Giáo trình môn Công nghệ sinh học trong sản xuất và đời sống

Nội dung text: Giáo trình môn Công nghệ sinh học trong sản xuất và đời sống

1. Trao đổi trực tuyến tại: www.mientayvn.com/chat_box_sinh.html
2. LỜI NĨI ĐẦU Cĩ thể nĩi rằng, CNSH đặc biệt là cơng nghệ gene thật là kì diệu, đã mở ra một triển vọng lớn lao giúp con người cĩ thể thực hiện được hồi bão to lớn trong một tương lai phát triển. CNSH được Nhà nước Việt Nam ưu tiên phát triển như một trong 4 ngành khoa học cơng nghệ trọng điểm. CNSH được coi là “cơng cụ hiện đại hĩa” của sinh học. Về bản chất, CNSH tự thân phải là một ngành khoa học cơng nghệ hồn chỉnh, cĩ tính độc lập về khoa học và về phạm vi ứng dụng, cĩ sức sống riêng và tồn tại như một lĩnh vực khoa học cơng nghệ hiện đại cùng với cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ điện tử đang gĩp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế xã hội. Để đáp ứng được yêu cầu đĩ, CNSH một mặt phải được xây dựng như các ngành khoa học hiện đại, bên cạnh đặc tính liên ngành phải dựa trên nền tảng khoa học riêng vững chắc và đặc thù khơng trùng lặp với các lĩnh vực khoa học cơng nghệ khác. Thật vậy, trong thế kỉ XXI, CNSH ngày càng chứng tỏ là một mũi nhọn của sinh học hiện đại. Trong lịch sử sinh học thế giới chưa bao giờ nhân loại đạt được nhiều thành tựu sinh học mới và cĩ ý nghĩa chiến lược như ngày nay. CNSH cĩ nội dung rất phong phú, đa dạng, ngày càng cĩ những thơng tin đổi mới và cập nhật. Vì vậy, những người viết giáo trình CƠNG NGHỆ SINH HỌC TRONG SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG này khơng sao thỏa mãn được hết những tri thức đang địi hỏi ở người đọc và cũng khơng sao tránh khỏi được những thiếu sĩt. Rất mong được sự gĩp ý chân thành của đồng nghiệp và bạn đọc. Cuốn sách này được xuất bản với sự tài trợ của Ban Điều phối Dự án Giáo dục thuộc Đại học Huế. Chúng tơi xin chân thành cảm ơn Ban Điều phối Dự án Giáo dục Đại học Huế đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho việc ra đời cuốn sách này. Cũng nhân đây, chúng tơi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Quốc Dung cán bộ trường Đại học Sư phạm Huế đã viết cho chúng tơi chương 2 ,mục 6: “Cơng nghệ sinh học trong tạo giống vật nuơi cho năng suất cao” và mục 7: Vector virus sống trong tạo vaccine thú y tái tổ hợp. Xin chân thành cảm ơn. Huế, tháng 03 năm 2005 Thay mặt các tác giả biên soạn PGS.TS. Trương Văn Lung Đại học Khoa học-Đại học Huế
3. 1 CNSH-Mở đầu Trương Văn Lung Mở đầu 1. Thế nào là cơng nghệ sinh học (CNSH) Sự bùng nổ của CNSH. Danh từ CNSH xuất hiện vào nửa cuối của thập kỉ 50-70 của thế kỉ XX, hiện nay được dùng khá phổ biến. Cho đến nay, chúng ta khơng biết ai là người đưa ra danh từ này và xuất xứ từ đâu? Cơng nghệ sinh học cĩ thể hiểu một cách đơn giản là cơng nghệ sử dụng các cơ thể sống để sản xuất các sản phẩm hữu ích phục vụ con người. Cũng cĩ nhiều người đưa ra nhiều định nghĩa, song chưa cĩ một định nghĩa nào bao trùm hết ý nghĩa của nĩ. Liên đồn châu Âu về CNSH (European Federation of Biotechnology) định nghĩa: CNSH là sự ứng dụng thực tiễn của các cơ thể sinh học hay thành phần tế bào của chúng để tạo ra những sản phẩm phục vụ cho sản xuất và đời sống, để điều khiển mơi trường sống. Cĩ người lại định nghĩa: CNSH là kĩ thuật cao sử dụng cơ thể sống hay những chất tách từ cơ thể ấy để tạo ra hay sữa đổi một sinh vật, nhất là để nâng cao các đặc tính cĩ giá trị kinh tế của các lồi động thực vật hay tạo ra những vi sinh vật cĩ khả năng tác động đến mơi trường. Vừa qua cĩ người lại cho rằng: CNSH được coi là ngành khoa học cơng nghệ của việc chuyển nạp gene (DNA) vào tế bào hay cơ thể chủ nhằm khai thác một cách cơng nghiệp các sản phẩm của gene đĩ phục vụ đời sống, phát triển kinh tế. Theo những định nghĩa trên cĩ thể hiểu CNSH theo hai nghĩa: Nghĩa rộng: bao gồm nhiều dạng sử dụng các sinh vật vào các mục đích sản xuất như làm rượu, làm men bánh mì, fromage (phomat), làm tương, chao, Nghĩa hẹp: CNSH kĩ thuật cao là CNSH phân tử được sử dụng những kĩ thuật hiện đại tái tổ hợp DNA, biến nạp gene qua con đường vector plasmid, cố định enzyme, gắn enzyme lên một cơ chất nào đĩ, giữ yên để sử dụng nhiều lần . Tùy thuộc vào việc hiểu định nghĩa rộng hay hẹp mà người ta phân ra hai loại: CNSH mới (new biotechnology) và CNSH cổ điển (classical biotechnology). Cơng nghệ sinh học cổ điển cĩ thể coi là CNSH xuất hiện trong lịch sử lồi người rất sớm, cĩ thể cách đây 5.000-8.000 năm, thậm chí 10.000 năm. Trong kinh thánh cũng đã nĩi đến qui trình làm giấm, làm rượu nho, làm dưa, đến nay chúng ta vẫn cịn sử dụng qui trình đĩ.
4. 2 CNSH-Mở đầu Trương Văn Lung Cơng nghệ sinh học mới xuất hiện khi kĩ thuật di truyền ra đời. Chúng ta sẽ cĩ dịp đi sâu vào vấn đề này trong những phần sau. 2. Lịch sử phát triển CNSH Từ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, CNSH phát triển như vũ bão. Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật đã cĩ những thay đổi cơ bản cĩ liên quan đến sự phát triển của vi sinh vật học, hĩa sinh học, lí sinh học, sinh học phân tử, di truyền học phân tử, hĩa sinh học hữu cơ. Nhiều mơ hình nghiên cứu giúp cho việc định hướng đúng đắn sự phát triển của CNSH đặc biệt là sinh học phân tử. Vào năm 1950-1960, trong nghiên cứu đã đạt được nhiều thành tựu to lớn, nổi bật nhất là vấn đề mã di truyền. Đến năm 1960-1962, chứng minh được cơ chế điều hịa hoạt động gene và sau đĩ (1969), tổng hợp được gene là một thành tựu to lớn trong sinh vật học. Sau năm 1972-1975, sự ra đời của kĩ thuật di truyền, tạo ra sự bùng nổ của CNSH, cĩ thể tiến hành những sản xuất sinh học bắt đầu những thao tác trong ống nghiệm (in vitro). Kĩ thuật di truyền đã tạo ra một cuộc cách mạng trong sinh học, đồng thời nĩ đánh dấu một bước phát triển trong sinh học phân tử. Những thành tựu của sinh học phân tử đã dẫn đến những thống nhất trong nghiên cứu sinh học làm sáng tỏ những nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Trước khi CNSH ra đời (từ năm 1950-1960) cũng đã cĩ những bước phát triển như sản xuất vaccine, kháng sinh, acid amin. Sự phát triển của CNSH đã lơi kéo, tập trung lớn các vấn đề sinh học. Hầu như những bước tiến lên của sinh học hiện đại lại mở ra những khả năng mới thường là hồn tồn bất ngờ đối với CNSH. Trước hết phải nĩi đến các phương pháp được hồn thiện nhờ cơng nghệ gene (genetic engineering) nhằm cấu trúc lại các chủng vi khuẩn nấm men với các gene lạ và với các đặc tính đã dự kiến trước. Tốc độ phát triển CNSH nhanh chĩng một cách dị thường, thực hiện ở qui mơ cơng nghệ rộng lớn về thức ăn gia súc, về thực phẩm và cả những hormone, peptid, neuropeptid, các chất cao phân tử sinh học phức tạp đến các hợp chất vơ cơ và hữu cơ tương đối đơn giản. Ngày nay, CNSH đĩ là cơng cụ cĩ thể áp dụng cho nhiều ngành kinh tế khác nhau như nơng lâm ngư nghiệp, sản xuất và chế biến thực phẩm, chăn nuơi thú y, y tế và sức khỏe cộng đồng, sản xuất các dược chất, sản xuất năng lượng, chuyển hĩa hĩa chất, chuyển hĩa sản phẩm phụ nơng nghiệp và cơng nghiệp, v.v. Nhờ phương pháp hĩa học dùng polyethylenglycol, phương pháp vật lí xung điện người ta đã dung hợp protoplast, phương pháp ngâm hạt
5. 3 CNSH-Mở đầu Trương Văn Lung phấn vào dung dịch DNA, phương pháp vi tiêm gene, phương pháp dùng súng bắn gene đã chuyển gene trực tiếp vào các tế bào khác nhau ở thực vật. hoặc, người ta đã chuyển gene gián tiếp được thơng qua việc sử dụng các vector plasmid hoặc tạo phơi soma v.v. Cĩ thể nĩi rằng, CNSH đặc biệt là cơng nghệ gene thật là kì diệu, đã mở ra một triển vọng lớn lao giúp con người cĩ thể thực hiện được hồi bão to lớn trong một tương lai phát triển với một thời gian rút ngắn. 3. Hứa hẹn của CNSH với các nước đang phát triển Trước cuộc gặp gỡ với các em học sinh trường PTTH, khi các em hỏi nhà bác học nổi tiếng, viện sĩ trẻ tuổi nhất – phĩ chủ tịch viện Hàn lâm Khoa học Liên Xơ (cũ) Iu. Ovchianhicov: Tại sao viện sĩ lại hiến dâng đời mình cho sinh vật học? Viện sĩ cĩ lấy làm tiếc về điều đĩ khơng? Nhà bác học mỉm cười và nĩi: * Khơng, tơi khơng tiếc Và sau đĩ giải thích: * Vâng, chắc là cĩ những khoa học khơng kém phần quan trọng hơn sinh vật học. Nhưng tơi khơng biết cĩ khoa học nào khác lại quan trọng hơn sinh vật hoc. Câu trả lời hồn tồn đúng đắn và tất nhiên đã chứa đựng trong đĩ lịng say mê và tình yêu của nhà bác học đối với lĩnh vực hoạt động sáng tạo đã được lựa chọn. Viện sĩ đã xác định một cách sâu sắc và rõ ràng vị trí khoa học về sự sống, về tính qui luật vận động vật chất sống trong hệ thống khoa học cơ bản, phức tạp và hiện đại. Cách đây hơn 40 năm, khi trả lời phỏng vấn của nhà khoa học thế giới về tương lai của di truyền một nhà khoa học về sinh học phân tử đã nĩi: “Khĩ mà tiên đốn, nhưng chỉ biết đến năn 2000 trong một buổi sáng mùa xuân, thí sinh của tơi sẽ trả lời được câu hỏi “bằng cách biến đổi di truyền thế nào và chuyển gene ra sao để những cây Đậu Hà Lan đổi chiều cuộn ngược lại từ phải sang trái trên giá đỡ, để sao cho tồn bộ các lá hứng được ánh sáng mặt trời tạo điều kiện cho quang hợp được tốt nhất. Và cũng bằng cách chuyển gene như thế nào để cĩ thể “bốc thuốc gene” chữa cho một hồng tử mắc bệnh tâm thần”. Ngày nay, cơng nghệ gene đã giúp cho việc chuyển gene ưu việt vào việc tạo giống mới, ghép các gene tăng sức đề kháng của cây như tạo ra nhiều chất ức chế sự tiêu hĩa của sâu bọ, người ta cũng đã chuyển gene protein capsid (những kháng thể của cây) cĩ thể chống được các virus.
6. 4 CNSH-Mở đầu Trương Văn Lung Người ta cũng đã dùng súng bắn gene đưa những gene chống chịu điều kiện bất lợi của ngoại cảnh vào cơ thể để chống hạn hán, chống sâu bệnh, v.v. Bằng phương pháp chuyển gene di truyền, người ta biến bị sữa cho bị yaourt, bằng phương pháp dung hợp protoplast người ta đã tạo ra những cây vừa ăn củ (củ khoai tây) vừa ăn quả (quả cà chua), sản xuất vaccine tái hổ hợp, làm phĩng đại gene với kĩ thuật PCR (polymerase chaine reaction) đã thu được nhiều kết quả quí báu. Đặc biệt ngày 26/6/2000, các nhà khoa học thuộc dự án lập bản đồ gene người, một dự án đa quốc gia do Anh, Mĩ tài trợ và cơng ti Celera Genomics (CG) của Craig Venter cùng cơng bố bản đồ gene (BĐG) người và được đánh giá tương đương với việc nhà du hành vũ trụ Mĩ Neil Amstrong đặt bước chân đầu tiên lên mặt trăng vào năm 1969; và hơn cả thành tựu tìm ra thuốc kháng sinh . Đĩ là một thành tựu to lớn nhất trong lịch sử di truyền học, sinh học phân tử và y học phân tử kể từ khi Watson và Crick cơng bố cấu trúc xoắn kép của phân tử DNA năm 1953. Trước đĩ các nhà khoa học ước tính ít nhất phải đến 2005 mới thiết lập được BĐG cho khoảng 80% các gene trong hệ gene người với kinh phí ít nhất là ba tỉ USD. Trong thực tế, các nhà khoa học đã cơng bố BĐG người với 97% và đến năm 2002 người ta đã giải mã hồn tồn BĐG người. Người ta đã phát hiện rằng, trong con người chỉ cĩ 30.000 đến 35.000 gene (trước đây người ta cho rằng trong con người cĩ từ 60.000 đến 100. 000 gene). Một số đối tượng khác lại cịn cao hơn như ở lúa cĩ 50.000 gene. Nhìn chung thì cĩ đến 98% gene tương đồng.
7. 5 CNSH-Mở đầu Trương Văn Lung Bản đồ gene HƯ ggenee ngg­­ êii Tiếp theo đĩ, người ta đã phát hiện nhiều gene cĩ khả năng trị nhiều bệnh hiểm nghèo cho con người. Hơn thế nữa, ngày 27/12/2002 Giám đốc điều hành cơng ti sinh sản vơ tính (SSVT) Clonaid-Brigitte Boisselier cho biết nhĩm nhà khoa học thuộc cơng ti này lần đầu tiên đã thực hiện thành cơng ca SSVT vào ngày 26 tháng 12 năm 2002 và cho ra đời bé gái đặt tên là Eve. Khơng ảnh, khơng băng hình, khơng tiết lộ danh tính người phụ nữ 31 tuổi thực hiện ca SSVT, Boisselier nĩi rằng clonaid sẽ cung cấp chứng cứ bằng mẫu DNA trong 8-9 ngày kể từ ngày cơng bố. Xét ở gĩc độ khoa học, người ta cịn bán tính bán nghi thơng tin trên. Nhưng ở gĩc độ xã hội, sự điên rồ trong ý tưởng được nâng lên tầm “tơn giáo” của Clonaid thì khơng ai ngờ vực.
8. 6 CNSH-Mở đầu Trương Văn Lung Việc nhân bản vơ tính con Cừu Dolly đã nổi tiếng một thời (tháng 2 năm 1997), nay Cừu Dolly đã chết sau 6 năm tuổi (cơng bố ngày 15/2/2003). Phân tích thì thấy nĩ đã 12 năm tuổi vì lấy tế bào từ mẹ nĩ cĩ 6 năm tuổi, sau này người ta cịn nhân bản nhiều động vật khác như chuột, mèo, dê, lợn.Gần đây, ngày 7/8/2003, TS Golli người Italia thực hiện việc nhân bản thêm con ngựa. Việc nhân bản vơ tính các động vật đã mở ra một hướng mới trong việc bảo tồn nguồn gene quí hiếm của các động vật cĩ nguy cơ diệt chủng và đang diệt chủng. Thời gian gần đây người ta cũng đã nuơi cấy tế bào gốc (stem cells) .Khi phơi cịn ở giai đoạn rất sớm mới cĩ 8 tế bào thì một tế bào đều cĩ khả năng phát triển thành một phơi hồn chỉnh hoặc phân hĩa thành bất kì loại tế bào nào của cơ thể sau này. Những tế bào này được gọi là tế bào gốc nguyên phát. Ở nhau thai một số tế bào cũng cịn duy trì được khả năng phân hĩa tiềm năng và cĩ thể nuơi cấy thành dịng tế bào gốc thứ phát. Người ta cũng đã ứng dụng cơng nghệ nano sinh học (bionanotechnology) cho phép thu nhận những thơng tin về hệ thống sinh học ở mức lượng tử, đầu dị kích thước nano tới kích thước một phân tử riêng rẻ dùng trong chẩn đốn bệnh. Cơng nghệ nano là phương pháp in stitu mới để cung cấp thơng tin tốt hơn về chức năng tế bào, là cơng nghệ thao tác cải biến 2 chiều và 3 chiều đối với mơ và tế bào, vận chuyển và phân phối thuốc hoặc gene vào mơ và tế bào thơng qua khống chế kích thước hạt, hoạt hĩa và giải phĩng chất thuốc qua cơ chế và thiết bị như bơm kích thước nano, van tế bào vào cơ quan nhân tạo. Ở Việt Nam, chúng ta cũng đã dùng phương pháp trực tiếp bắn gene và phương pháp gián tiếp chuyển gene bằng con đường plasmid để đưa gene chống chịu rầy nâu vào cây lúa (viện Lúa Đồng bằng sơng Cửu Long), cây mía chịu hạn (viện CNSH Hà Nội) đạt kết quả bước đầu. Xí nghiệp Dược TW cũng đã chuyển nạp gene để chế vaccine cĩ kết quả. Gần đây, ngày 24 tháng 2 năm 2004, tiếp theo viện CNSH Hà Nội, viện Pasteur thành phố Hồ Chí Minh cũng đã giải mã thành cơng bộ gene H5N1 (gây bệnh cúm ở người từ gà) để cĩ hướng điều trị bệnh này. Những thành tựu khoa học hiện nay, những kinh nghiệm của thế giới đã chứng minh rằng: người ta ngày nay đã chú ý đến những gì đã xẩy ra trong tồn bộ sinh học và nhất là trong những lĩnh vực riêng của sinh học – CNSH. Ý nghĩa xuất sắc của CNSH là ở chỗ nhờ sức mạnh đa dạng của mình mà nĩ đã mở ra những con đường mới mẻ để giải quyết hàng loạt
9. 7 CNSH-Mở đầu Trương Văn Lung các vấn đề cĩ tính tồn cầu như tính hạn chế và mối đe doạ thực sự của tiêu hao các nguồn năng lượng, thực phẩm truyền thống và cuối cùng là sự ơ nhiễm mơi trường xung quanh. Đối với các nước đang phát triển, CNSH là một vấn đề then chốt, mà vốn các nước này đã bị coi là khác biệt so với các nước cĩ nền cơng nghiệp phát triển. Thời gian qua, trong các nước đang phát triển cĩ một số nước vươn lên và đạt trình độ khoa học cơng nghệ cao. Họ cĩ một nền tảng cơng nghệ vững và một thị trường đủ rộng để đảm bảo làm chủ một số mũi nhọn CNSH hướng chúng vào phục vụ các nhu cầu của nước mình. Tuy nhiên, đa số các nước đang phát triển cịn đang thiếu nguồn vốn để khai thác các cơng nghệ đĩ, thiếu hạ tằng cơ sở cho nhiều nghiên cứu cơ bản, ứng dụng và thiếu người cĩ trình độ cần thiết cho các ngành cơng nghiệp sinh học. Vì vậy các nước này phải kết hợp hài hịa những tiến bộ của CNSH với tình trạng thiếu vốn nhưng lại dư thừa lao động, những bí quyết của CNSH, qui trình CNSH cổ truyền v.v. Hiện nay các nước nghèo nhất và kém phát triển về mặt cơng nghệ và khoa học cũng cĩ thể thu được một số lợi ích do tiến bộ của CNSH và tham gia vào cuộc “cách mạng CNSH” nhờ các mạng lưới hợp tác quốc tế và khu vực. Riêng khu vực châu Á, một số trung tâm CNSH ra đời như trung tâm Tư liệu Thế giới về các Vi sinh vật MIRCEN ở Nhật Bản, viện CNSH của Đại học Osca, viện Nghiên cứu Khoa học Kĩ thuật Thái Lan (cho vùng Đơng Nam Á), trung tâm New Delhi nghiên cứu về cố định N2 sinh học, tính chống chịu cây lương thực, cải thiện và phân phối chất dinh dưỡng trong thực vật, tăng trưởng và tái sản xuất gia súc, phát vaccine phịng bệnh nhiệt đới. Viện Nghiên cứu Cao su bằng nuơi cấy mơ ở Malaysia (RRIM), cơng ti Mực in và Hĩa chất Dainippon (DIC) Tokyo Nhật Bản chuyên sản xuất các chất sinh học tinh khiết và các chất màu thực phẩm, thức ăn cho cá, mĩ phẩm từ các lồi tảo. v.v. Cơng nghệ sinh học cĩ tầm quan trọng to lớn, vì vậy, CNSH đã trở thành một trong bốn mũi nhọn của thế giới ngày nay (điện tử và tin học, năng lượng, vật liệu mới, cơng nghệ sinh học). Ở Việt Nam, Đảng và Nhà nước ta cũng đã thấy rõ tầm quan trọng của CNSH. Văn kiện Hội nghị lần thứ VII của Ban chấp hành TW Đảng khĩa 2 cũng đã nhấn mạnh: “Ưu tiên và ứng dụng phát triển các cơng nghệ tiên tiến như: cơng nghệ thơng tin phục vụ yêu cầu điện tử hĩa và tin học hĩa nền kinh tế quốc dân; CNSH trước hết phục vụ phát triển nơng, lâm,
10. 8 CNSH-Mở đầu Trương Văn Lung ngư nghiệp, chế biến thực phẩm, dược phẩm và bảo vệ mơi trường sinh thái; cơng nghệ chế tạo và gia cơng vật liệu, nhất là nguồn nguyên liệu trong nước” (bài phát biểu của đ/c nguyên Tổng Bí thư Đổ Mười tại Hội nghị lần thứ 7 BCH TW Đảng khĩa VII ngày 25/7/1994 trang 84). Trong các Đại hội VIII, IX, Đảng ta cũng rất chú trọng đến vấn đề CNSH. Trong Hội nghị Cơng nghệ Sinh học tồn quốc 2003 (ngày 16- 17/12/2003), trong định hướng nghiên cứu và triển khai của viện CNSH thuộc viện Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam, PGS.TS. Trần Lê Bình Viện trưởng viện CNSH đã đặt vấn đề: CNSH được nhà nước Việt Nam ưu tiên phát triển như một trong 4 ngành khoa học cơng nghệ trọng điểm. CNSH được coi là “cơng cụ hiện đại hĩa” của sinh học trong việc phục vụ phát triển nơng lâm ngư nghiệp, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và mơi trường bền vững.Về bản chất, CNSH tự thân phải là một ngành khoa học cơng nghệ hồn chỉnh, cĩ tính độc lập về khoa học và về phạm vi ứng dụng, cĩ sức sống riêng và tồn tại như một lĩnh vực khoa học cơng nghệ hiện đại như cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ điện tử đang gĩp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế xã hội. Để đáp ứng được yêu cầu đĩ, CNSH một mặt phải được xây dựng như các ngành khoa học hiện đại, bên cạnh đặc tính liên ngành phải dựa trên nền tảng khoa học riêng vững chắc và đặc thù khơng trùng lặp với các lĩnh vực khoa học cơng nghệ khác như cơng nghệ gene, cơng nghệ tế bào động thực vật và vi sinh vật, cơng nghệ enzyme và protein. Mặt khác, CNSH phải cĩ mục tiêu và nội dung nghiên cứu đặc trưng riêng, đĩ là xây dựng và phát triển ngành Cơng nghiệp sinh học với chủng loại cơng nghệ và hàng hĩa mang dấu ấn đặc thù của CNSH mà những định hướng hồn thiện và chuyển giao cơng nghệ phục vụ sản xuất. Rõ ràng, CNSH là cái chìa khĩa mở đường cho sự phát triển nền kinh tế của đất nước. Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật nĩi chung và cuộc cách mạng CNSH nĩi riêng đã thu hút nhiều người trên trái đất này tham gia vào sự nghiệp cao cả đĩ. Viện sĩ N.N. Semionov đã viết rằng: “Đặc điểm cơ bản của khoa học ở thế kỉ thứ XX là ở chỗ, nĩ khơng cịn là người nữ tì của sản xuất mà trở thành người mẹ của sản xuất. Sinh học đã chiếm một vị trí như thế. Tiếp sau đĩ là vật lí học và hĩa học”.
11. 9 CNSH phục vụ nơng lâm ng ư nhi ệp Truong Văn Lung 1 CƠNG NGHỆ SINH HỌC PHỤC VỤ NƠNG LÂM NGƯ NGHIỆP Chương I: Cơng nghệ sinh học với năng lượng 1. Từ năng lượng mặt trời đến năng lượng sinh học. Chúng ta phải mang ơn mặt trời vì tất cả sự giàu cĩ của thế giới hữu cơ quanh ta. Tia sáng mặt trời tương tác với chất diệp lục của cây xanh tạo ra sự kì diệu của quang hợp. Từ các chất vơ cơ đơn giản của tự nhiên như nước, CO2 của khơng khí, muối N2, phosphor, thực vật tạo ra các chất hữu cơ rất phức tạp về cấu trúc (tức là đặc trưng cho cơ thể sống và tham gia vào thành phần của các cơ quan và các mơ của chúng) đĩ là đường, acid amin, nucleotide, vitamin, Như vậy, thực vật hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời, tạo ra các chất dinh dưỡng, đĩ là hiện tượng quang hợp. Nĩi một cách khác, quang hợp là một quá trình biến quang năng thành hĩa năng và năng lượng đĩ được tích lũy lại trong các hợp chất hữu cơ. Một kg chất khơ hữu cơ cĩ dự trữ trong đĩ 4.000 kcalo,. Tổng lượng chất hữu cơ do thực vật tổng hợp được trên trái đất hàng năm ước độ 4,5.1011 tấn (tính ra bằng đường glucose). Hàng năm con người chỉ sử dụng 3,5% chất hữu cơ do thực vật ở cạn tổng hợp được, cịn chất hữu cơ do thực vật ở nước tổng hợp được, con người sử dụng cịn đang ít. Ngồi ra, trong phản ứng quang hợp cịn giải phĩng ra O2 rất cần cho hơ hấp của mọi sinh vật và cho các quá trình oxyhĩa khác (hàng năm trên trái đất cây thải ra trong khơng khí 15.104 tấn phân tử oxygen). Do đĩ, tia sáng mặt trời là cơ sở năng lượng của mọi sự sống. Mặt trời cung cấp một cách rộng rãi năng lượng cho con tàu vũ trụ của chúng ta – trái đất. Theo tính tốn của các nhà bác học thì hành tinh này mỗi năm nhận được từ mặt trời khoảng 5.1019 kcalo. Số lượng nhiệt năng này đủ sản xuất ra một năng lượng điện khoảng 2.1026 kw/h, tức là bằng số lượng
12. 10 CNSH phục vụ nơng lâm ng ư nhi ệp Truong Văn Lung điện tạo ra trong một năm của khoảng 9 triệu nhà máy điện cĩ cơng suất tương đương với nhà máy thủy điện Brataki. Tất cả thế giới cây xanh của trái đất chỉ sử dụng hết cĩ một phần nhỏ do năng lượng mặt trời đưa tới: 1-2%. Các nhà bác học kiên trì tìm kiếm các con đường cho phép nâng cao hiệu suất quang hợp dù chỉ thêm một vài lần (thực tế ở một số nước ở một số cây trồng cũng đã cĩ hệ số sử dụng quang năng trong quang hợp là 2-4%), chắc hẵn là điều đĩ sẽ mang lại những lợi ích khơng thua kém gì việc chiếm lĩnh năng lượng nhiệt hạch. Cũng cần nhấn mạnh rằng, mặc dù trong tương lai chúng ta sẽ khai thác nguồn năng lượng hạt nhân để sử dụng, song mặt trời vẫn là năng lượng chủ yếu đối với sự sống trên trái đất. Đúng như nhà vật lí học người Pháp Pierre Curie đã phát biểu (1949) “Mặc dầu tơi vẫn tin ở tương lai của năng lượng nguyên tử và thấy rõ tầm quan trọng của phát minh này, tuy nhiên, tơi cho rằng cuộc cách mạng thực sự trong năng lượng học sẽ đến chỉ lúc nào mà chúng ta cĩ thể thực hiện được sự tổng hợp hàng loạt các phân tử tương tự như diệp lục hoặc chất lượng cịn tốt hơn. Muốn đạt được mục đích đĩ, trước hết cần nghiên cứu tỉ mỉ kiểu phân tử đĩ và tác dụng của quang hợp”. Ở đây chúng ta chưa kể đến trữ lượng thực vật hĩa thạch cũng rất lớn. Chỉ mới tính riêng dự trữ C trong than đá, dầu hỏa và các khí thắp đã đạt tới 1018 tấn (trung bình 200 tấn/ha vỏ quả đất). Theo thống kê chưa đầy đủ thì dự trữ C trong các chất hữu cơ của sinh vật, trong các cặn bã chất hữu cơ của các sinh vật đã chết, trong hĩa thạch do hoạt động của quang hợp trước đây của thực vật tạo ra cũng đạt tới 6.1015 tấn. 2. Các biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời và tạo năng lượng bằng biện pháp sinh học Hiện nay chúng ta phải sử dụng một cách khơn ngoan hơn, triệt để hơn các của cải mà quá trình quang hợp đang tạo ra hiện nay và đã tạo ra từ hàng chục, hàng trăm, thậm chí hàng triệu năm trước đây. Những kho báu này khơng đếm xuể. Phần lớn chúng chưa được sử dụng hoặc sử dụng khơng được tốt, nếu tận dụng hết hiệu suất quang hợp thì thực vật ở biển, ở đại dương, sơng ngịi, ở lục địa cũng cĩ thể dùng năng lượng mặt trời để tổng hợp ra một số lượng chất hữu cơ to lớn biết bao (A.A. Nhishiporovitch). Chỉ tính riêng trên cạn (khoảng 1/3 bức xạ chung của mặt trời chiếu xuống hành tinh chúng ta) mỗi năm đã tổng hợp được 53 tỉ tấn chất hữu cơ, trong đĩ trên đồng ruộng: 11 tỉ tấn, trên thảo nguyên và trên đồng cỏ: 6 tỉ tấn và trên rừng: 36 tỉ tấn. Chỉ một phần rất nhỏ khối lượng vật chất thực vật to lớn này được con người dùng làm thức ăn trực tiếp hoặc thức ăn gián tiếp (dưới dạng
13. 11 CNSH phục vụ nơng lâm ng ư nhi ệp Truong Văn Lung các sản phẩm cĩ nguồn gốc động vật). Để làm thức ăn cho con người chỉ dùng hết 6% các sản phẩm quang hợp được tạo thành trên đồng ruộng 0,03% sinh khối được tạo ra bởi thực vật trên thảo nguyên và trên đồng cỏ và chỉ khoảng 0,03% sinh khối được tạo ra trên rừng. Ở biển và đại dương nơi nhận 2/3 bức xạ mặt trời đã tổng hợp ra ít nhất cũng khơng kém phần sinh khối ở cạn, nhưng chỉ một phần nhỏ dùng làm thức ăn trực tiếp hoặc thơng qua tơm, cá, động vật mà làm thức ăn cho con người. Ngồi việc sử dụng “cái sẵn cĩ” của vật chất do quang hợp tạo ra, chúng ta cần nâng cao hiệu quả của bộ máy quang hợp như tìm những test thử nhanh để phát hiện những dịng cĩ hiệu quả quang hợp cao trước hết là dùng những lồi vi Tảo. Hoặc, đi sâu vào việc tìm hiểu cơ chế di truyền nhất là di truyền quang hợp ở bộ máy lục lạp hoạt động cĩ hiệu quả cao hơn, bằng những kĩ thuật tưới nước, bĩn phân hợp lí, chọn giống cây trồng cĩ năng suất cao, phẩm chất tốt, chống chịu giỏi. Áp dụng các kĩ thuật in vitro để nhân nhanh các giống cây trồng. Theo dự báo của một cơng ti tư vấn khoa học giống cây trồng quốc tế, sản lượng lương thực thế giới sẽ tăng 5-10% trong vịng vài năm tới chỉ riêng nhờ áp dụng CNSH (Withen và Anderson, 1986; Faillin, 1986) Bảng I.1. Sản lượng hiện nay và tương lai của một số cây trồng nơng lâm nghiệp Cây trồng Sản lượng hiện nay Sản lượng tương lai (tấn/ha) (tấn/ha) Mía 70-90 150-200 Sắn 15-20 60-100 Cà chua 20-40 60-100 Cọ dầu 2-5 10-12 Lạc 1,6 4,0 Thầu dầu 0.6 2,5 Thơng (ơn đới) 6,8 20-30 Thơng (nhiệt đới) 12-20 40-60 Cây lá rộng (nhiệt đới) 10-20 40-100 Tre 25 100 Ngồi những cây lương thực thực phẩm cung cấp năng lượng cho con người trong bữa ăn hằng ngày, chúng ta cũng cần tận dụng một số cây khác, cĩ nguồn năng lượng phục vụ cho đời sống xã hội, như những cây cĩ dầu (cây Dừa, Cọ dầu, Jojoba) cây cĩ nhựa mủ dùng làm chất đốt thay dầu mỏ, sinh khối các loại cây lấy mủ này khoảng 10 tấn/năm tương đương 1,5 tấn dầu mỏ, cây lấy tanin (Jojoba). Về tạo nguồn năng lượng những cuộc thí nghiệm tiến hành tại Brazil, Trung Quốc hay Ấn Độ cũng như các nước đang phát triển khác đã
14. 12 CNSH phục vụ nơng lâm ng ư nhi ệp Truong Văn Lung cho thấy cĩ thể kết hợp hoặc liên kết việc sản xuất năng lượng với việc sản xuất nơng nghiệp và thực phẩm đã cải thiện điều kiện sinh dưỡng ở nơng thơn bằng biện pháp CNSH. Ở Brazil, chương trình Pro-alcohol phát động từ năm 1975 đã làm tăng trong một thời kì tương đối ngắn sản lượng ethanol chủ yếu từ phương thức cho lên men đường mía. Sản lượng đã đạt tới 8 tỉ lít ethanol hàng năm vào năm 1984 (Larovier, 1985). Mức tiêu thụ trong năm 1985 là 9 tỉ lít và năm 1986 là 12 tỉ lít ethanol (hai triệu bốn trăm nghìn ơ tơ trong số 8.200.000 chiếc đã tiêu thụ loại nhiên liệu chứa 20% ethanol). Việc sản xuất alcohol nguyên liệu chủ yếu là mật rỉ đường, sắn, dịch ép cây cao lương ngọt (Sweet sorghum), củ cải đường. Con đường tạo khí methan (biogas): Ở Trung Quốc sản xuất khí sinh học (biogas) bắt đầu trong những năm 1950 với 5 triệu bể sinh methan được xây dựng ở tỉnh Tứ Xuyên trong tổng số trên 7 triệu bể ở khắp cả nước. Chương trình biogas lúc đầu chỉ nhấn mạnh vào việc thiết kế và việc chế tạo bể hơn là khía cạnh vi sinh vật học (điều kiện lên men vi sinh vật học và những vi khuẩn sinh khí methan và khơng sinh methan). Những nghiên cứu ở Thượng Hải đã sửa chữa những khuyết tật này và tìm ra hướng sử dụng ở nơng thơn (Chiao, 1986, theo [8]). Hội nghị vi sinh vật biogas tổ chức năm 1981 và 1983 đã dành nhiều hơn cho các mặt nghiên cứu cơ bản. Người ta thấy các vi khuẩn sinh hydrogen và nuơi cấy hỗn hợp làm giàu các vi khuẩn methan đã sản sinh ra lượng methan lớn hơn nhiều (Sun et al., 1981, theo [8]). Người ta cũng nhấn mạnh các yếu tố khơng sinh methan giữ vai trị hệ trọng trong việc sản xuất biogas. Hơn nữa, việc tách các chủng tinh khiết của vi khuẩn sinh methan như: Methanosarcina, Methanobrevibacter arboriphilus, Methanobacterium formicium, Methanococcus mazei đã làm rõ hơn việc sản sinh biogas và làm tăng hiệu quả của quá trình (Chiao, 1986, theo [8]). Chương trình biogas Trung Quốc chẳng những làm cải tiến việc sản xuất và tiêu dùng năng lượng cho gia đình mà cịn nhằm kết hợp ngày càng mạnh việc sản xuất lương thực, lặp lại chu trình những thải bã hoa màu và ngăn cản việc gây nhiễm. Các hệ thống phối hợp sản xuất năng lượng và thực phẩm đã được phát triển ở các làng mạc. Tại Xin Bu ở xã Lelin, trên đồng bằng sơng Châu Giang gẩn Quảng Đơng, 1.500 làng đang dùng lị chế tạo đặc biệt để sấy gỗ với nhiệt lượng 35-40% lị đun nước bằng sức nĩng mặt trời, đặt trên mái nhà cung cấp 60-100 lít nước 50oC hàng ngày về mùa đơng và 70oC về mùa hè. Như vậy, tiết kiệm 20-30% methan tùy mỗi gia đình sử dụng. Cĩ nơi dùng biogas làm lị sấy khơ ở các trại nuơi Tằm. Ngồi ra, những cặn bã dư thừa từ việc lên men methan, chất thải được dùng làm phân bĩn để trồng Nấm, dùng làm thức
15. 13 CNSH phục vụ nơng lâm ng ư nhi ệp Truong Văn Lung ăn cho cá, gĩp phần làm sạch sản phẩm phụ và loại bỏ các phế thải (Larovier, 1985). Người ta cũng cĩ thể sử dụng Tảo đơn bào để sản xuất hydrocarbur như Botriococcus baurii. Tảo này đã được một số nha khoa học Pháp (ở trường Đại học cao cấp Quốc gia) năm 1976 quan tâm. Trong Tảo cĩ chứa lượng hydrocarbur từ 15-17% trọng lượng khơ. Đây là lồi Tảo nước ngọt, nuơi trồng trong điều kiện mơi trường dung dịch tốt cĩ thể thu được 60 tấn chất khơ/năm, đem nĩ chưng cất nhẹ, cĩ thể dùng như dầu mỏ. Các chất đốt tích lũy ở phần tế bào vỏ, đem li tâm mạnh, các chất này sẽ tách ra, tế bào vẫn cịn sống cĩ thể đem nuơi lại. Hiện nay người ta thấy rằng, vỏ tế bào này chứa những chất tương tự như dầu mỏ nên dùng nĩ làm mơ hình nghiên cứu quá trình tạo thành dầu mỏ. Trên cơ sở nghiên cứu về cơ chế của quá trình quang hợp, đặc biệt là các cấu trúc của lục lạp liên quan đến chức phận của nĩ như thế nào và việc hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời, biến năng lượng đĩ thành dạng năng lượng hĩa học ra sao (phần này sẽ nĩi rõ ở chuyên đề Quang hợp và năng suất ở thực vật) người ta đã chế tạo ra một số bộ phận (máy mĩc) để sử dụng năng lượng mặt trời như pin sinh học: một hợp chất chứa những sinh vật tạo năng lượng (do Potter chế tạo, 1925). Những điện cực platinum và dịch nuơi cấy yếm khí hoặc nấm men Saccharomyces cerevisiae hoặc E. coli tế bào xuất hiện điện thế âm xuất hiện điện cực dương của platinum. Điện cực dương platinum này được đặt trong mơi trường vơ trùng O2. Nếu cĩ lên men sẽ tạo nên dịng điện cĩ điện thế 0,3- 0,5 volt, cường độ dịng điện 0,02 mA. Năm 1950-60, các nghiên cứu 4ē 4ē này được hồn chỉnh, đến nay 4H+ OH- đã bắt Nămđầu đưa 1950-1960 vào con tàu vũ trụ để sử dụng. 2H2 2H2O → ← Sau này người ta sử H2 O2 dụng những chất khơng tích điện như glucose: Anode Cathode Màng vi sinh vật lên men Pin sinh học đơn giản H2 – O2 Glucose H2 Người ta cũng cĩ thể dùng enzyme để biến đổi một số chất tạo H2.
16. 14 CNSH phục vụ nơng lâm ng ư nhi ệp Truong Văn Lung H2 Ngồi việc tạo ra nguồn điện sinh học (pin sinh học ), người ta đang nghiên cứu sử dụng các màng quang hợp. Như ta đã biết, các sinh vật cĩ khả năng tạo năng lượng. Người ta cĩ thể cố định tế bào để thu năng lượng. Ví dụ; những vi khuẩn quang hợp nhờ ánh sáng tạo thành H2 + ATP. Tảo lam Cyanobacteria → H2 + NADPH2 mà NADPH2 là chất tích trữ năng lượng (NADPH2 → NADP cho ta 4ATP). Ở thực vật thượng đẳng trong lục lạp cĩ màng thylakoid là nơi tạo ra H2, H2O2, NADPH2. Cũng đã cĩ nhiều thí nghiệm biến năng lượng mặt trời thành điện năng. Ở Nhật Bản, người ta sử dụng điện cực là oxyd titan. TiO2 được bao bởi hệ thống quang hĩa I (PsI) được chiếu sáng . Chất khử được dùng là ascorbate hay hydroquinon. Phản ứng như sau: + P700 + TiO2 → P 700 + TiO2ē cb (condition barid = dây dẫn) + P 700= + ascorbate → P700 + dehydroascorbate + P 700 + hydroquinon → P700 + quinon Bằng cách này cĩ thể tạo được dịng điện 100 mA. Dịng điện tạo được khơng lớn nên phải sử dụng điện cực tinh vi - điện cực được bọc bằng protein. P700 khá phức tạp nên trong tương lai sẽ cố định màng thylakoid để biến quang năng thành điện năng và sẽ sử dụng trong các dụng cụ tinh vi như máy điện tốn. Về mặt kĩ thuật định hướng cho con người trong tương lai là nghiên cứu sử dụng trực tiếp biến quang năng thành điện năng.
17. 15 CNSH phục vụ nơng lâm ng ư nhi ệp Truong Văn Lung Hiện nay, quang năng → hĩa năng (dầu, than đá, khí đốt) → nhiệt năng (đốt nĩng) → cơ năng (quay) → điện năng. Nếu tìm cách chuyển thẳng quang năng → điện năng thì sẽ tiết kiệm rất nhiều và tránh việc tạo nhiệt năng đốt nĩng và sẽ gây ơ nhiễm. Cịn ở quang hợp, thực hiện được như ở thực vật sẽ làm tinh sạch khơng khí. Ngày nay, người ta cũng đang nghiên cứu chế tạo các biosensor, biochip là những protein thu nhận ánh sáng để sử dụng trong máy điện tốn và trong các dụng cụ tinh vi khác.Ví dụ: ở Anh dùng Rhodopsine thu nhận năng lượng lượng tử chuyển vào tế bào thần kinh tạo thành dịng điện sinh lí. Ở vi khuẩn Halobacterium halobium cĩ chất bacteriorhodopsine nằm ở màng ngồi của tế bào. Bacteriorhodopsine hấp thụ lượng tử của năng lượng ánh sáng mặt trời tạo nên những biến đổi làm cho màng cĩ sự chênh lệch gradien làm bơm photon và tạo năng lượng. Chế được loại protein cĩ khả năng thu lượng tử như trên thì tương lai sẽ được chế tạo các bộ phận này để sử dụng trong các máy điện tốn. Đương nhiên, làm được việc này sẽ cĩ sự phối hợp của các nhà sinh vật, hĩa học và điện tốn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trương Văn Lung, 1999. Chuyên đề Quang hợp và năng suất ở thực vật. Tủ sách Đại học Khoa học Huế. 2. Trương Văn Lung, Võ Thị Mai Hương, 1999, Giáo trình lí thuyết Sinh lí học thực vật. Tủ sách Đại học Khoa học Huế. 3. Nguyễn Duy Minh, 1981. Quang hợp.Nxb Giáo dục Hà Nội. 4. Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hồng Minh Tấn, 1998. Sinh lí học thực vật. Nxb Giáo dục Hà Nội. 5. G rodzinski A.M., Grodzinski Đ.M., 1964. Sách tra cứu tĩm tắt về Sinh lí thực vật. Nguyễn Ngọc Tân và Nguyễn Đình Huyên dịch năm 1981. Nxb Mir Moskva và Nxb Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 6. Heath O. V. S., 1972. Photosynthes. Izd. “Mir”, M. 7. Oparin A.I., 1967. Cơ sở Sinh lí học thực vật. Tập 1. Lê Đức Diên và những người khác dịch năm 1975. Nxb Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 8 Sasson Albert,1988. Biotechnologies and development Cơng nghệ sinh học và phát triển. Người dịch: Nguyễn Hữu Thước, Nguyển Lân Dũng và một số dịch giả khác. Nxb Khoa học & Kỹ thuật Hà Nội.
18. 16 CNSH phục vụ nơng lâm ng ư nhi ệp Truong Văn Lung
19. 16 CNSH phục vụ nơng lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Chương II Cơng nghệ sinh học phục vụ nơng lâm ngư nghiệp 1. CNSH cổ truyền trong việc tạo giống mới 1.1. Chọn lọc tự nhiên Từ xa xưa con người cũng đã biết chọn giống cây trồng, ngay cả thời kì ăn lơng ở lỗ, cách đây 5000-6000 năm.Theo tài liệu ghi chép được thì nhà chọn giống đầu tiên cĩ ý thức ở châu Âu là Lecourteur người Pháp ở đảo Gerseille (1 hịn đảo ở giữa Anh và Pháp) vào đầu thế kỉ thứ XIX. Một hơm ơng mời một người bạn ở Espain (Tây Ban Nha), là một nhà thực vật học tên là Lagaska đi tham quan đồng ruộng lúa mì. Ơng bạn thấy lúa mì tuy gieo cùng một giống nhưng lại cĩ cây rất khác nhau. Theo gợi ý của bạn, Lecourteur đem gieo riêng 23 dịng khác nhau. Ơng đã chọn được một giống mới. Đĩ là phương pháp chọn lọc. Bằng phương pháp này, về sau nhiều nhà chọn giống đã chọn được nhiều giống mới đạt với ý muốn của con người. Cơ sở khoa học của việc tạo dịng mới này là qua quá trình phát triển cá thể, trong điều kiện bất lợi của mơi trường cá thể nào khơng chịu đựng đựoc thì bị tiêu diệt. Trong điều kiện bất lợi đĩ cĩ một số đã tạo ra một số chất để chống chịu với mơi trường làm thay đổi cấu trúc và hình thái, cải biến kiểu gene và kiểu hình của quần thể theo hướng thích nghi và tạo ra lồi mới. Học thuyết J.B.Lamark (1744-1829) và nhất là của Ch.Darwyn (1809-1882) về nguồn gốc các lồi là cơ sở “biến dị cá thể”. Quan điểm về sự sống sĩt của những cá thể thích ứng là hạt nhân của thuyết chọn lọc tự nhiên của Darwyn. 1.2. Lai hữu tính Năm 1694, Kameriarux người Đức đã phát hiện ra cây cỏ cũng cĩ giống đực giống cái như động vật. Đến năm 1717, nhà làm vườn người Anh là Fershai đã tạo được giống hoa Cẩm chướng đầu tiên bằng cách lai 2 giống cĩ màu sắc khác nhau. Khoa học về biến dị di truyền được Darwyn (1858) và Mendel (1865) phát hiện ra nhiễm sắc thể, DNA, gene, các nhà khoa học đã cĩ một lí luận vững chắc về di truyền học, làm cơ sở cho việc chọn giống cây trồng. Cho đến nay, các nước tiên tiến cĩ “tập đồn giống”chuyên giữ giống để cung cấp cho các nhà chọn giống làm thực liệu ban đầu. Thường mỗi giống cây trong tập đồn giống chỉ cĩ một vài đặc tính tốt. Do vậy, muốn cĩ 1 giống cây trồng lí tưởng chứa đựng tất cả các gene tốt của nhiều giống phải tốn thời gian mới làm được. Việc tổng hợp gene mang đặc tính tốt của cây trồng thường được làm bằng phương pháp lai và phải
20. 17 CNSH phục vụ nơng lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung lai trên nhiều cặp phối hợp với nhau từng đơi một mới mong đạt được kết quả tốt.Người ta cịn áp dụng ưu thế lai đối với cây thụ phấn chéo (thụ phấn khơng phải hạt phấn của mình mà của các cây khác qua việc tạo dịng thuần chủng 6-7 thế hệ.Ví dụ, ngơ từ lai đơn sang lai kép, lai 3: 1 cặp lai đơn lai với 1 dịng tự phối. Sau này các nhà khoa học phát hiện rằng bố và mẹ cĩ đặc tính tốt thì con lai cộng lại cái tốt của bố và mẹ và tốt hơn bố mẹ. Đĩ là tác dụng cộng của gene và nếu con lai thừa hưởng các đặc tính tốt của nhiều bố và nhiều mẹ thì con lai càng tốt hơn - gọi là lai tổng hợp. 1.3. Đột biến De Vrie (1901) nghiên cứu tính đột biến ở thực vật và nhận ra tính vơ hướng của nĩ.Ơng đã tách rời đột biến với ngoại cảnh và đi đến phủ nhận tác dụng tích lũy biến dị của chọn lọc tự nhiên. W. Johnson (1903) chứng minh chỉ cĩ biến đổi trong gene mới di truyền được (đột biến). Biến dị đột biến là do sự biến đổi vật chất di truyền (nhiễm sắc thể- NST, gene) gây nên. Cĩ 3 loại đột biến: đột biến gene, đột biến nhiễm sắc thể và đột biến gene tế bào chất. * Đột biến gene hay đột biến điểm là những biến đổi gene xuất hiện một cách ngẫu nhiên hoặc nhân tạo. Đĩ là sự thay đổi cấu trúc của gene xảy ra theo các kiểu: mất đi một cặp nucleotid, thêm vào một cặp nucleotid và biến đổi trình tự các nucleotid. Biến đổi gene thường cĩ hại, chỉ rất ít trong trường hợp cĩ lợi, sẽ được dùng làm nguyên liệu cho quá trình tiến hĩa. * Đột biến nhiễm sắc thể là loại đột biến ở mọi cơ thể. Cĩ 2 loại đột biến nhiễm sắc thể: đột biến số lượng và đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể. - Đột biến số lượng NST là những loại đột biến về số lượng NST của mọi cơ thể. Nhưng đột biến số lượng cĩ thể xảy ra tồn bộ NST (đột biến đa bội) hay ở một cặp NST nào đĩ. Đột biến đa bội cĩ thể tạo ra cơ thể cĩ bộ NST tăng lên 3n, 4n, 5n, NST. Đột biến một cặp NST ví dụ cặp NST thứ 21 ở người cĩ 3 chiếc gây bệnh Down, đột biến tăng số NST giới tính gây các bệnh vơ sinh. - Đột biến cấu trúc NST là những đột biến trong cấu trúc bộ NST. Những đột biến về cấu trúc NST cĩ thể xảy ra ở các dạng sau: . Mất đoạn: mất đi một đoạn nào đĩ của NST. . Đảo đoạn: hai phần trên cùng một NST đảo vị trí cho nhau. . Thêm đoạn: gắn thêm một đoạn mới vào NST. . Chuyển đoạn: sự trao đổi hai đoạn trên hai NST khơng cùng nguồn cho nhau. * Đột biến gene tế bào chất. Cĩ nhiều trường hợp kiểu gene bình thường mà cĩ biến đổi kiểu hình. Đĩ là do biến đổi gene tế bào chất gây
21. 18 CNSH phục vụ nơng lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung nên. Các đột biến gene tế bào chất cĩ những đặc điểm giống đột biến gene trong NST, chúng cũng bền vững và di truyền được cho đời sau. Đột biến gene tế bào chất cĩ thể lặn hoặc trội. Đột biến gene tế bào chất cũng là nguồn nguyên liệu cho chọn giống. Nguyên nhân của sự đột biến là do tác nhân bên trong tế bào và bên ngồi mơi trường gây nên. Các yếu tố bên trong tế bào như quá trình trao đổi chất, hoạt động sinh lí mất bình thường cĩ thể gây đột biến. Các yếu tố bên ngồi như tác nhân vật lí: nhiệt độ cao, siêu âm, tia phĩng xạ, tia tử ngoại, hay tác nhân hĩa học, đặc biệt là colchicine, là các tác nhân gây đột biến quan trọng. Con người cĩ thể sử dụng nĩ để tạo ra các đột biến mong muốn dùng cho chọn giống. Những vấn đề nêu trên tuy gọi là CNSH truyền thống nhưng thực chất cho đến ngày nay người ta vẫn sử dụng nĩ trong việc tạo giống mới. 2. CNSH trong việc cải tạo giống và phát triển cây trồng cho năng suất cao Từ những năm 1960 tiếp sau việc du nhập các giống mới vào châu Á và châu Mĩ Latinh, danh từ “cuộc cách mạng xanh” bao trùm tất cả những cố gắng tăng năng suất nơng nghiệp ở các nước đang phát triển (ĐPT) thơng qua giống mới cao sản đặc biệt là lúa và lúa mì. Sử dụng các giống mới này địi hỏi nhiều loại thuốc trừ sâu, các biện pháp tưới, phân bĩn và chăm sĩc. Lai các giống mới này với các giống chống chịu của địa phương cho phép thu được các giống cĩ năng suất cịn cao hơn và thích nghi tốt hơn. Đồng thời, ngồi lúa và lúa mì, cơng tác nghiên cứu được mở rộng ra kê, lúa miến, ngơ, Triticale và một số cây đậu đỗ (Sasson, 1986). Chỉ trong vịng hơn 10 năm, một nửa diện tích lúa mì và 1/3 diện tích đồng lúa của các nước ĐPT đã gieo bằng giống mới cao sản. Nếu được tưới nước hợp lí, bĩn đủ phân và xử lí thuốc trừ sâu, năng suất cĩ thể tăng gấp đơi đến gấp ba lần giống địa phương. Cuộc “cách mạng xanh” lần thứ hai được nĩi đến vào những năm 1970 là kết quả các cơng trình nghiên cứu lai tạo giống năng suất cao, chống chịu sâu bệnh, hạn hán, cĩ thể phát triển trong điều kiện ít phân bĩn và thuốc trừ sâu hơn. Các cơng trình nghiên cứu này sẽ khơng cịn chỉ dựa trên các kĩ thuật lai, thụ phấn chéo mà dùng kĩ thuật nuơi cấy mơ và tế bào cùng với kĩ thuật tái tổ hợp di truyền để nhân nhanh các giống đáng chú ý và tạo ra giống mới (Murashige, 1974; Vasil, 1984;, 1985, 1986,; Arnon, 1985; Mantel et al., 1985; Zaithin et al., 1986; Davies, 1097; Picrik, 1987, ), các kĩ thuật này dựa trên các cơ chế tế bào học và sinh học phân tử quyết định tính đa dạng sinh học (Collins, 1982, 1984; Kosuge et al., 1983; Tudge, 1983; Gelvin và Schilperoot, 1988).
22. 19 CNSH phục vụ nơng lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung Nhờ tránh được việc lai chéo và vượt qua được trở ngại của tính khơng tương hợp sinh dục (sexual incompatibility) nên tiết kiệm được nhiều thời gian. Kĩ thuật tái tổ hợp DNA và ứng dụng chúng dần dần đối với thực vật cĩ thể giúp loại bỏ hàng rào sinh lí và giải phẫu ngăn cản sự lai khác lồi (Rachie và Lyman, 1981), các kĩ thuật in vitro cũng cho phép tăng sự đa dạng di truyền gần đây bị giảm sút do sự phá hủy các sinh cảnh tự nhiên, làm giảm sự đe dọa do sâu bệnh ở một số cây trồng cĩ nền di truyền quá đơn thuần. Các nước đang phát triển nhất là các nước trong khu vực nhiệt đới cịn đang giữ được sự đa dạng di truyền tương đối rộng trong các hệ sinh thái tự nhiên và hệ sinh thái nơng nghiệp của mình dưới hình thức nhiều lồi hoang dại cĩ quan hệ họ hàng với cây trồng, nhiều giống chống chịu và giống địa phương. Các kĩ thuật nuơi cấy cơ quan, mơ tế bào thực vật và các lĩnh vực nghiên cứu liên quan cĩ thể liên kết việc áp dụng cơng nghiệp theo các con đường sau: - Nuơi cấy đỉnh sinh trưởng và tái sinh Nhân giống in vitro các cây cây hồn chỉnh và các giống sạch virus - Nuơi cấy tế bào trần protoplast, mơ Cải thiện giống và nhân đơn bội, chọn lọc các biến chứng và giống cây trồng đột biến, dung hợp protoplast và tái sinh cây - Kĩ thuật tái tổ hợp di truyền, cấy Cải thiện giống cây trồng. chuyền gene và tái sinh cây. - Nuơi cấy tế bào qui mơ lớn, chọn đột Sản xuất các loại hoạt chất biến, dung hợp protoplast và kĩ thuật cĩ ích. tái tổ hợp DNA. Tổng hợp các chất mới. - Nuơi cấy tế bào, protoplast, chuyển dạng sinh học. Trên quan điểm kinh tế, chi phí lao động tham gia vào cấy chuyền nhân giống là khoản mục lớn nhất trong giá thành của cây giống in vitro. Người ta đang tiến hành nghiên cứu các máy tự động để cấy chuyền. Năm 1985, một mẫu máy cấy chuyền đã được chế tạo tại Australia cĩ thể cấy được một cây trong một giây. Những thiết bị như vậy cĩ thể làm giá thành cây cấy mơ giảm đi rất đáng kể (Marti, 1986-87). Việc áp dụng kĩ thuật in vitro cĩ thể được xếp thành 3 loại:
23. 20 CNSH phục vụ nơng lâm ngư nghiệp Trương Văn Lung . Các áp dụng cĩ được trong thời gian ngắn (3 năm): nhân giống vơ tính in vitro, sản xuất cây sạch bệnh, bảo quản và trao đổi quĩ gene thực vật. . Các áp dụng trung hạn (3-8 năm): các đột biến soma và đột biến giao tử, cứu phơi, thụ tinh trong ống nghiệm, nuơi cấy túi phấn và sản xuất cây đơn bội. . Các áp dụng dài hạn (8-15 năm): lai tế bào soma, lai xa, dịng tế bào đột biến, chuyển gene, chuyển NST, sản xuất các chất thứ cấp bằng tế bào nuơi cấy in vitro. Việc áp dụng CNSH vào đổi mới thu hoạch mùa màng đang là một trong trong những cuộc cách mạng khoa học và kĩ thuật hiện nay. Việc đổi mới này cĩ thể dựa vào các biện pháp kĩ thuật chính sau: * Sản xuất nhanh và qui mơ lớn những cây trồng cĩ cùng một tính chất di truyền, cho năng suất cao thơng qua kĩ thuật nuơi cấy mơ và tế bào. * Tạo những giống mới cĩ năng suất cao thơng qua phương pháp chọn dịng soma trong nuơi cấy mơ tế bào. * Tạo ra những cây lai mới cĩ đặc tính ưu việt bằng kĩ thuật dung hợp protoplast (protoplast fusion). * 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 2.1. Sản xuất nhanh và qui mơ lớn những cây trồng cùng cĩ tính chất di truyền cho năng suất cao thơng qua kĩ thuật nuơi cấy mơ và tế bào Trong kĩ thuật trồng trọt cĩ nhiều lồi cây cần phải nhân giống vơ tính ở qui mơ lớn. Một số cây trồng cĩ thể tái sản xuất dễ dàng bằng hạt nhưng khả năng nẩy mầm thấp, đặc biệt là các cây lâm nghiệp. Một số khác tuy hạt dễ nẩy mầm nhưng quá trình sản xuất hạt lại quá đắt. Cũng cĩ một số cây lai duy nhất cần được nhân lên vơ tính để giữ lại những đặc tính ưu việt. Trong những năm 1930, việc tái sinh lại chồi và tồn bộ cây trồng đã được tiến hành một cách thuận lợi nhờ xây dựng được kĩ thuật nuơi cấy mơ và tế bào thành cơng. Ngày nay, hầu hết phịng thí nghiệm nghiên cứu sinh lí hĩa sinh di truyền thực vật đều được trang bị kĩ thuật nuơi cấy mơ và tế bào. Kĩ thuật nuơi cấy mơ và tế bào thực vật bao gồm: * Chuẩn bị mơi trường nuơi cấy cĩ đủ thành phần cần thiết và nhiều loại, cũng như phải chọn giống đúng cho mơi trường nuơi cấy từng loại mơ, tế bào và thay đổi theo từng thời kì phát triển và phân hĩa của mơ (mơi trường nuơi cấy protoplast khác với mơi trường nuơi cấy callus, mơi trường tạo rễ tạo mầm khác với mơi trường duy trì mơ ở trạng thái callus, v.v.)