KỸ THUẬT GHÉP CÂY TRỒNG

KỸ THUẬT GHÉP CÂY
Các thể cắt nối có tác động như thế nào đến sự biểu hiện của gene
Bởi vì phần lớn các gen mã hóa protein ở người chứa các intron (thường
là 9 hoặc 10, nhưng một số có hơn 100), Nối các đoạn là một bước thiết
yếu trong biểu hiện gen. Việc giải trình tự vật liệu đi vào đã tiết lộ rằng
95% gen của con người cũng có thể ghép nối thay thế, cho phép tổng
hợp nhiều mRNA khác nhau từ một gen DNA duy nhất. Bằng cách mã
hóa các đồng dạng protein thay thế hoặc chứa các trình tự điều hịa khác
nhau trong các vùng chưa được dịch mã của chúng, mRNA được nối xen
kẽ sẽ tăng cường đáng kể sự phức tạp sinh học. Bản thân hành động nối
cũng có những hậu quả quan trọng đối với sự biểu hiện gen ngoài việc
loại bỏ intron. Bằng cách lắng đọng ổn định trên các protein exon đi kèm
với mRNP vào tế bào chất (ví dụ: phức hợp tiếp giáp exon, EJC), q
trình nối có thể ảnh hưởng đến khu trú dưới tế bào, hiệu quả dịch mã và
động học phân rã của mRNA. Đặc biệt, sự phân rã mRNA được điều
khiển bởi vị trí EJC so với codon dừng là chất trung gian quan trọng của
sự phong phú protein tế bào.
việc ghép nối có liên quan đến bệnh nào không?
Nhiều bệnh ở người là do bỏ sót một gen đơn lẻ hoặc quy định của tồn
bộ nhiễm sắc thể. Khoảng 35% các rối loạn di truyền ở người là do đột
biến làm thay đổi sự liên kết của một gen đơn lẻ. Các đột biến như vậy
có thể thêm / loại bỏ một vị trí nối đơn lẻ (ví dụ, - hoặc -thalassemia)
hoặc thay đổi sự cân bằng của mối nối thay thế bằng cách ảnh hưởng
đến việc bao gồm / loại trừ một exon cassette (ví dụ, sa sút trí tuệ phía
trước do tau bỏ lỡ mối nối). Một trường hợp không nối tạo ra đồng dạng
mRNA có thể bị suy thối nhanh chóng. Do đó, đột biến điểm đơn lẻ ảnh
hưởng đến q trình nối có thể dẫn đến những thay đổi lớn đối với cả
cấu trúc protein và sự phong phú của protein. Các bệnh khác là do đột
biến trong chính các protein của tế bào nối, do đó ảnh hưởng đến sự
ghép nối của nhiều bản sao. Ví dụ, các đột biến trong một số protein tế
bào sợi lõi (ví dụ, Prp8, Prp3, Prp31 và Brr2) đã được chứng minh là gây

ra bệnh viêm võng mạc sắc tố trội trên autosomal. Các đột biến trong
yếu tố nối 3B tiểu đơn vị 1 (SF3B1) và yếu tố phụ U2 35 (U2AF35)
thường liên quan đến bệnh bạch cầu lymphocytic mãn tính và loạn sản
tủy. còn các bệnh ung thư liên quan đến việc gia tăng số lượng tế bào
Các tế bào ngày càng trở nên bất thường, các tế bào già cũ không chết đi
mà tiếp tục phát triển, liên tục sản sinh các tế bào mới. Chúng cứ thế
nhân lên không kiểm soát, và cuối cùng tạo thành khối bất thường mà
chúng ta gọi là khối u.
Những thơng tin cần tìm hiểu ?
Do tính chất phức tạp của nó, cấu trúc cấp nguyên tử của ghép nối vẫn là
một vấn đề khó nắm bắt. Tuy nhiên, gần đây đã đạt được nhiều tiến bộ
bằng cách kết tinh các tập hợp con của các thành phần liên kết, bao gồm
U1 và U4 snRNPs và protein lõi trung tâm Prp8. Các câu hỏi liên quan
đến các cơ chế phân tử chính xác mà nhờ đó các thể liên kết đạt được độ
chính xác nối cao, đồng thời cho phép sự linh hoạt trong lựa chọn vị trí
mối nối để cho phép ghép nối thay thế. Để trả lời những câu hỏi này, các
công cụ mới như kính hiển vi đơn phân tử, tin sinh học và các phương
pháp thông lượng cao để xác định động lực tương tác giữa proteinprotein, protein-RNA và RNA-RNA đang ngày càng được phát triển và
ứng dụng.
Ghép cây
Từ thời cổ đại, con người đã cắt và ghép các cây thuộc nhiều giống hoặc
loài khác nhau để chúng phát triển thành một cây duy nhất - một quá
trình được gọi là ghép (Hình 1 và 2). Các đề cập đến việc ghép cành
xuất hiện trong Kinh thánh, các văn bản tiếng Hy Lạp cổ đại và Trung
Quốc cổ đại, cho thấy rằng việc ghép cành đã được thực hiện ở Châu
Âu, Trung Đơng và Châu Á ít nhất là vào thế kỷ thứ 5 trước Công
nguyên. Không biết cách ghép đầu tiên được phát hiện ở đâu hoặc bằng
cách nào, nhưng có khả năng là ghép tự nhiên, q trình hai cây tiếp xúc

và kết hợp các chi hoặc rễ mà khơng có sự can thiệp của con người
(Hình 3), điều đó đã làm cho con người có nhiều ý tưởng cho việc ghép


cây sau này. Những loại ghép tự nhiên như vậy thường khơng phổ biến
nhưng được thấy ở một số lồi nhất định, bao gồm cả cây thường xuân.
Các loài thực vật ký sinh, chẳng hạn như tầm gửi, mọc và hút chất dinh

dưỡng các cây khơng cùng họ cũng có thể góp phần vào sự phát triển
của kỹ thuật ghép, như mọi người đã quan sát thấy tầm gửi mọc trên các
cây như táo hoặc cây dương.
Hình 1. Kỹ thuật ghép vào thế kỷ 17
Ngày nay, ghép cây được sử dụng rộng rãi trong các vườn cây ăn trái,
nhà kính, vườn nho và vườn kiểng. Một ứng dụng phổ biến là ghép chồi
của một cây, gọi là cành ghép và ghép gốc của một cây vào cây khác gọi
là gốc ghép. Ngồi ra, ghép cành có thể cải thiện khả năng chống chịu
căng thẳng hoặc cho phép cây phát triển trong mơi trường mới. Ghép cây
cũng đóng vai trị quan trọng đối với việc phát hiện ra các protein, RNA
và hormone hoạt động. trong bài tóm tắt các cơ chế hình thành ghép,
thảo luận lý do tại sao một số cây lại ghép trong khi các cây khác thì
khơng, và mô tả cách ghép quan trọng đối với nông nghiệp và nghiên
cứu khoa học.


Cơ chế hình thành vết ghép Mặc dù ghép cành đã được thực hiện trong
hơn 2500 năm, các văn bản cổ đại thường đưa ra những thơng tin khó
hiểu và mâu thuẫn về những cây nào có thể ghép thành cơng với nhau,
được gọi là ghép tương thích và những cây nào khơng thể được gọi là
khơng tương thích. Việc nghiên cứu cơ chế ghép cây đã làm sáng tỏ khả
năng tương thích của cây ghép. Trong những năm 1960 và 1970, nghiên

cứu của một số nhóm sử dụng phương pháp ghép cà chua và mọng nước
đã xác định thời gian hình thành vết ghép bằng cách quan sát sự phân
chia tế bào và những thay đổi giải phẫu tại điểm nối ghép. Ban đầu sau
khi ghép, các tế bào bị vỡ sẽ xẹp xuống và các tế bào nguyên vẹn ở gần
chỗ ghép dính vào mơ đối diện. Sự tiếp xúc này tăng cường theo thời
gian khi các tế bào xen kẽ nhau (Hình 2). Polysaccharid, bao gồm cả
pectin, được lắng đọng ở điểm nối ghép và được cho là có tác dụng cung
cấp sức mạnh. Đồng thời, quá trình phân chia tế bào tạo ra một khối
lượng các tế bào đa năng được gọi là mô sẹo. Mô giống tế bào gốc này
được cho là có khả năng biệt hóa, tương tự như q trình chữa lành vết
thương ở động vật đòi hỏi sự phân chia và biệt hóa của tế bào gốc.
Sự phân biệt mơ sẹo ở chỗ nối ghép làm phát sinh hai loại mô mạch thực
vật chính - phloem và xylem (Hình 2). Phloem bao gồm các tế bào sống
và vận chuyển chất dinh dưỡng và đại phân tử, trong khi xylem bao gồm
các tế bào chết và vận chuyển nước và khoáng chất. Plasmodesmata, các
kênh tế bào giữa các tế bào thực vật, hình thành qua điểm nối ghép. Các
mảnh ghép tương thích thể hiện tất cả các đặc điểm này, nhưng các
mảnh ghép khơng tương thích sẽ chỉ thể hiện một phần của chúng. Sự
phân chia tế bào và hình thành mơ sẹo xảy ra, nhưng độ bền của sự gắn
kết thấp hơn, và sự phân hóa phloem và xylem có thể khơng xảy ra.
Người trồng thường sẽ tăng áp lực vật lý xung quanh vết ghép để thúc
đẩy quá trình hình thành vết ghép thành công bằng cách sử dụng kẹp
hoặc quấn băng quanh chỗ ghép. Kỹ thuật này có thể định hướng sự
phân chia mô sẹo và giới hạn sự khác biệt về mặt vật lý ngoài việc giữ
cành ghép và gốc ghép lại với nhau. Người trồng cũng sẽ ghép các thân
cây có kích thước tương tự và sắp xếp các mô được gọi là cambium


mạch. Mô giống như tế bào gốc này tạo ra phloem và xylem trong quá
trình phát triển thứ cấp khi rễ hoặc thân dày lên và tiếp xúc giữa các

mạch cambium từ mỗi mảnh ghép, một nửa là quan trọng để cải thiện sự
thành công của mảnh ghép.
Cho đến nay, các cơ chế phân tử của sự hình thành mảnh ghép vẫn chưa
được biết và khơng có gen cần thiết cho quá trình này được xác định.
Các ứng cử viên tiềm năng tham gia vào quá trình này là các hormone
được sử dụng để giao tiếp giữa gốc ghép và chồi ghép. Chúng bao gồm
các hormone tăng trưởng thực vật auxin và cytokinin tham gia vào quá
trình hình thành mạch, bao gồm cả trong quá trình phát triển rễ và sự
biệt hóa của hệ mạch trong mơ sẹo. Auxin được tạo ra trong lá đang phát
triển và di chuyển đến rễ, trong khi cytokinin được tạo ra ở rễ và di
chuyển đến chồi. Trong q trình cắt, sự tích tụ cytokinin ở nửa rễ và
auxin ở nửa chồi có thể đóng vai trị quan trọng trong việc kích hoạt các
gen liên quan đến phản ứng vết thương và hình thành mạch (Hình 2).
Nhà sinh vật học Tsvi Sachs đã sử dụng phương pháp ghép và quấn để
phát triển giả thuyết kênh auxin. Ông đề xuất rằng auxin hội tụ trong các
kênh và sự hình thành các kênh này dẫn đến sự khác biệt của mơ mạch.
Vận chuyển auxin có thể đóng một vai trị quan trọng trong việc hình
thành mơ ghép và khám phá cách thức hoạt động của quá trình này sẽ là
mục tiêu trong tương lai của lĩnh vực này.
Ghép tương thích và thực vật ký sinh
Đa số cây sẽ tự hình thành mắt nối sau khi ghép thành công. Điều này
bao gồm hầu hết các thực vật hai lá mầm (bao gồm cây ăn quả, nho, cà
chua và dưa), thực vật hạt kín (bao gồm các lồi magnolias) và nhóm
thực vật cổ xưa hơn là cây hạt trần (bao gồm cả cây lá kim). Đáng chú ý,
hầu hết các đơn bào, được cho là tổ tiên giữa thực vật hạt kín và thực vật
hai lá mầm, khơng ghép với chính chúng. Quan sát này cho thấy rằng
các thực vật một lá mầm đã mất khả năng ghép. Các thực vật một lá
mầm có các bó mạch rải rác và khơng có mạch tượng tầng, đây có thể là
một yêu cầu để tạo thành mảnh ghép. Trong quá trình hình thành lá ở

cây đơn tính, các gân chính khơng nối với nhau như ở rễ cây mà thay
vào đó chạy song song ở các đoạn lá và thân. Các gân nối với nhau nơi
các đoạn thân nối với nhau trong một vùng gọi là lóng. Trong một thí
nghiệm, ghép một lá mầm chỉ thành cơng khi được thực hiện tại các
vùng lóng này, nhưng tỷ lệ thành công chỉ là 3%. Do đó, một cơ chế kết
nối tĩnh mạch khác trong thực vật một lá mầm có thể làm giảm khả năng
ghép.
Đa số cây sẽ ghép với chính chúng, ít hơn sẽ ghép với những lồi có
quan hệ họ hàng rất gần, và chỉ hiếm khi cây ghép thành công với những
họ hàng xa hơn. Một số loài thực vật đặc biệt bao gồm một số giống lê
nhất định có thể được ghép với táo và ghép giữa họ cây cảnh đêm
(Solanaceae). Khoai tây, cà chua, cà tím và thuốc lá có thể được ghép
với nhau với mức độ thành công cao. Ví dụ, nhà trồng thương mại
Thomson & Morgan đã giới thiệu một chồi cà chua được ghép vào gốc
ghép khoai tây cho những người trồng tại nhà được gọi là Tomtato® sản
xuất cả cà chua và khoai tây. Ngoại lệ này trong họ Solanaceae cho thấy
rằng những cây này đã vượt qua rào cản giữa các loài mà hầu hết các
lồi thực vật đều có.
Một giả thuyết được đặt ra là có những chất thúc đẩy sự hình thành mơ
ghép, chẳng hạn như auxin, và các rào cản ngăn cản sự hình thành mơ
ghép, chẳng hạn như nhận dạng tế bào khơng tương thích hoặc sản xuất
các chất hóa học vô hại ở một loại cây này nhưng ở một loại cây khác.
Ví dụ, hầu hết các giống lê khơng thể được ghép với mộc qua (Cydonia
oblonga), một họ hàng được sử dụng làm gốc ghép lùn. Người ta cho
rằng một chất chuyển hóa thứ cấp được tạo ra bởi mộc qua di chuyển
những khoảng cách ngắn vào mô lê, nơi các enzym chuyển nó thành
xyanua giết chết mơ xung quanh gây ra sự thất bại của ghép lê-mộc qua.
Để khắc phục vấn đề này, người trồng có giống lê không xảy ra hiện
tượng này và sử dụng một đoạn mô ngắn từ giống này giữa giống lê

mong muốn và gốc ghép mộc qua. Ghép ba đoạn này được gọi là ghép
đầu mối, và thường được sử dụng trong các vườn lê. Do đó, tăng cường
các yếu tố thúc đẩy ghép đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng hoặc sự hiện


diện của độc tố ức chế mảnh ghép là chìa khóa để ghép thành cơng. Các
mảnh ghép khơng tương thích thường sẽ thất bại ngay lập tức do sự gắn
kết mơ yếu và khơng hình thành mơ mạch, nhưng trong một số trường
hợp, mảnh ghép sẽ mất thời gian, và chỉ sau vài năm, mảnh ghép mất độ
bền cơ học và bị vỡ. Đáng chú ý, mô trẻ ghép tốt hơn mơ già, có lẽ do
khả năng phân chia và biệt hóa tốt hơn, đồng thời mức độ độc tố và chất
chuyển hóa thứ cấp thấp hơn. Nhân giống cây trồng truyền thống có thể
khắc phục một số vấn đề này, và trong tương lai, các phương pháp tiếp
cận chuyển gen cũng có thể có lợi trong việc cải thiện sự thành công của
mô ghép.
Thực vật ký sinh là đặc biệt vì chúng có thể "ghép" với nhiều lồi khơng
liên quan. Chúng đại diện cho khoảng 1% số loài thực vật có hoa và bao
gồm cả thực vật có hoa lớn nhất thế giới (Rafflesia). Một số loài thực vật
ký sinh như Striga có phạm vi ký chủ lớn và có thể lây nhiễm cả bọ chét
và bọ xít. Thực vật ký sinh bám vào cây ký chủ và hoạt động như một
bồn rửa để lấy chất dinh dưỡng, khoáng chất và nước bằng cách sử dụng
các cấu trúc ăn chuyên biệt gọi là haustoria. Thực vật ký sinh kết nối
xylem của chúng với xylem của vật chủ thông qua cầu nối xylem, một
loạt các tế bào biệt hóa trong haustoria. Những cầu nối xylem này tương
tự như cầu xylem hình thành qua một điểm ghép và có thể được hình
thành bởi cùng một quá trình vận chuyển hormone xảy ra giữa chồi và
rễ. Nhiễm ký sinh thực vật khác với hình thành ghép vì thực vật ký sinh
khơng có mối liên hệ trực tiếp với cây chủ. Thay vào đó, một số lồi sẽ
kết nối với phloem vật chủ thơng qua plasmodesmata, trong khi những
lồi khác khơng tạo kết nối plasmodesmata. Một điểm khác biệt quan

trọng khác là thực vật ký sinh thường khơng lây nhiễm sang lồi của
chúng, trong khi hầu hết các loài thực vật sẽ dễ dàng tự ghép với chính
chúng. Có khả năng là các hormone và con đường liên quan đến sự phát
triển mạch liên quan đến tương tác thực vật ký sinh và sự hình thành
mảnh ghép, nhưng rõ ràng, tồn tại những khác biệt cơ bản. Tuy nhiên,
hiểu rõ hơn về cách ghép cây sẽ được cung cấp thông tin về cách thực
vật ký sinh và ngược lại.