ứng dụng và thành tựu quan trọng của công nghệ sinh học hiện đại trong cải thiện các giống cây trồng

Đây là phiên bản tài liệu đơn giản

Xem phiên bản đầy đủ của tài liệu ứng dụng và thành tựu quan trọng của công nghệ sinh học hiện đại trong cải thiện các giống cây trồng

1. MỞ ĐẦU
Công nghệ sinh học phát triển mạnh mẽ ở các nước công nghiệp vào những
năm đầu của thập niên 80, còn ở các nước đang phát triển thì chủ yếu từ những năm 90
trở lại đây. Có thể nói, hiện nay công nghệ sinh học được coi là lĩnh vực ưu tiên đầu tư
ở hầu hết các nước trên thế giới. Thành tựu của công nghệ sinh học trong những năm
gần đây đã làm thay đổi hẳn quan niệm của con người về khả năng tác động lên cơ thể
sống để làm ra những sản phẩm cần thiết cho cuộc sống.
Trong 50 năm qua, chọn giống thực vật truyền thống kết hợp với công nghệ
sinh học hiện đại đã góp phần lớn trong việc cải tạo cây trồng và sẽ tiếp tục mang lại
nhiều lợi ích trong tương lai. Theo dự đoán, dân số thế giới sẽ đạt 8 tỷ người vào năm
2010, để nuôi được thêm ba tỷ người trong vòng hai mươi năm tới đòi hỏi có sự tăng
vượt bậc về sản lượng nông nghiệp, một nhiệm vụ cực kỳ lớn.
Công nghệ sinh học thực vật tiếp tục mục tiêu cải tạo cây trồng với những
phương pháp chính xác hơn, cho phép chuyển các gen với những chức năng đã được
thiết kế vào cây trồng. Kỹ thuật di truyền cũng đã được kết hợp với các phương pháp
chọn giống truyền thống trong cải tạo cây trồng. Việc chuyển các gen từ các loài dị
dưỡng đã cung cấp các công cụ đưa các đặc tính mới, chọn lọc vào cây trồng và mở
rộng nguồn gen, vượt xa những gì mà chọn giống truyền thống có thể làm được. Vì
thế, các kỹ thuật công nghệ sinh học mới cùng với chọn giống truyền thống là đòi hỏi
cần thiết để nâng cao sản lượng cây trồng, đáp ứng được nhu cầu của xã hội.
Những khả năng có được đối với chuyển gen giữa các cơ thể sinh vật không cần
quá trình lai hữu tính đã mang lại cho các nhà chọn giống nhiều cơ hội mới để cải thiện
hiệu quả sản xuất và tăng hiệu quả sử dụng của cây trồng. Thực vật với những đặc tính
mới, chẳng hạn như kháng thuốc diệt cỏ, kháng côn trùng, kháng virus đã được tạo ra
bằng việc sử dụng các gen của các sinh vật khác loài. Tuy nhiên, cũng cần nhấn mạnh
rằng công nghệ sinh học hiện đại không thay thế chọn giống truyền thống, chỉ có thể
cải thiện các phương pháp cũ, truyền thống. Sự khác biệt giữa chọn giống truyền thống
và công nghệ sinh học hiện đại không phải là mục tiêu hay quá trình, mà là tốc độ, sự
chính xác, độ tin cậy và phạm vi áp dụng (Sharma & CS., 2005).
Mặc dù công nghệ sinh học hiện đại chủ chốt là kỹ thuật di truyền, tức ADN tái
tổ hợp, nó vẫn bao hàm các kỹ thuật khác nhau như nuôi cấy mô tế bào, vi nhân
giống ... Công nghệ sinh học ngày nay kết hợp chặt chẽ với các phương pháp cổ điển
và kỹ thuật phân tử, đã có mọi cơ hội trở thành một ngành công nghiệp lớn, năng động,
1
đem lại hiệu quả kinh tế cao trong nhiều ngành kinh tế quốc dân ở nhiều nước trên thế
giới (Sharma & CS., 2005).
Trong những năm gần đây, công nghệ gen đã đạt được nhiều thành tựu rực rỡ,
tạo ra các cây trồng biến đổi di truyền với nhiều đặc tính quý như kháng côn trùng,
nấm bệnh, sâu bệnh, năng suất cao, giàu dinh dưỡng ... đem lại nhiều lợi ích cơ bản và
lâu dài, tạo lợi nhuận đáng kể cho nông dân và người tiêu dùng, bảo vệ môi trường và
hệ sinh thái bền vững (James, 2005).
Trong khuôn khổ chuyên đề này chúng tôi tập trung thảo luận về các ứng dụng
và thành tựu quan trọng của công nghệ sinh học hiện đại trong cải thiện các giống cây
trồng.
2
2. Công nghệ sinh học hiện đại và ứng dụng trong
cải tạo giống cây trồng
2. 1. Các loại gen sử dụng trong cải tiến giống cây trồng bằng kỹ thuật di truyền
Các gen quy định các đặc tính có giá trị để biến nạp vào thực vật thờng có
nguồn gốc từ vi khuẩn, động vật và thực vật. Gen tổng hợp hoá học cũng đợc biến nạp
vào cây trồng (Lê Trần Bình & CS., 2003). Điều đó chứng tỏ công nghệ gen có nhiều
triển vọng, vợt xa phơng pháp truyền thống về phơng diện chuyển gen. Gen ngoại lai
đợc chuyển vào thực vật nhằm nghiên cứu các quá trình cơ bản nh điều khiển sinh tr-
ởng và phát triển, cấu trúc và chức năng của đoạn điều khiển, và đáng chú ý hơn cả là
cải thiện các đặc tính nông học của cây trồng. Trên cơ sở các gen đợc chuyển nạp, cây
trồng chuyển gen đợc nghiên cứu theo các đặc tính sau:
- Kháng bệnh
- Kháng thuốc diệt cỏ
- Cải thiện chất lợng sản phẩm
- Chống chịu các điều kiện bất lợi của môi trờng (lạnh, nóng, hạn, chịu muối mặn )
- Tăng cờng khả năng miễn dịch, sản xuất một số dợc phẩm và vaccin phòng chống
bệnh ở ngời.
2.1.1. Gen kháng bệnh hại cây trồng
- Gen kháng virus: Bệnh virus gây hại cây trồng rất nghiêm trọng và là loại bệnh
không chữa đợc bằng việc áp dụng các chất hoá học . Do vậy, việc tạo ra cây trồng
kháng virus là rất quan trọng. Có nhiều phơng thức tạo cây kháng bệnh virus bằng kỹ
thuật chuyển gen: chuyển gen mã hóa protein vỏ, chuyển gen tạo các ribosyme
(enzyme phân giải virus), chuyển các gen đối bản (antisens) với RNA của virus. Các
đối bản này sẽ khoá lại sự sao chép và phiên mã của RNA virus. Trong đó, việc
chuyển gen mã hóa protein vỏ virus tơng đối phổ biến. Virus có cấu tạo gồm phần lõi
là các axit nucleic (DNA, RNA) và phần vỏ là protein. Khi có mặt gen mã hóa protein
vỏ trong tế bào sẽ gây hiệu ứng kìm hãm sự nhân lên của virus nhiễm vào. Ngời ta
cho rằng protein vỏ của virus đóng vai trò quyết định đối với tính kháng chéo, tuy
nhiên cơ chế của bảo vệ chéo còn cha đợc giải thích đầy đủ (Lê Trần Bình & CS.,
2003).
- Gen kháng nấm gây bệnh: Nhiều loài thực vật, động vật, vi sinh vật sinh ra những
protein độc đối với nấm. Gen mã hoá cho một số loại prtein này đợc phân lập với mục
đích tăng cờng khả năng chống nấm và côn trùng. Ví dụ, một loại protein của hạt lúa
3
mạch có khả năng làm mất hoạt tính của ribosome. Khi biểu hiện gen này ở cây thuốc
lá thì protein của gen biến nạp gây độc đối với nấm bệnh Rhizoctonia solani. Đây là
loại nấm gây bệnh bạc lá ở lúa.
- Gen kháng vi khuẩn gây bệnh: Ngời ta đã phân lập đợc các gen kháng bệnh vi khuẩn
tự nhiên để dùng cho công nghệ gen. Điển hình nhất là gen Xa21, đợc phân lập từ cây
lúa dại Oryza longisminata có tính kháng tự nhiên. Gen Xa21 mã hoá protein kinase
có chức năng làm thay đổi hoạt tính protein của vi khuẩn gây bệnh (Lê Trần Bình &
CS., 2003).
2.1.2. Gen kháng sâu hại
Công nghệ sinh học ngày nay đang phát triển một phơng pháp mới để chống lại
côn trùng gây bệnh. Đó là việc chuyển các gen đợc phân lập từ vi khuẩn Bacillus
thuringiensis (Bt) vào cây trồng. Cây trồng đợc chuyển gen Bt sẽ có khả năng tự tạo ra
đợc các protein trong cây để chống lại sâu bệnh. Protein độc của Bt có nhiều loại khác
nhau nhng chúng có cơ chế tác động gây độc chung với côn trùng (Lê Thị Thu Hiền,
2003;).
Có rất nhiều loại gen mã hóa cho các protein có hoạt tính diệt côn trùng của Bt,
chủ yếu là các gen cry. Ngời ta đã phân tích trình tự của 50 gen mã hóa cho protein
tinh thể độc và thấy rằng một số gen giống nhau hoàn toàn, một số khác gần giống
nhau, đại diện cho cùng một gen hoặc nhiều gen hoặc là biến dạng từ 1 gen. Các gen
cry đợc chia thành năm nhóm chính:
- Gen cryI (A,B,C) mã hóa protein độc 130 - 160 kDa, các protein này có tác dụng
gây độc với côn trùng thuộc Bộ Cánh vảy;
- Các gen Cry II mã hóa protein độc 68-71 kDa, hoạt động chống lại côn trùng thuộc
cả hai Bộ Cánh vảy và Hai cánh;
- Các gen cryIII, cry IV mã hóa protein 73 kDa, có tác dụng gây độc với ấu trùng
thuộc bộ Hai cánh;
- Nhóm gen cryV đang đợc nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc và chức năng, có độc tính
với côn trùng thuộc bộ Cánh cứng và Cánh vảy (Francis & CS, 1996).;
Ngoài các gen cry tạo độc tố trong pha sinh bào tử của vi khuẩn Bt, còn có
nhiều hớng nghiên cứu mới về gen vip. Gen vip mã hoá các protein trong pha sinh d-
ỡng trong chu trình phát triển của vi khuẩn Bt và Bc có hoạt lực diệt côn trùng, có phổ
tác dụng mạnh hơn các protein độc do gen cry mã hóa (Estruch & CS, 1996). Một số
gen vip nh vip1, vip2, vip3 đã đợc nghiên cứu sâu về mặt phân tử và khả năng biểu
hiện protein độc tố ở nhiều chủng khác nhau và đã nhân dòng thành công các gen đó
4
bằng kỹ thuật PCR (Loguercio & CS, 2002). Theo nghiên cứu của Doss và cộng sự
(2002), protein Vip3 có kích thớc khoảng 88,6 kDa và có hoạt tính kháng sâu xám
(Agrotis ypsilon) cao gấp 260 lần so với protein Cry1A và có phổ hoạt động rộng,
kháng một số loài côn trùng Bộ Cánh vảy nh sâu xám, sâu cắn chồi thuốc lá
(Heliothis virescens) và sâu xanh hại ngô (Helicoverpa zea). Trong khi đó, nghiên cứu
của Selvapandiyan và cộng sự (2001), đã xử lý đột biến mất đoạn đầu C và N của
protein Vip để mở rộng phổ hoạt động diệt côn trùng kháng lại nhiều loài sâu khác
nh sâu đục củ khoai tây (Phthrimea opercullelar), sâu đục thân ngô (Chilo partellus),
sâu khoang (Spodoptera litura), sâu tơ hại cải bắp (Plutella xylostella).
Gần đây, đã có các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tác động, hoạt lực diệt côn
trùng, phổ tác dụng của gen vip để tiến tới phân lập và thiết kế tạo vector chuyển gen
vào thực vật. Việc tìm ra các gen vip có hoạt tính diệt côn trùng mạnh và ứng dụng để
tạo ra cây chuyển gen có tính kháng sâu và phổ tác động rộng hơn là vấn đề đang đợc
nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm (Lê Thị Thu Hiền, 2003).
Kết quả tơng tự cũng nhận đợc khi sử dụng gen mã hoá chất ức chế proteinase. Để có
hiệu quả, các gen này cần đợc biểu hiện trong bộ phận của cây mà côn trùng thích ăn.
Có những loại gen khác cũng làm tăng khả năng chống côn trùng, nh gen mã hoá chất
ức chế -amylase, mã hoá lectin và chitinase (bảng 1) (Schuler & CS., 1998). Trong
tự nhiên, các chất ức chế proteinase và -amylase thờng đợc tạo ra ở các vết thơng nh
một phản ứng tự vệ của cây chống lại côn trùng (Lê Trần Bình & CS., 2003).
Maqbool và Christou (1999) đã thiết kế gen gna, kháng dệp và côn trùng bộ cánh
giống, cùng với gen cry 1 Ac & cry2A. Gen Rag1 đợc phân lập từ giống đậu tơng
Dowling, có khả năng kháng rệp đậu tơng, một loại sâu bệnh gây hại cho cây trồng
(Hill & CS, 2006).
Bảng 1. Một số chất ức chế proteinase đã đợc chuyển vào cây trồng thông qua biến nạp gen
(Schuler & CS., 1998)
Chất ức chế proteinase Gen mã hoá Cây trồng đợc chuyển gen
Serine proteinase C-II; PI-IV Đậu tơng
Trypsin CpTI Đậu đũa
Cysteine proteinase OC-1 Lúa
Proteinase I, II Pot PTI, Pot PTII Cà chua, Khoai tây
Kunitz trypsin Kti
3
/ SKTI Đậu tơng
2.1.3. Gen kháng chất diệt cỏ
Nền nông nghiệp hiện đại, công nghiệp hóa gắn liền với việc sử dụng thuốc trừ cỏ.
Vấn đề đặt ra là khi phun thuốc trừ cỏ sẽ chỉ diệt cỏ mà không diệt cây trồng. Muốn
5
vậy, ngời ta phải tạo ra các giống cây trồng có đặc tính kháng thuốc trừ cỏ. Để làm việc
này, hiệu quả nhất là sử dụng kỹ thuật chuyển gen để chuyển các gen kháng thuốc trừ
cỏ vào cây trồng. Nguyên tắc chung là phải tìm đợc gen kháng lại cơ chế gây hại của
thuốc trừ cỏ, bằng một trong các cách sau:
- Nâng cao hoạt tính của các enzyme bị hại do thuốc trừ cỏ
- Tạo ra các enzyme đột biến không bị ảnh hởng của thuốc trừ cỏ
- Tạo các enzyme làm mất tính độc của thuốc trừ cỏ
Glyphosate gây ức chế enzym thực vật tổng hợp axit 5-enolpyruvyl-3-
phosphoshikimic (EPSPS). Enzym này liên quan đến quá trình sinh tổng hợp các axit
béo thơm, vitamin, và các chất trao đổi thứ cấp ở thực vật và vi sinh vật. Để tạo ra các
cây chuyển gen kháng glyphosate, các gen mã hoá cho enzym EPPS có ái lực với
glyphosate giảm hoặc các gen mã hoá cho các enzym phân huỷ glyphosate đã đợc
chuyển vào cây trồng. Hiện nay, các cây chuyển gen kháng glyphosate thờng mang 1
hoặc vài gen dới đây:
- gen EPSPS phân lập từ vi khuẩn Agrobacterium chủng CP4 mã hoá cho enzym
không mẫn cảm với glyphosate CP4 EPSPS.
- gen EPSPS cải biên phân lập từ ngô mã hoá cho enzym EPSPS;
- gen phân lập từ vi khuẩn đất Achromobacter chủng LBAA mã hoá cho enzym
glyphosate oxyreductase (GOX) (Mannerlof & CS., 1997).
Gluphosinate có tác dụng ức chế enzym tổng hợp glutamin, enzym quan trọng
đối với sự đồng hoá amonium. Sự ức chế này tạo ra mức độ nhiễm độc amonium trong
mô thực vật.
Gen pat/bar mã hoá cho enzym phosphinothricin acetyl transferase (PAT). Gen pat đ-
ợc phân lập từ Streptomyces viridochromogenes, gen bar đợc tách từ S. hygroscopicus.
PAT xúc tác cho phản ứng acetyl hoá l-phosphinothricin trong N-acetyl-glufosinate
không có hoạt tính diệt cỏ. PAT là enzym rất đặc hiệu, có ái lực rất thấp đối với các
cơ chất so với glufosinate (Vinnemeier & CS., 1995).
2.1.4. Gen bất dục đực
Cây bất dục đực có ý nghĩa rất quan trọng trong công tác tạo giống lai. Tuy
nhiên, để tạo dòng bất dục đực phải tốn nhiều thời gian, sức lực và công việc phức tạp.
Nhiều nhà chọn giống đề nghị một phơng pháp mới để làm mất chức năng của hạt
phấn qua đó tạo ra đợc dòng bất dục đực. Bằng công nghệ gen, ngời ta đang hy vọng
tạo ra đợc hệ thống nhân tạo điều khiển tính bất dục đực thuận nghịch do nhân tế bào
chi phối. Gen barnase mã hóa enyzme phân giải RNA đợc phân lập từ vi khuẩn
6
Bacillus amyloliquefaciens. Promoter TA29 chỉ hoạt động ở vùng hạt phấn. Do vậy,
khi gen này đợc gắn với promoter TA29 và đợc chuyển vào cây thì toàn bộ các vật
chất thông tin di truyền ở hạt phấn sẽ bị phá hủy trong khi đó ở các vùng ngoài hạt
phấn không bị ảnh hởng. Kết quả là tạo đợc các dòng bất dục đực. Các dòng bất dục
đực này sẽ đợc sử dụng làm mẹ trong tổ hợp tạo hạt lai F
1
.
Để khắc phục hiện tợng bất dục sẽ xảy ra ở hạt F
1
(khôi phục tính hữu thụ) ng-
ời ta lại phải chuyển gen barstar gây ức chế và điều hoà hoạt động của barnase vào
cây bố trong tổ hợp tạo hạt lai F
1
. Gen barstar cũng đợc gắn với promoter TA29, kết
quả hạt lai F
1
sẽ hữu thụ (Kempken, 2000; Lê Trần Bình & CS., 2003).
2.1.5. Gen chống chín nhũn và làm chín chậm, tạo sắc tố hoa
Phản gen (antisense) mở ra một hớng mới cho việc cải tiến giống cây trồng,
đặc biệt trong việc tăng cờng khả năng chống chín nhũn ở quả. Quá trình chín của quả
tạo ra sự thay đổi về màu sắc, kết cấu vỏ và mùi vị của quả. Nhiều gen liên quan đến
quá trình chín của quả đã đợc xác định. Gen mã hoá cho enzym polygalacturonase
(PG), liên quan đến sự phân huỷ thành phần của thành tế bào, là gen đợc phân lập đầu
tiên ở cà chua. Chuyển các cấu trúc sense hoặc antisense của các gen này vào hệ gen
của cà chua đã có biểu hiện làm giảm hoạt tính enzym PG và làm cho quả chín chậm
lại (Perlak & CS., 1995). Một số gen khác, liên quan đến quá trình sinh tổng hợp
ethylen (1-amino-cyclopropane-1-carboxylate-ACC) và carotenoid cũng đã đợc phân
lập. ACC xúc tác cho bớc cuối cùng của quá trình sinh tổng hợp ethylen. Phản gen
của ACC đã loại bỏ đợc sự hình thành ethylen ở quả da, làm cho thời gian giữ quả
trên cây dài hơn, dẫn đến sự đồng hoá hàm lợng đờng trong quả cao hơn (Ayub &
CS., 1996).
Cho đến nay, các nghiên cứu cơ bản đã xác định đợc hệ thống enzyme biến đổi
các sắc tố của hoa. Trên cơ sở đó, có thể chuyển các gen mã hóa các enzyme gây ức
chế hoặc hoạt hóa các khâu của hệ thống biến đổi sắc tố mà tạo nên các giống hoa có
mầu sắc mới. Ngời ta cũng có thể phân lập các gen tổng hợp sắc tố từ các vi sinh vật
để chuyển vào hoa, gây tạo giống mới. Chalcone synthase (CHS) là enzym trong quá
trình sinh tổng hợp flavonoid và rất cần cho quá trình tạo sắc tố hoa. Phản gen của
CHS đợc dùng để hạn chế hoạt tính của CHS và làm thay đổi màu hoa ở cây Petunia
và cây thuốc lá (Lê Trần Bình & CS., 2003).
2.1.6. Gen cải thiện chất lợng dinh dỡng của protein thực vật, hàm lợng tinh bột
Sun và cộng sự (1993) đã xác định và phân lập thành công gen WBLRP mã
hoá cho protein giàu Lysin (Lys) từ hạt đậu. Gen S-VSPa và S-VSPb mã hoá cho các
protein dự trữ có hàm lợng Lys cao cũng đã đợc phân lập từ hạt đậu (Staswich, 1994).
Các gen mã hoá cho protein giàu Lys (LRP) hay protein giàu Methionine
(Met) đã đợc phân lập từ đậu tơng (Kho & deLumen, 1998) hoặc từ hạt của các cây
7
ngũ cốc có hàm lợng Lys thấp và đã đợc chuyển vào cây trồng nhằm cải thiện protein
của thực vật (Singh & CS., 2000).
Các gen mã hoá cho hai enzym chìa khoá trong con đờng sinh tổng hợp Lys là
aspartokinase (AK) và dihydrodipicolinate synthase (DHPS), đợc phân lập từ vi khuẩn
E. coli (Shaul & Galili, 1992) hoặc thực vật, đã biểu hiện tốt ở các cây một lá mầm và
hai lá mầm chuyển gen. Tơng tự, gen mã hoá cho enzym trong con đờng sinh tổng
hợp Tryptophan (Trp) là anthranilate synthase (AS) đã phân lập đợc từ một số loài
thực vật (Mazur & CS., 1999; Galili & Hoefgen, 2002; Galili & CS., 2002).
Các gen sinh tổng hợp beta-carotene: psy (phytoene synthase) và lyc (lycopene
cyclase) đợc phân lập từ cây hoa thuỷ tiên (Narcissus pseudonarcissus); gen crt1 đợc
phân lập từ vi khuẩn đất Erwinia uredovora đã đợc chuyển vào hệ gen nhân của lúa d-
ới sự điều khiển của promoter đặc hiệu nội nhũ, vì thế chỉ biểu hiện ở nội nhũ
(Hirschberg, 2001). Sản phẩm cuối cùng của quá trình này là lycopene. Các enzym
nội bào của thực vật đã xúc tác cho quá trình biến đổi lycopene trong nội nhũ thành
beta-carotene, làm cho hạt lúa chuyển gen có màu vàng (Schaub & CS., 2005).
2.1.7. Gen tăng cờng khả năng miễn dịch, sản xuất protein động vật và các chất có
hoạt tính sinh học
Một trong những phát triển đầy hứa hẹn của công nghệ sinh học thực vật là sử
dụng cây chuyển gen để sản xuất các chất có hoạt tính sinh học nh: vitamin, các hợp
chất chữa bệnh, các hoá chất sử dụng trong công nghiệp, trong y tế nh: kháng nguyên,
kháng thể, interferon, vaccine....
Nhiều loại vaccine thú y cũng đợc quan tâm nghiên cứu. Ví dụ: Gen VP2 tổng
hợp protein vỏ của virus Gumboro đã đợc chuyển vào A. thailiana. Dịch chiết của cây
A. thailiana chuyển gen đợc sử dụng để gây miễn dịch cho gà qua đờng miệng, kết
quả cho thấy hiệu quả gây miễn dịch bằng cách này cũng giống nh gây miễn dịch
theo phơng thức truyền thống (dùng vaccin thơng mại) (Wu & CS., 2004).
Protein CD14 miễn dịch của ngời đã đợc biểu hiện trong tế bào cây thuốc lá.
Protein này tham gia vào phản ứng miễn dịch của ngời bằng cách phát hiện ra những
tác nhân gây bệnh. CD14 hoạt động nh những thể tiếp nhận, cùng với các tế bào
miễn dịch để tiêu diệt các mầm bệnh. CD14 có ở bề mặt màng nhầy và chất bài tiết
(nớc mắt, sữa mẹ, nớc bọt), rất quan trọng trong việc phòng chống các bệnh lây
truyền bởi vi khuẩn Gram âm (Blais & Altosaarm 2006).
2.1.8. Gen liên quan đến tính chống chịu các điều kiện bất lợi
Sự phát triển và sản lợng cây trồng phụ thuộc rất nhiều vào khả năng phản ứng
lại của chúng với các điều kiện của môi trờng, nh độ mặn cao, thiếu nớc... Một số cây
8
trồng có thể tạo ra các phân tử, các hoạt động với sự tham gia của rất nhiều gen để
chống chịu đợc những điều kiện này. Do một số loài cây trồng có khả năng chống
chịu tốt hơn những loại khác, nên đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm tạo ra cây trồng
chống chịu điều kiện môi trờng, bằng cả phơng pháp lai giống và kỹ thuật di truyền.
2.1.8.1. Gen liên quan đến tính chịu lạnh
Khi tiếp xúc với nhiệt độ thấp, một số gen đợc hoạt hoá sinh tổng hợp ra những
protein mới. Hiện tợng này đợc phát hiện trên hàng loạt đối tợng khác nhau, ví dụ nh
cây mạ non 3 lá, lúa mạch, cỏ ba lá D. glomerata, cải dầu, tảo lục, đậu tơng. Tuy
nhiên, cho đến nay mới phân lập đợc hai nhóm gen cor từ cây và cas từ cây cỏ ba lá.
Hầu hết các gen này đều đợc chứng minh là liên quan đến tính chịu băng giá (Lê Trần
Bình & CS., 2003).
2.1.8.2. Gen liên quan đến chịu hạn
Việc tìm kiếm gen chịu hạn đợc các phòng thí nghiệm chú ý trên nhiều đối t-
ợng khác nhau (cỏ ba lá, lúa mỳ, lúa mạch, ngô, Arabidopsis, lúa nớc). Nhiều gen đã
đợc báo cáo là đã có biểu hiện ở các mô sinh dỡng của thực vật trong điều kiện bất
lợi. Hai nhóm gen đợc mô tả chi tiết là nhóm LEA của cây lúa mạch và nhóm RAB
của cây lúa nớc. Đây là hai nhóm gen có triển vọng nhất đang đợc sử dụng trong công
nghệ gen.
Nhóm LEA (Late Embryogenesis Abundant), mã hoá những protein xuất hiện
vào thời kỳ muộn của quá trình hình thành phôi sau khi thụ phấn và đó là những
protein góp phần bảo vệ phôi trong quá trình ngủ và chịu hạn của phôi trong hạt khô
(Lê Trần Bình & CS., 2003; Kim & CS., 2003).
Nhóm thứ hai, RAB liên quan đến tác động ức chế sinh trởng tế bào của ABA
khi thực vật gặp điều kiện bất lợi. Trong điều kiện bất lợi của môi trờng, hàm lợng
ABA trong mô sinh dỡng của thực vật tăng, gây ra phản ứng thích nghi của thực vật
đối với sự tồn tại và năng suất của chúng (Leung & Giraudat, 1998). Ví dụ, trong điều
kiện thiếu nớc, ABA làm cho khí khổng đóng lại, giảm tối đa sự mất nớc thông qua
thoát hơi nớc. Mặt khác, hàm lợng ABA cao gây ức chế sinh trởng của thực vật
(Himmelbach & CS., 1998). Các gen RAB phản ứng với ABA ngoại sinh và nội sinh,
cho ra những protein có chức năng ức chế và bảo vệ.
Ngoài ra, sự biểu hiện của các gen điều khiển nh kinase/phosphatase và gen liên quan
đến các yếu tố dịch mã cũng đã đợc phân lập trong các điều kiện bất lợi (phi sinh
học).
Ngời ta đã xác định đợc các yếu tố dịch mã điều khiển biểu hiện của gen ABA trong
quá trình sinh trởng, phân lập đợc 4 yếu tố bZIP gắn với ABRE từ th viện cDNA
9
Arabidopsis (Choi & CS., 2000). Nghiên cứu của Cherian và cộng sự (2005) cho thấy
các gen quan trọng tham gia vào quá trình chống chịu các điều kiện hạn hán là các
gen sinh tổng hợp osmolyte, gen tạo ra các phân tử bảo vệ cây trồng. Khả năng cây
trồng chuyển gen có thể chống chịu đợc các điều kiện môi trờng bất lợi đã đợc chấp
nhận, tuy nhiên các cây trồng chuyển gen đơn chỉ mang lại những kết quả hạn chế.
Có một số kỹ thuật khác có thể mang lại hiệu quả cao hơn nh chuyển đồng thời nhiều
gen hay có sự can thiệp vào RNAi.
2.1.8.3. Gen liên quan đến tính chịu mặn
Một dòng cDNA liên quan đến tính chịu mặn của tế bào thuốc lá, các gen liên
quan đến sinh tổng hợp proline nh GAT đang đợc tập trung nghiên cứu với hy vọng
gia tăng sinh tổng hợp proline sẽ gia tăng tính chịu mặn. Hoạt động của gen ornithine
aminotransferase (OAT), đóng vai trò chủ yếu trong chu trình sinh tổng hợp proline
của cây Arabidopsis, tăng lên mạnh mẽ khi cây bị xử lý muối. Gen OAT đã đợc phân
lập cho các nghiên cứu chuyển gen (Lê Trần Bình & CS., 2003)
2.1.8.4. Gen liên quan đến tính chịu độc tố nhôm
Gen Alt1 sản sinh ra những protein liên quan đến hiện tợng tế bào đầu rễ cây chịu độc
tố nhôm tiết ra các chất hữu cơ. Các nghiên cứu phân lập và xác định gen Alt1 đã bớc
đầu đợc triển khai (Lê Trần Bình & CS., 2003).
2.8.5. Gen liên quan đến tính chịu ngập úng
Gen alcoledehydrogenase giúp cho cây có đợc năng lợng ATP trong điều kiện thiếu
oxy khi cây bị ngập nớc. Ngoài ra, các gen đặc trng nh gen làm cho lóng thân dài
nhanh khi bị ngập nớc (ở cây lúa nớc) cũng đang đợc nghiên cứu (Lê Trần Bình &
CS., 2003).
2.2. Các hớng chính trong tạo giống bằng biến nạp di truyền
2.2.1. Kháng thuốc diệt cỏ
Thuốc diệt cỏ đợc sử dụng để diệt trừ cỏ dại. Vấn đề cỏ dại nếu không kiểm
soát đợc có thể làm giảm sản lợng từ 20-60%. Ngày nay, hàng loạt các biện pháp
phòng trừ cỏ dại đã đợc áp dụng: sử dụng các thuốc diệt cỏ chọn lọc hoặc không chọn
lọc, phun 1 lần hoặc phun liên tục trớc và sau khi trồng. Đặc biệt ở những vùng có
hiện tợng xói mòn đất, thuốc diệt cỏ đợc sử dụng nh một giải pháp duy nhất để loại
trừ cỏ dại. Một số loại thuốc diệt cỏ không sử dụng đợc sau khi đã trồng cấy do gây
độc đối với cây, và chỉ có thể sử dụng đợc đối với những cây trồng có khả năng kháng
thuốc diệt cỏ.
10
ở một số cây trồng chuyển gen, kháng thuốc diệt cỏ chỉ đợc sử dụng nh 1 đặc
tính chọn lọc trong quá trình chuyển gen. Tính kháng đối với các loại thuốc diệt cỏ
không chọn lọc nh glyphosate, glufosinate đã đợc chuyển vào một số lợng lớn cây
trồng: cải dầu, đậu tơng, bông, ngô, củ cải đờng, lúa mỳ, xúp lơ, rau diếp (Repellin &
CS., 2001). Diện tích trồng các cây trồng chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ đã đợc th-
ơng mại hoá chiếm 71% tổng diện tích các cây chuyển gen (James, 2005). Glyphosate
và basta là các chất diệt cỏ thế hệ mới, tơng đối lành với độc tính thấp đối với động
vật. Việc sử dụng các chất diệt cỏ này còn hạn chế vì phổ tác dụng quá rộng, thiếu
chọn lọc. Vì thế, các cây trồng chuyển gen có khả năng chống chịu glyphosate và
basta sẽ mở ra thời kỳ mới thay thế việc sử dụng các loại chất diệt cỏ rất độc đang
dùng hiện nay.
Bảng 2 trình bày tóm tắt các loại cây trồng chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ đã đợc thử
nghiệm trên đồng ruộng.
Bảng 2. Các loại cây trồng chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ đã đợc trồng thử nghiệm trên
đồng ruộng
Loại thuốc diệt cỏ đợc
sử dụng
Loại cây trồng chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ đã
đợc trồng thử nghiệm trên đồng ruộng
Chlorsulfuron Củ cải đờng, hoa hớng dơng
Glyphosate (Roundup) Củ cải đờng, bông, ngô, cải dầu, đậu tơng
Glufosinate (Liberty) Rau diếp, ngô, cải dầu, lúa, củ cải đờng, hoa hớng
dơng, cà chua, lúa mỳ
Isoxazole Ngô, cải dầu, đậu tơng
Oxynil Bông, cải dầu
Sulfonylurea Củ cải đờng,
Sulfonamide Cải dầu
Bromoxynil Cải dầu, bông
Imidazolinone Cải dầu, ngô
Sethoxydim Ngô
(Nguồn: http://biotech.jrc.it/breakdown_plant.htm)
2.2.2. Kháng côn trùng
Côn trùng tấn công cây trồng và đã làm giảm 10-40% sản lợng. Việc tạo ra các
giống cây trồng kháng côn trùng luôn đợc mong đợi nhằm mục đích tăng sản lợng và
giảm lợng các chất bảo vệ thực vật sử dụng trong quá trình trồng trọt (Muthukrishnan
& CS., 2001). Chế phẩm sinh học Bt diệt côn trùng đợc sử dụng khá rộng rãi, chiếm tới
90% thị trờng thuốc trừ sâu sinh học và 2% thị trờng thuốc trừ sâu toàn cầu. Mặc dù đ-
ợc coi là thuốc trừ sâu sinh học hiệu quả, một số hạn chế nhất định về phơng diện sinh
học đã phần nào ảnh hởng tới hiệu quả sử dụng chế phẩm Bt. Những điểm bất lợi này
hoàn toàn bị loại trừ khi sử dụng các giống cây trồng chuyển gen (Kaur, 2000).
11
Riazuddin và cộng sự (1996) đã sử dụng vectơ mang gen cryIA(c) dới sự điều
khiển của Ubi-P và gen hpt để chuyển vào lúa tạo khả năng kháng côn trùng ăn lá.
Komari và cộng sự (1996) đã sử dụng vectơ với 2 đoạn trình tự T-ADN mang 2 gen
khác nhau để chuyển vào lúa và đã thu đợc rất nhiều thể biến nạp, trong đó đã chứng
minh đợc sự xâm nhiễm và phân ly của T-ADN ở thế hệ Ro và Rl .
Sự biểu hiện của gen ức chế proteinase II trong các giống lúa Japonica cho thấy
thông qua khả năng kháng đối với sự tấn công của sâu đục thân hồng (Duan & CS.,
1996). Nayak và cộng sự (1997) cũng đã tổng hợp gen cryIA(c), thiết kế kết cấu Ubi1-
P để chuyển vào phôi giống lúa Indica IR64 và thu đợc 6 dòng lúa có khả năng kháng
sâu đục thân tồn tại bền vững ở thế hệ T2. Các cây ngũ cốc chuyển gen biểu hiện các
gen ức chế protease cũng đã nhận đợc ở 1 số phòng thí nghiệm. Các gen mã hoá
chitinase, kinase cũng đã đợc chuyển vào các cây ngũ cốc. Gen Xa21 đã đợc chuyển
thành công vào cây lúa, các cây lúa chuyển gen nhận đợc biểu hiện khả năng kháng
nhiều nòi Xanthomonas oryzae pv. oryzae khác nhau (bảng 3).
2.2.3. Kháng virus
Bằng cách chuyển các gen mã hóa protein vỏ nhiều loại virus vào các đối tợng
cây trồng khác nhau, ngời ta đã tạo ra giống cây trồng kháng virus nh: đu đủ kháng
bệnh virus đốm vòng PRSV, các cây chống chịu virus khảm alfalfa (AMV), virus
khảm da chuột (CMV), cây khoai tây kháng virus X (Lê Trần Bình & CS., 2003).
2.2.4. Cải thiện protein thực vật, hàm lợng tinh bột và chất lợng hạt ngũ cốc
Protein thực vật, một nguồn protein đợc sử dụng chủ yếu đối với ngời ăn kiêng,
nhìn chung vẫn cha đủ dinh dỡng do thiếu nhiều axit amin cần thiết nh lysine,
tryptophan (ở các cây ngũ cốc) và methionine, cystein (ở các cây rau). Các nghiên cứu
chọn giống nhằm nâng cao hàm lợng lysine và methionine vẫn cha đáp ứng đợc đòi
hỏi trên. Trong khi đó, bằng công nghệ sinh học hiện đại, các hớng nghiên cứu khác
nhau đã đợc áp dụng và đạt đợc những kết quả rất khả quan. Các chiến lợc chuyển
gen vào cây trồng nhằm cải thiện thành phần axit amin của protein thực vật và nâng
cao hàm lợng các axit amin cần thiết đã đợc thực hiện (Cho & CS., 2000).
Gen WBLRP đã đợc chuyển và biểu hiện ở hạt Arabidopsis, tạo ra lợng protein
giàu Lys (LRP) chiếm 5% protein hạt tổng số (Cheng, 1998). Gần đây, gen này đã đ-
ợc chuyển vào lúa và đã nhận đợc tỷ lệ LRP cao hơn (chiếm 12% protein hạt tổng số)
(Gao & CS., 2001; Liu, 2002).
Gen S-VSPa và S-VSPb mã hoá cho các protein dự trữ có hàm lợng Lys cao đã
đợc chuyển và biểu hiện ở thuốc lá (Guenoune & CS., 2003). Kết quả các thí nghiệm
in vitro cho thấy gen S-VSPb đã đợc phân giải bền vững trong dạ dày cỏ của động vật
12
nhai lại, vì thế protein này rất có triển vọng trong việc cải thiện hàm lợng dinh dỡng
trong các loài cây cỏ (Guenoune & CS., 2002)
Đột biến DHPS mã hoá cho enzym sinh tổng hợp Lys đã đợc biểu hiện ở đậu tơng, cải
dầu (Falco & CS., 1995), lúa mạch (Brinch-Pedersen & CS., 1996), lúa (Lee & CS.,
2001), và Arabidopsis (Zhu & Galili, 2003) dới sự điều khiển của đoạn gen khởi động
đặc hiệu hạt hoặc các đoạn khởi động cơ định.
Đột biến ASA2 của gen mã hoá cho enzym sinh tổng hợp Trp đã đợc chuyển
và biểu hiện trong các cây rau và đã nhận đợc hàm lợng Trp tự do tăng. Ngời ta cũng
đã chuyển gen OASA1 vào lúa và đã thu nhận đợc các mô sẹo và lá lúa chuyển gen có
hàm lợng Trp tăng 180 và 35 lần (tơng ứng) (Cho & CS., 2000). Gen mã hoá cho
enzyme phytase phân giải các phức phytat sắt (ferritin) đã đợc chuyển vào lúa nhằm
tạo ra các giống lúa có hàm lợng sắt cao (Goto & CS., 1999) (bảng 3).
Maruta & CS (2001) đã tạo ra các giống lúa japonica Tsukinohikari chuyển gen
có hàm lợng glutelin thấp bằng việc chuyển gen thông qua chủng Agrobacterium
LBA4404 mang gen glutelinA antisense. Đánh giá trên đồng ruộng các dòng lúa
chuyển gen thế hệ T4 cho thấy hàm lợng glutelin trong hạt đã giảm 20-40% và hàm l-
ợng prolamin tăng.
Vào năm 2000, ngời ta đã tạo ra cây lúa vàng (SGR1) bằng việc chuyển các
gen có khả năng sinh tổng hợp beta-carotene (tiền vitamin A) vào lúa (Oryza sativa).
Thành công này đã tạo ra bớc đột phá rõ rệt trong công nghệ sinh học. Lúa vàng
SGR1 đợc trồng trong điều kiện nhà kính có hàm lợng carotenoid 1,6ug/g (Ye & CS.,
2000).
Các nghiên cứu tiếp theo về lúa vàng đã đợc tiến hành tại Công ty Công nghệ
sinh học Syngenta và họ đã tạo ra giống lúa vàng mới gọi là Lúa vàng 2 (SGR2). Họ
đã kết hợp gen psy phân lập từ ngô với gen crt1 của giống lúa vàng gốc SGR1. Lúa
vàng 2 có hàm lợng carotenoid cao hơn gấp 23 lần so với giống gốc SGR1 (đạt
37ug/g) (Paine & CS., 2005). Thử nghiệm đồng ruộng đầu tiên đối với các giống Lúa
vàng đã đợc tiến hành vào năm 2004 bởi Trung tâm Nông nghiệp Đại học bang
Louisiana (Mỹ)
(http://www.Isuageenter.com/Communications/news/October2004/Headlines/GoldenRi
ce-10-13-04.asp).
Sắn là một loại cây trồng quan trọng, đặc biệt đối với ngời dân Châu Phi. Cây
sắn có thể chịu đợc hạn hán và nhiều điều kiện môi trờng bất lợi khác. Tuy nhiên, sản
lợng sắn đang giảm đi trong vài năm gần đây. Những công cụ sinh học hiện đại đã có
đóng góp quan trọng vào việc cải thiện chất lợng củ sắn nh: nâng cao hàm lợng
13
protein, giảm hàm lợng axit gây bệnh say sắn, hàm lợng tinh bột thấp phục vụ mục
tiêu công nghiệp... Siritunga và Sayre (2003) đã chuyển gen antisense CYP79D1 và
CYP79D2 nhằm loại bỏ sự biểu hiện của cytochrom P450s. Các cây sắn chuyển gen
nhận đợc có hàm lợng cyanogen ở rễ thấp hơn cây sắn bình thờng 1%. Gen mã hoá
protein dự trữ ASP1 đã đợc chuyển và biểu hiện ở lá và rễ cây sắn chuyển gen (Zang
& CS., 2003).
Đặc biệt, gen glgC mã hoá cho enzym AGPase dới sự điều khiển của promoter
đặc hiệu rễ và đột biến G336D đã biểu hiện tốt trong củ khoai tây, với hoạt tính
AGPase tăng 36%, tơng ứng hàm lợng tinh bột ở củ tăng 35% (Stark & CS., 1992).
Đột biến gen G336D cũng đã đợc chuyển vào cây sắn, các cây sắn chuyển gen nhận
đợc có hoạt tính AGPase tăng từ 0-70%. Các cây sắn chuyển gen có hoạt tính AGPase
cao nhất đã có hàm lợng tinh bột ở rễ tăng 2,6 lần, số lợng và kích thớc rễ cũng tăng
(Ihemere & Sayre, 2006; Aerni, 2006).
2.2.5. Tăng cờng khả năng miễn dịch, sản xuất protein động vật và vaccin ăn từ
thực vật
Một nhóm cây chuyển gen đợc biết đến nh những cây thuốc, với mục đích sử
dụng các loài thực vật này để sản xuất các sản phẩm khác nhau (ví dụ nh dợc phẩm,
hoá chất công nghiệp...).
Gen mã hoá cho protein CD14 của ngời dới sự điều khiển của promoter
glutelin đã đợc chuyển và biểu hiện trong nội nhũ của hạt thuốc lá. Blais & Altosaar
(2006) đã nhận đợc hàm lợng protein rhCD14 tái tổ hợp khá cao (16ug rhCD14/g hạt).
Protein rhCD14 đợc dự trữ rất hiệu quả dới dạng chất có hoạt tính sinh học bền vững
trong hạt thuốc lá.Việc sản xuất CD14 từ tế bào thực vật trớc đây đã gặp nhiều khó
khăn do chi phí sản xuất cao, biểu hiện của gen chuyển thấp, sự ổn định và hoạt tính
của protein rất thấp.
Một loại protein sữa lactoferrin và lysozym đợc sản xuất từ các cây lúa chuyển
gen có thể sử dụng để ngăn chặn các bệnh truyền nhiễm ở mắt hoặc bổ sung vào
thành phần của sữa, biểu hiện rất hiệu quả khi dùng làm dung dịch uống chống mất n-
ớc trong điều trị bệnh tiêu chảy. Gen tổng hợp lactoferrin cũng đã đợc chuyển vào cây
khoai tây và cây thuốc lá. Hớng nghiên cứu này rất có triển vọng vì khoai tây là một
phần trong bữa ăn của rất nhiều ngời. Tuy nhiên, nồng độ lactoferin đợc tổng hợp rất
thấp trong cây khoai tây và cũng có thể gặp khó khăn vì protein này có thể có các hoạt
tính sinh học khác dới tác dụng của nhiệt độ khi đun nấu khoai tây (Blais & CS.,
2005; Blais & Altosaar, 2006).
Hiện nay số lợng các tác nhân gây bệnh cho ngời và gia súc, gia cầm ngày
càng tăng, hiện tợng nhờn thuốc đối với các tác nhân gây bệnh cũ bắt buộc con ngời
14

Đây là phiên bản tài liệu đơn giản

Xem phiên bản đầy đủ của tài liệu ứng dụng và thành tựu quan trọng của công nghệ sinh học hiện đại trong cải thiện các giống cây trồng