho chúng ta một lợi khí quan trọng để làm thay đổi giống cây trồng theo hướng có lợi. Đó là những biến đổi dòng soma giúp ta tạo ra nhiều giống cây mới với đặc tính ưu việt. 2.3. Tạo ra những cây lai mới có tính ưu việt bằng kĩ thuật protoplast Protoplast là tế bào trần. Thành tế bào cellulose đã bị tiêu hủy bởi enzyme cellulase hay drilselase, nó chỉ còn màng sinh chất bao quanh. Protoplast có khả năng dung hợp (fusion) với nhau để tạo thành các thể lai vô tính dưới tác dụng của một tác nhân hóa học hay vật lí để làm các màng kết dính lại với nhau và gây ra sự chuyển vận các đại phân tử DNA, các protein, các bào tử từ tế bào nọ sang tế bào kia. Dung hợp là quá trình hợp nhất 2 protoplast lại làm một. Hiện tượng này phổ biến. Sự thật con người sinh ra cũng là kết quả một sự dung hợp giữa tinh trùng và noãn trứng, tạo thành hợp tử có dấu hiệu di truyền của cả 2 tế bào hợp lại. Chỉ có điều quá trình đó gọi là lai hữu tính. Các tế bào thực vật có khả năng dung hợp dưới dạng protoplast. Hai protoplast
10. 30 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung dung hợp lại có thể sinh ra một cây con hoàn chỉnh dưới dấu hiệu di truyền của hai tế bào hợp lại. Nhưng quá trình này là quá trình lai vô tính (somatic hybridization). Ngày nay nhờ lai vô tính mà người ta cải tạo được nhanh chóng bộ máy di truyền tế bào nhằm tạo những giống mới có năng suất cao. Sử dụng kĩ thuật protoplast, người ta đã lai tạo giữa cây trồng với cây hoang dại để đề kháng một số trạng thái trong môi trường bất thuận như tạo ra những cây chịu hạn cao, chịu rét giỏi, chống chịu sâu bệnh, phèn, mặn, v.v. Kĩ thuật nuôi cấy và dung hợp protoplast đến nay không những đã thực hiện tốt đối với cây 2 lá mầm mà ngay cây có một lá mầm như lúa, thậm chí các loài rong, tảo. Kĩ thuật protoplast trong tạo giống mới của thực vật gồm 2 giai đoạn chính sau: a. Giai đoạn tách và nuôi cấy protoplast. Ở giai đoạn này người ta có thể tách tế bào để xử lí tạo thành protoplast từ tất cả các thành phần của cây như rễ, thân lá, nốt sần rễ, lá mầm, hạt phấn, callus v.v. nhưng hay dùng cả là từ mô lá. Giai đoạn này gồm các bước sau đây: + Xử lí mẫu cho sạch và vô trùng bằng cồn 70o, sau đó bằng calcium hypochloride, cuối cùng bằng nước cất vô trùng. + Cắt mẫu. Mẫu được cắt nhỏ thành mảnh 0,5×2 cm hoặc thành sợi. + Xử lí mẫu bằng enzyme. Sử dụng enzyme hỗn hợp như pectinase, cellulase. Onozuka R10 trong mannitol pH=5,8 ở một thời gian trong điều kiện ánh sáng và nhiệt độ tối ưu. + Tách, làm sạch protoplast bằng phương pháp lọc và li tâm. Các bước chung là như vậy, song chi tiết mỗi loài cây đòi hỏi một loại enzyme để tách protoplast, nồng độ enzyme cũng như nồng độ chất gây co nguyên sinh chất khác nhau để có lượng tế bào protoplast cao nhất. b. Giai đoạn dung hợp protoplast. Trong giai đoạn này người ta sử dụng một trong hai phương pháp sau đây để dung hợp: * Phương pháp sử dụng tác nhân hóa học: sử dụng chất polyethylene glycol (PEG). Chất này gây nên kết dính 2 protoplast và tạo điều kiện để các phân tử DNA cũng như các thành phần khác dễ đi qua màng. * Phương pháp sử dụng tác nhân vật lí: các xung điện (electroporation) để tạo những lỗ nhỏ của màng, tạo điều kiện cho các đại phân tử đi qua. Thực chất những vấn đề chính của kĩ thuật dung hợp
11. 31 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung protoplast là việc phân biệt và tách thể lai thông qua mắt thường, dùng gene đánh dấu, dùng môi trường chọn lọc, dùng phản ứng màu enzyme, dùng protoplast từ các loại mô khác nhau, hoặc được nhuộm bằng các chất phát huỳnh quang. Quá trình dung hợp có thể thực hiện các bước sau: + Hai tế bào protoplast sạch của 2 loại cây định lai cho tiếp xúc nhau theo tỉ lệ nhất định rồi nhỏ các giọt dịch hỗn hợp đó lên đĩa nhựa trong petri. + Nhỏ nhẹ nhàng PEG lên đỉnh mỗi giọt dịch chứa protoplast hỗn hợp đó, ủ một thời gian ở nhiệt độ phòng rồi nhắc lại vài lần như thế. + Rửa sạch PEG và cho vào môi trường nuôi cấy có chứa muối ammonium để phục hồi tế bào sau quá trình tách và dung hợp. + Độ vài ngày sau, tế bào phân chia, cấy chuyền sang môi trường chọn lọc và như vậy cấy chuyền một vài lần nữa trong môi trường chứa những chất ĐHST thích hợp để tạo callus, tạo chồi, tạo cây và rễ,v.v. + Có thể thử phản ứng enzyme trên mẫu lá cây lai cắt nhỏ để có thể nhận ra được có sự lai tạo hay không. Ngày nay người ta đang sử dụng kĩ thuật dung hợp protoplast để tạo ra những cây lai mới. Chẳng hạn, lai khoai tây trồng và khoai tây hoang dại. Gene cây hoang dại giúp cây trồng chống bệnh virus Người ta lai cây cà chua với cây khoai tây (họ hàng chúng xa nhau) cho cây lai mang quả cà chua và củ khoai tây. Bằng cách này, người ta tạo ra cây lai giữa cà rốt và rau mùi, cam và chanh, Đối với cọ dầu, từ protoplast và sử dụng kĩ thuật tái tổ hợp gene có thể nâng cao hiệu quả, chọn lọc các dòng có dầu có năng suất cao. Hình II.1. Cây Khoai-Cà (Pomato) Đối với mía, dung hợp protoplast có ý nghĩa lớn đối với việc phổ biến các giống mía không ra hoa (trốn cờ) hoặc bất thụ. Các kết quả nghiên cứu của CENA (Centre de Nuclear Energy in Agriculture) và CEBTEC (Divisão de Biotechnology de Plantas et Centro de Biotechnologia Agricola) ở Brazil cho thấy, dung hợp
12. 32 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung protoplast cây mía có thể giúp chuyển gene kháng thuốc trừ sâu có từ dòng mía này qua dòng mía khác. Dung hợp protoplast có thể chọn giúp các dòng cà phê kháng bệnh và các độc tố do nấm tiết ra để đưa vào môi trường nuôi cấy nhằm chọn ra các dòng tế bào kháng độc tố cho cà phê. Năm 1987, ở Costa Rica cũng đã tái sinh cây cà phê vối từ protoplast được tách từ phôi vô tính hình thành từ huyền phù tế bào callus lá. Sau khi nuôi cấy protoplast vài lần trên môi trường chứa 0,5 mg/l kinetine, 0,5 mg/l 2,4D. 0,5 mg/l NAA, các tác giả thu được callus nhỏ. Khi cấy chuyền sang môi trường không có chất sinh trưởng các callus phát triển thành phôi và phát triển thành cây hoàn chỉnh. Người ta cũng dung hợp protoplast cao su từ các tế bào phôi vô tính. Đến nay đã có hơn 70 loài cây cũng đã được sinh ra từ protoplast. Khi dung hợp protoplast, người ta còn tạo ra được giống lai giữa tế bào thực vật và vi khuẩn. Sự dung hợp protoplast giữa tế bào tảo lam (vừa có đặc tính quang hợp vừa có đặc tính cố định N2 trong không khí) với callus thực vật làm kích thích sự phát triển của chúng. Cũng với kĩ thuật trên, người ta còn có thể dung hợp được các tế bào soma với tế bào sinh dục (hạt phấn) để tạo ra cây lai giữa các họ với nhau. Tóm lại, kĩ thuật dung hợp protoplast hiện tại đang mở ra một khả năng rộng lớn trong việc tạo ta những giống có thể tập hợp được nhiều đặc tính tốt từ các cây khác nhau. Hơn nữa, nhờ việc tạo thành protoplast (bóc trần vỏ tế bào), nó trở thành công cụ nghiên cứu các quá trình sinh hóa, đặc biệt là acid nucleic và protein trong tế bào, dùng mô hình nghiên cứu di truyền phân tử, nghiên cứu sự xâm nhập của vi khuẩn vào tế bào, nghiên cứu quá trình cộng sinh vi khuẩn trong cây bộ Đậu, nghiên cứu các enzyme, nghiên cứu cơ chế của quá trình quang hợp v.v. làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu ứng dụng phục vụ cho đời sống của con người. 2.4. Tạo ra những đặc tính mới mong muốn qua việc đưa các nguyên liệu di truyền vào tế bào cây trồng bằng kĩ thuật tái tổ hợp DNA (DNA recombination) Việc cải tiến đưa các gene vào tế bào thực vật qua cách đưa nguyên liệu di truyền ngoại lai vào bằng con đường tái tổ hợp DNA hiện nay đang mở ra nhiều triển vọng tốt đẹp: Cách thứ nhất: chuyển gene trực tiếp . Phương pháp hóa học polyethylene glycol. . Phương pháp vật lí xung điện dung hợp protoplast. . Phương pháp ngâm hạt phấn vào dung dich DNA.
13. 33 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung . Phương pháp vi tiêm gene. . Phương pháp bắn gene. Cách thứ hai: chuyển gene gián tiếp qua sử dụng các vector, đặc biệt là vector plasmid pBI12A chứa sẵn một gene khởi đầu promoter mạnh nhất và gene CaMV35S (Cauliflower mosaic virus) gene kết thúc và gene đánh dấu GUS-A. Plasmid này được gắn thêm các gene lạ có đặc tính mong muốn đưa vào vi khuẩn hay ở thực vật dùng Agrobacterium tumefaciene để đưa vào cây. Người ta có thể đưa gene ngoại lai vào qua con đường vector plasmid: DNA được đánh dấu phóng xạ rồi đưa vào hạt phấn, chồi non, các tế bào nuôi cấy protoplast hay nhân tế bào được tách ra. DNA ngoại lai dễ nhận cảm với sự tiêu hóa của enzyme nuclease vật chủ. Phải đưa DNA vào lyposome, sau đó dung hợp vào protoplast để làm giảm tác dụng tấn công của nuclease tế bào chủ. Dần dà người ta nghiên cứu đưa DNA ngoại lai vào qua con đường vector plasmid. DNA plasmid được tìm thấy ở ti thể của động vật bậc cao. Những plasmid đó có thể là một hệ thống duy nhất của sự chuyển gene. Chúng sao chép một cách tự quản trong ti thể. Plasmid cũng được tìm thấy trong nhiều vi khuẩn. Những plasmid đó thường được liên kết với vi khuẩn bệnh lí và được dùng để kiểm tra sự sinh bệnh của một tác nhân gây bệnh cây trồng. Vai trò plasmid Ti của Agrobacterium tumefaciens trong sự hình thành khối u ngày nay đã được sử dụng phổ biến để chuyển gene thực vật. Agrbacterium gồm các loài A. tumefaciens và A. rhizogenes. A. tumefaciens là vi khuẩn đất gram âm, hình que. Vi khuẩn này có ở họ Rhizobiaceae có khả năng gây u ở thực vật. Nó là một plasmid dài vào khoảng 120-150 kb, có tính chất gây u nên gọi là plasmid Ti. Ti bắt nguồn từ chữ đầu của tumer inducing. Còn A. rhizogenes là plasmid có khả năng gây bệnh rễ tóc (hairy root) và gọi là plasmid Ri. Ri bắt nguồn từ chữ đầu của root inducing tức là sinh rễ. Kích thước plasmid này tương tự plasmid Ti. Đối với các cây trồng, người ta có thể tạo ra giống mới cũng có những đặc tính mong muốn qua việc chuyển gene. Các gene đó có thể từ một cây không có quan hệ họ hàng hoặc từ động vật, Côn trùng, nấm men, hoặc từ các vi sinh vật. Các cây được nhận gene bằng nhiều cách khác nhau nhưng gần đây nhờ hệ thống vi khuẩn Agrobacterium có đặc tính sẵn có trong tự nhiên là chuyển được gene của chúng vào cây cối thông qua một phần T-DNA của plasmid Ti hoặc Ri. Chính T-DNA của vi khuẩn
14. 34 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung được gắn vào bộ gene của thực vật sẽ làm xuất hiện khối u hoặc rễ tóc vì chúng chứa oncogene. Hình II.2. Mô hình plasmid Ti T-DNA có kích thước 25 kb trong đó chứa gene mã hóa cho sinh tổng hợp auxin, cytokinine, opine và các gene gây khối u (oncogene). Trong plasmid Ti, vị trí của T-DNA được giới hạn bằng bờ phải và bờ trái. Ngoài plasmid Ti còn có các vùng DNA mã hóa cho việc tái sinh plasmid, cho khả năng lây nhiễm (vùng vir) và chuyển nạp, cho việc tiêu hóa opine. Trong các vùng DNA của plasmid Ti, ngoài T-DNA được nghiên cứu nhiều hơn cả là vùng DNA phụ trách khả năng lây nhiễm còn gọi là vùng vir. Sản phẩm hoạt động của các gene nằm trong vùng vir được tác động kích thích của các hợp chất phenol tiết ra từ vết thương là một loại protein đặc biệt như vir E2, vir B, vir D, vir D2, vir C1 Các protein này nhận biết các vết thương ở các cây chủ thích hợp (hầu hết là cây 2 lá mầm), kích thích sinh sản ra các đoạn T-DNA bao bọc che chở các đoạn DNA này và giúp chúng tiếp cận với hệ gene của cây chủ một cách an toàn. Khi cây nhiễm bệnh do T-DNA nạp vào trong hệ gene của cây chủ bắt đầu hoạt động và sản sinh ra auxin, cytokinine và opine, toàn bộ sinh trưởng của cây bị rối loạn, các tế bào phân chia vô tổ chức và tạo ra các khối u. Opine được vi khuẩn sử dụng như một loại “thức ăn” nhờ gene chuyển hóa opine trên plasmid Ti. Cơ chế lây nhiễm của A. rhizigenes đối với cây 2 lá mầm cũng tương tự nhưng trong vùng T-DNA của A. rhizogenes chỉ có gene sản sinh ra auxin, vì thế sự thay đổi hình thái chính của thực vật là chúng tạo ra rất nhiều rễ tóc khi bị nhiễm bệnh.
15. 35 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Trên thực tế bệnh cây, Agrobacterium chỉ gây hại ở cây 2 lá mầm. Vì vậy, người ta cho rằng chúng chỉ có thể nạp T-DNA vào hệ gene các cây 2 lá mầm . Gần đây nhiều tác giả đã chứng minh khi nhiễm vi khuẩn, các cây 1 lá mầm cũng có thể sản xuất opine và có thể khai thác khả năng biến nạp gene của Agrobacterium ở cây 1 lá mầm. Nhưng nếu phần T-DNA bị cắt thì plasmid Ti này vẫn giữ nguyên khả năng chuyển gene lạ vào thực vật. Do đó, plasmid Ti hiện nay trở thành một công cụ sắc bén theo đặc tính gây u vào các cây trồng. Việc chuyển gene lạ được tiến hành theo những bước sau: * Tách plasmid Ti từ vi khuẩn A. tumefaciens * Cắt bỏ phần T-DNA của plasmid đi * Chuẩn bị gene lạ chứa di truyền mong muốn, chẳng hạn gene độc tố của Bacillus thuringiensis để tiêu diệt sâu bọ hại cây trồng. * Chuẩn bị gene đánh dấu để theo dõi việc chuyển gene lạ vào thực vật có thành công hay không? Chẳng hạn, gene mã hóa cho một enzyme có phản ứng màu mà ở thực vật ít có như gene mã hóa enzyme β- glucuronidase gọi tắt là GUS-A tạo ra màu xanh da trời đặc trưng với cơ chất 5-bromo-4-chloro-3-indolyl, β-galactopyranoside được kí hiệu là X- gluc. Đôi khi người ta sử dụng khả năng đánh dấu của gene mã hóa luciferase - một enzyme của Đom đóm phát sáng trong tối ở các mô được chuyển gene. Cũng có khi sử dụng những gene kháng kháng sinh kanamycine - một chất ức chế sinh trưởng thực vật. * Gắn gene lạ và gene đánh dấu vào plasmid Ti thay thế vào chỗ T- DNA đã bị cắt bỏ rồi đưa vào vi khuẩn Agrobacterium. *Chuẩn bị tế bào vật chủ tiếp nhận vi khuẩn Agrobacterium chứa plasmid có gene lạ như chuẩn bị các protoplast từ các thể mô, các đĩa lá. * Nuôi cấy chung vật chủ với vi khuẩn A. tumefaciens chứa plasmid Ti gắn gene lạ một thời gian vài ngày ở nhiệt độ ánh sáng thích hợp. * Loại bỏ vi khuẩn bằng dùng các kháng sinh đặc hiệu như carbenicilline. * Chuyển nguyên liệu thực vật vào môi trường dinh dưỡng nuôi cấy tế bào và mô để tái sinh có thêm những chất kích thích sinh trưởng như 2,4 D, auxin khác v.v. * Cây tái sinh được nuôi trong vườn ươm và cuối cùng trồng ra đất. * Theo dõi các đặc tính của gene lạ biểu hiện ở cây trồng. Cần chú ý: - Cây được biến đổi di truyền cần phải được trồng trong vài vụ;
16. 36 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung - Cây chủ của vi khuẩn Agrobacterium có thể làm hạn chế sự biến đổi trong nhiều vụ thu hoạch. - Muốn chuyển gene thành công cần phải phân tích mở rộng bộ gene thực vật, biết rõ tổ chức phân tử của gene đưa vào và mối quan hệ giữa nó với tổ chức cấu trúc di truyền và điều hòa di truyền. Đối với sự chuyển gene thực vật, virus thực vật chứa DNA cũng được coi là vector. Loại virus khảm thực vật của hoa súp lơ (Cauliflower mosaic virus: CaMV) là một ví dụ hấp dẫn. Đó là một vector có thể dùng để chuyển gene, vì DNA ngoại lai có thể chuyển vào thực vật qua sự gây nhiễm lá bởi virus. Thêm vào đó CaMV có thể nhân lên trong bào tương và loại trừ khả năng gây trở ngại cho các chức phận của tế bào chủ. S.H. Howell và cộng sự năm 1987, đã gài được phân tử linker EcoRI gồm 8 đôi base vào vùng “intergeneic” của virus khảm hoa súp lơ mà không làm suy yếu sự lây nhiễm của chúng. Khả năng CaMV như một vector chuyển gene đã được chứng minh bởi Cronenbor và cộng sự khi đưa vào lá củ cải đoạn operator của operon lac E. coli và khi DNA của virus được tách từ những cây bị nhiễm đã thấy chứa đoạn operator lac. CaMV có một số hạn chế: chỉ gây nhiễm cho họ cải như bắp cải, xải xoăn, cải Bauxel. Thứ 2 là chỉ một lượng nhất định DNA ngoại lai được gài vào (khoảng 250 đôi base). Việc dùng hệ vi khuẩn Agrobacterium đã được hàng trăm cơ sở công nghiệp và phòng thí nghiệm trên thế giới sử dụng. Chỉ ở Monsanto đã có hơn 45.000 dòng thực vật chuyển gene tự do đã được sản xuất theo kiểu này. Tuy vậy, đối với các cây lúa, ngô, lúa mì vẫn phải là cây chủ tự nhiên đối với Agrobacterium. Do đó, phải đưa DNA ngoại lai vào protoplast thực vật. Song, khả năng này lai tạo được rất thấp và mặt khác lại không được nguyên vẹn, phải phá vỏ tế bào để lai ghép. Do đó, người ta có một biện pháp đơn giản hơn là tiêm DNA ngoại lai trực tiếp vào tế bào. Song cũng vấp phải một điều là tiêm trực tiếp như vậy khó có hiệu quả cao là do: . kim nhỏ dễ gãy và tắc; công việc buồn tẻ, tỉ lệ DNA ngoại lai là tổ hợp vào bộ gene tế bào chủ rất thấp. Tiêm khoảng 10.000 tế bào mới hi vọng được 1 tế bào có gene mới để nâng cao hiệu quả tổ hợp gene. Joh Sanford ở trường Đại học Tổng hợp Cornell đã đề nghị dùng biện pháp bắn phá liên tục các nguyên liệu gene vào các tế bào thực vật. Tác giả đã dùng viên đạn kim loại có đường kính 1-2 µ có phủ DNA ngoại lai. Làm tăng nhanh dần tốc độ những viên đạn kim loại này xuyên vào thành tế bào nguyên vẹn và phân tán DNA trong bào tương. Năm 1987, họ đã cải tiến bằng viên đạn bạch kim để bắn vào tế bào thực vật và sau đó họ dùng đạn bằng vàng và đẩy đi bởi sự bốc hơi của giọt nước.
17. 37 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Việc bắn DNA vào tế bào tuy chỉ là giai đoạn đầu của việc làm thay đổi cây trồng nhưng trước đó phải kết cấu cho được 3 vùng quan trọng của gene. Đó là: * Vùng promotor – vùng phát động biểu hiện gene. * Vùng mã hóa - tạo ra những protein mong muốn để thu hoạch tốt mùa màng. * Vùng poly A (polyadenine hóa) – vùng tham gia mở đầu sao chép RNA thông tin. Công nghệ gene cũng có khả năng tạo ra những thức ăn trong sạch. Các gene đối với những protein có phẩm chất dinh dưỡng siêu đẳng được tách ra, sau đó, gài gene đó vào cây. Cây này có thể sản xuất ra những chất hóa học đặc biệt như tinh bột, dầu công nghiệp, các enzyme, các dược chất . Hơn 400 phép thử đồng ruộng của những cây trồng được công nghệ hóa ở Mĩ, châu Âu. Những thử nghiệm đó đã xác nhận hiệu quả kinh tế. những cây trồng có dấu hiệu tốt đó triển khai ra đồng ruộng từ năm 1990. Tuy nhiên, trong công nghệ gene cũng có một số hạn chế như: chỉ cải tiến một số điểm biểu hiện không quá 3-5 gene. Một vài cây trồng không thích ứng phương pháp chuyển gene hiện hành. Sự tách gene có ích để chuyển cũng có gặp những khó khăn nhất định. Việc sử dụng gene trong việc tạo giống mới những cây, hoa, quả, , G. Glili đã dùng vi khuẩn E. coli để chiết xuất lấy gene mã hóa loại enzyme tổng hợp lysine, sau đó đưa vào khoai tây và thuốc lá làm cho khoai tây lượng lysine tăng ở củ 5 lần, ở lá 4 lần và ở thân 3 lần. Người ta cũng đưa 9 acid amin khác vào khoai tây làm cho chất lượng của chúng trở nên quí giá. Ở Mĩ cũng vừa thành công những quả cà chua chín mọng mọc trên cành nho. Cà chua loại này ít thối hỏng. Người ta cũng tạo ra bông có màu sắc tự nhiên bằng CNSH. Ở Pháp mới đây, người ta cũng đã tạo cây bắp cải to cao hơn người bằng thao tác di truyền. Trong 20-30 năm lại đây, CNSH đang làm đổi mới nền nông nghiệp trên toàn thế giới nhờ kĩ thuật nuôi cấy mô và tế bào, phương pháp chọn lọc dòng soma, kĩ thuật dung hợp protoplast và đặc biệt sử dụng công nghệ gene trong tái tổ hợp DNA, người ta đã đưa vào cây trồng những nguyên liệu di truyền mới, những gene có ích để làm thay đổi cơ bản những loài cây trồng, tạo ra một loạt các giống mới có năng suất cao, phẩm chất tốt, chống chịu giỏi trong điều kiện bất lợi của môi trường ở từng khu vực, đã có những hứa hẹn mùa màng tốt đẹp trong hiện tại và không ngừng phát triển trong tương lai không xa.
18. 38 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Ở nước ta, Đảng và Nhà nước đang quan tâm đến vấn đề khoa học và công nghệ, đặc biệt ưu tiên CNSH (nằm trong 4 ưu tiên chung: tin học, CNSH, vật liệu mới và hiện đại hóa nền công nghiệp). Với khoảng 20 triệu lao động nông nghiệp, có nhiệm vụ sản xuất ra 20-25 triệu tấn lương thực hàng năm, Việt Nam đứng hàng thứ 2, thứ 3 trong xuất khẩu gạo thế giới, muốn làm cho nền nông nghiệp không ngừng tăng lên, việc tạo giống mới cây trồng đặt ra cho các nhà khoa học một nhiệm vụ nặng nề và vinh quang. Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu 2 phương pháp tạo giống mới hiện đại để chúng ta tham khảo: Hình II.3. Bằng phương pháp trực tiếp (dùng súng bắn gene) và phương pháp gián tiếp (Agrobacterium) để chuyển gene vào tế bào thực vật 3. CNSH trong việc bảo vệ cây trồng. Hàng ngàn năm nay, người nông dân luôn luôn thay đổi cây trồng, thay đổi lối canh tác để có những tiến bộ trong thu hoạch. Họ tuyển chọn
19. 39 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung những giống cây trồng ngày càng có năng suất cao phẩm chất tốt hơn. Phẩm chất càng tốt thì đó là món ăn ngon lành cho muôn vàn vi sinh vật, sâu bọ. Theo thống kê, sâu bọ gây thiệt hại lớn cho mùa màng khoảng 20- 40%. Năng suất mùa màng càng cao thì thiệt hại càng lớn. Người nông dân từ xưa đến nay, qua kinh nghiệm thực tế cũng đã có nhiều biện pháp phòng trừ như xới xáo, chăm sóc bắt sâu bọ, thay đổi vụ trồng hợp lí, trồng thảm xen kẽ, phun thuốc trừ sâu v.v. Riêng nước Mĩ, mỗi năm mất đi 2,5 tỉ USD về thuốc trừ sâu để bảo vệ mùa màng. Nhưng việc sử dụng thuốc trừ sâu bệnh, thuốc trừ cỏ dại (herbicide), ví dụ, thuốc trừ nấm chỉ được phun trừ sâu trên các vùng trồng chuối ngọt (sweet banana) nơi chỉ sản xuất khoảng 10% sản lượng chuối để đưa vào thị trường quốc tế, 90% sản lượng chuối còn lại là chuối bột (platain), một trong các nguồn lương thực của nhiều nước nhiệt đới thì chủ yếu trồng ở các qui mô gia đình rải rác. Vì vậy khó sử dụng thuốc trừ nấm và giá thành không kinh tế. Hơn nữa thuốc trừ sâu bệnh đã để lại hậu quả khôn lường, người bị ngộ độc, thậm chí ung thư, động vật có thể chết. Vì vậy, công tác bảo vệ cây trồng theo hướng CNSH là tốt hơn cả. Người ta đã nuôi cấy đỉnh sinh trưởng của khoai tây, dâu tây, khoai mỡ (Yam) còn gọi là khoai Ấn Độ, để làm sạch virus. Nuôi cấy đỉnh sinh trưởng cũng giúp tạo ra các giống sắn sạch bệnh. Kĩ thuật nuôi cấy mô in vitro cũng giúp giải phóng cây sừa khỏi bệnh virus và Mycoplasma rất nghiêm trọng đối với dừa, chà là (Date palm), kháng bệnh hoặc ít nhiễm bệnh nấm hoa từ nhân vô tính, đặc biệt là chống chịu bệnh bayoud do nấm (Fusarium oxyporum f-sp-albidinis) gây ra là bệnh gây tổn thất nghiêm trọng cho chà là. Viện IRAT (Institute de Recherches Agronomiques Tropicales et des Cultures vivrieres: Viện Nghiên cứu Nông nghiệp nhiệt đới và Các cây lương thực) của Pháp đã xây dựng được phương pháp cấy tác nhân gây bệnh vào cây con đang tái sinh từ callus, Việc sàng lọc các tế bào của những cây con này có thể cho phép phân lập được các dòng kháng bệnh, kháng 3 loại bệnh quan trọng: sinut, ieafscala và bệnh rỉ sắt. Tương tự như vậy, người ta có thể tách được các dòng tế bào kháng mặn, kháng phèn và độc tố của nấm (Helminthosporium sacchari). Các kết quả nghiên cứu của CENA (Centre de Nuclear Energy in Agriculture) và CEBTEC (Divisão de Biotechnology de Plantas et Centro de Biotechnologia Agricola) ở Brazil cho thấy dung hợp protoplast cây Mía có thể giúp chuyển gene kháng thuốc trừ sâu có từ dòng mía này qua dòng mía khác. Từ năm 1985, ở phòng Hiển vi Điện tử của CENA đã bắt đầu chương trình nghiên cứu cấy chuyền gene kháng bệnh khuẩn và virus vào tế bào cây trồng, sau đó tách protoplast và dung hợp chúng trong điện trường.
20. 40 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Ở Mexico, các tác giả Merino và Madrigal ở trường Đại học Chapingo cộng tác với các nhà nghiên cứu của Đại học Purduc (Mĩ) đã thử tách các dòng biến dị kháng 2 nòi rỉ sắt đang gây hại ở châu Mĩ Latinh trên đối tượng cây cà phê. Dung hợp protoplast đã giúp cho cà phê kháng bệnh và người ta cũng đã dùng độc tố do nấm này tiết ra để dưa vào môi trường nuôi cấy nhằm chọn các dòng tế bào kháng độc tố. Ngày nay công nghệ gene đã được dùng để tạo các giống cây chống các bệnh virus, đề kháng các côn trùng có hại, tạo giống mới chống cỏ dại, chống hư hại mùa vụ cây trồng. Roger Beachy trường Đại học Tổng hợp Washington và Stephen Roger ở Monsanto đã áp dụng công nghệ gene cấu trúc nên một vector gene để dưa vào cây thuốc lá và cây cà chua một protein phủ mặt ngoài của virus khảm thuốc lá (tobacco mosaic virus: TMV). Những cây đó đã được đối kháng rất mạnh mẽ với nhiễm trùng và như vậy xác định giả thuyết ban đầu của Beachy là đúng - một thành phần đơn giản của virus có thể sử dụng để bảo vệ được sự tấn công của virus. Ngày nay, sự biểu hiện một protein phủ mặt ngoài của virus nào đó có thể sử dụng để chống virus đó ở thực vật đã trở thành một cơ chế chung để bảo vệ cây trồng khỏi bệnh virus. Trong vòng 30 năm qua, người nông dân và các nhà làm vườn tin tưởng về vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) vì chúng sản xuất ra protein chống Côn trùng. Vi khuẩn này đã làm chết hàng loạt sâu tơ, Sâu róm ở vùng Thuringi. Các chế phẩm Bt đặc hiệu cao với các côn trùng thuộc loài bướm. Cơ chế hoạt động phân tử Bt như sau: protein Bt liên kết với những proceptor đặc hiệu được khu trú trên màng ruột của những côn trùng gây hại. Sự liên kết đó gây cản trở cho dòng vận chuyển ion vào trong tế bào biểu mô ruột và như vậy làm mất khả năng ăn uống dinh dưỡng của côn trùng. Những thuốc trừ sâu thiên nhiên này không gây độc hại cho người và động vật, thậm chí ngay cả các loài côn trùng khác. Mặt khác, tính chất có ích của thuốc trừ sâu Bt thường bị hạn chế vì dễ dàng bị rửa sạch khỏi cây, nhưng hiệu quả của chúng trên đồng ruộng thường được kéo dài. Giữa những năm 1980, công nghệ gene của một vài hãng lớn như hãng Hệ thống gene thực vật ở Belgium, hãng Di truyền Nông nghiệp ở Middleton v.v. đã thành công trong việc tách rời các gene vi khuẩn mã hóa các protein thuốc trừ sâu. Họ đã dùng súng có Agrobacterium tumefaciens được gắn những gene tách nói trên để bắn vào khoai tây, và chua và bông. Lúc đầu những gene này biểu hiện nghèo nàn. Những protein Bt được cây trồng sản xuất ra chỉ giết được những côn trùng phòng thí nghiệm nhạy cảm.
21. 41 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Các nhà khoa học ở Monsanto như David Fichhoff và Frédrick Perlak đã cải tiến. Họ xem xét kĩ lại gene vi khuẩn nguyên thủy để bắt chước chặt chẽ hơn đoạn DNA thực vật. Một sự cải tiến nhỏ đó đã làm tăng lên sự kiểm tra côn trùng một cách mạnh mẽ. Hai năm thử nghiệm trên đồng ruộng đã xác định rằng sự có mặt của các gene Bt đó trong cây bông đã kiểm tra một cách có hiệu quả tất cả những hư hại của đại bộ phận các loài bướm sâu bao gồm các màng trứng của chúng. Những cây bông được thực hiện công nghệ gene đó đã làm giảm hẳn việc sử dụng thuốc trừ sâu từ 40 đến 60%. Các nhà khoa học đã sàng lọc một cách mở rộng đối với những dòng Bacillus thuringiensis tự nhiên. Những dòng đó có hiệu quả trên các côn trùng khác hơn là loài bướm. Họ đã chọn được một dòng có một gene có hiệu quả chống lại loài gián cánh cứng phá hoại khoai tây: Colorado. Mùa xuân năm 1991, Russet Burbank đã ghép gene kiểm tra loài cánh cứng này trên khoai tây và đã thử một vài nơi ở Maine và Oregon. Khoai tây miễn dịch được loài cánh cứng này. Các nhà khoa học ở tổ hợp Mycogene San Diego đã phát hiện một gene Bt chồng Giun tròn kí sinh thực vật và một gene chống Muỗi. Hiện nay đang cố gắng sản xuất protein trừ Muỗi (mosquitocidal protein) ở Tảo để sử dụng vào biện pháp chống sốt rét. Tính đặc hiệu của protein Bt và sự khu trú của nó trong các mô nói trên là protein này chỉ chống lại bọn Côn trùng tấn công. Protein khu trú nội bào này chắc chắn không bị rửa sạch và thuộc loại thuốc trừ sâu an toàn nhất. Bên cạnh việc đề kháng virus, Côn trùng gây hại các cây trồng còn phải chống đối các loài cỏ dại. Cỏ dại làm giảm sản lượng mùa màng có khi tới 70%. Trước đây người ta phối hợp thuốc diệt cỏ với việc làm cỏ để hạn chế cỏ dại. Vì trong thuốc diệt cỏ có phổ hạn chế trong hoạt động, nó chỉ gây ảnh hưởng rất nhỏ đối với cỏ dại. Công nghệ gene có thể dùng để kiểm tra một cách hữu hiệu cỏ dại. Vấn đề là ở chỗ tạo ra cho cây trồng có thể sản xuất thuốc trừ cỏ dại với phổ rộng, đơn giản và an toàn cho môi trường. Nếu sử dụng được công nghệ vào cho cây trồng sẽ làm cho nông nghiệp giảm một lượng lớn thuốc trừ cỏ dại. Có 3 hướng công nghệ để tạo ra thuốc trừ cỏ dại: * Các nhà nghiên cứu ở Monsanto, Calgene, California đã dùng thuốc trừ cỏ dại tên là Roundup. Roundup là thành phần phổ rộng trừ cỏ dại lá to và mọc dày. Roundup ức chế hoạt động enzyme tổng hợp EPSP – enzyme này tham gia vào việc tạo acid amin thơm cần cho sự sinh trưởng
22. 42 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung của cỏ dại. Roundup không làm ảnh hưởng tới động vật (động vật không tiến hành tạo acid amin thơm). Hơn nữa, Roundup lại thóai hóa nhanh chóng trong môi trường để trở thành vô hại. Năm 1983, Luca Comai và David Stalker ở Calgene, Roger và Ganesh Kishore ở Monsanto đã tách được gene của enzyme tổng hợp EPSP từ vi khuẩn và cây trồng. Sau đó các nhà khoa học đã tạo những gene đã sản xuất ra lượng protein đó lớn hơn lên trong cây trồng rồi đưa vào cà chua, đậu, bông, cải dầu, và một số cây khác, các cây trồng có thể trừ được cỏ dại một cách có hiệu quả. * Các nhà nghiên cứu ở Du Pont đã dùng kĩ thuật nghiên cứu tương tự để tiến hành công nghệ gene hóa những cây trồng có thể không dùng thuốc diệt cỏ sulffonylurea. * Các nhà khoa học ở Hệ thống di truyền thực vật và hãng Hoechst - Đức đã có hướng tìm kiếm khác để loại trừ thuốc diệt cỏ. Từ vi khuẩn Streptomyces hygroscopicus đã tách ra một gene để enzyme đó ức chế chất diệt cỏ được gọi là Basta. Basta ảnh hưởng tới việc tổng hơp glutamine của enzyme trong cỏ dại và làm cho cỏ dại không lớn lên được. Nhưng trước khi gây hại, có thể xảy ra ở những cây trồng có gene làm ức chế Basta. Trong bảo vệ quả ít bị hư hại, công nghệ gene cũng đang phát huy tác dụng. Người ta đã xác định và tách một số gene đóng vai trò trong sinh tổng hợp ethylene - một phân tử liên quan đến sự chín của hoa quả. Sự chín kéo chậm lại để kịp thu hoạch và tạo mùi tốt hơn làm phẩm chất tăng lên. Có 2 phương pháp di truyền để tăng nguồn thu hoạch quả. Một là gài đoạn dịch mã antisen của gene chín để liên kết với RNA thông tin làm tắt gene. Athanosios theologis ở California và Don Grierson trường Đại học Tổng hợp Nottingham đã chứng minh rằng, các quả Cà chua có những gene antisen đã chống sự làm mềm. Thứ hai là đưa gene vào để tạo enzyme làm thóai hóa thành phần tiền chất hình thành ethylene, như vậy sẽ làm chậm sự chín và hư hỏng (công trình của Kishora và Harry Klee ở Monsanto). Gần đây các nhà khoa học Mĩ cấy vào cây 1 gene vi khuẩn sản sinh ra 1 chất chitinase tiêu diệt các tế bào của nấm (cấy vào cà chua, khoai tây, rau diếp và các giống cây tương tự nhưng chưa làm được đối với lúa, lúa mì, ngô và các cây có hạt khác). Ngoài CNSH ra, hiện nay người ta còn dùng 1 số biện pháp sinh học để thay thế thuốc trừ sâu hóa học như; nuôi ong mắt đỏ để diệt Sâu đay, dùng hạt cây sầu đâu để diệt gần 2000 loài sâu hại (trong sầu đâu có azadirachitine có tác dụng diệt côn trùng mạnh). Ấn Độ đã xây dựng nhà
23. 43 CNSH phục vụ nông lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung máy công suất 20 tấn hạt sầu đâu/ngày. Ở Pháp, người ta dùng bọ rùa để diệt rệp. Một con 1 ngày ăn khoảng 100 con rệp hại cây ăn quả, nên người ta gọi những “con bọ rùa dọn vườn”. Ở Mĩ, người ta ước tính cỏ dại Leafy Spurge 7 năm tới sẽ mọc dày 2 triệu ha đất trồng ở Bắc Mĩ, Canada, và sẽ làm tổn thất hơn 100 triệu USD. Người ta dùng bọ cánh cứng để tiêu diệt cỏ dại. Ở Đức, hàng ngàn ha rừng Sồi đã bị một loại nhện tàn phá trong mùa đâm chồi. Người ta phun Bacillus thuringiensis lên ngọn cây. Khi côn trùng ăn vào cùng với chồi non, lá non thì làm cho chúng không muốn ăn nữa và sau đó chúng bị thủng bụng, lăn ra chết. Ở Mĩ, người ta dùng loài virus polyeder để “săn đuổi và giết chết” các loài sâu và côn trùng độc hại, nhất là loại nhện độc. Ở Việt Nam ta đã thử nghiệm nuôi sâu xanh cho trộn thức ăn có virus. Sau 6-8 ngày mỗi virus thành 10.000 virus khác, tức là chiếm khoảng 30% trọng lượng khô của con sâu. Khi sâu chết, gắp riêng ra, nghiền nát lấy nước dịch. Dịch này lại đem phun diệt sâu xanh phái hại cây trồng. Nấm Boveroa cũng được dùng trừ sâu róm thông. Nấm Metthirum cũng đang được nghiên cứu trừ rầy nâu hại lúa. Virus NPV - virus đa nhân (nuclear polyhedrosis virus) và GV (graluclar virus) đang được sử dụng vào việc diệt sâu bông. Hiện nay người ta cũng đã dùng pheronom - chất tỏa ra mùi hương để dẫn dụ côn trùng tập trung vào một chỗ mà tiêu diệt. 4. CNSH trong việc sản xuất phân bón Nitrogen là một trong những nguyên tố cơ bản của sự sống, bởi vì nitrogene chiếm khoảng 16% trong protein. Nitrogen lại là thành phần quan trọng của acid nucleic mà protein và acid nucleic là thành phần quan trọng của sự sống. Ta biết rằng, trong không khí có 80-150 tấn N2/ha tức là gấp vạn lần so với nitrogene trong đất. Nhưng N2 ở dạng phân tử rất bền chắc “dạng khí trơ” cây không lấy trực tiếp được. Vì vậy, con người phải tạo ra những nhà máy khổng lồ và rất tốn kém để biến N2 thành dạng phân đạm urea, đạm nitrate, nitrite bón cho cây. Số lượng đạm trong nhà máy không đủ cho nhu cầu dinh dưỡng của cây (chỉ mới cung cấp 2-3% lượng đạm cho cây). Trong đất có một số vi sinh vật đất có khả năng cố định N2 trong không khí, vi khuẩn cộng sinh với cây bộ Đậu, các tảo lam sống tự do hoặc cộng sinh với bèo dâu đã sản xuất ra phân bón cho cây trồng.