NHỮNG CÔNG NGHỆ MỚI TRONG NUÔI CẤY MÔ TẾ BÀO THỰC VẬT pdf

Thông tin khoa học

Số 26
2
ðại học An Giang

4/2006
NHỮNG CÔNG NGHỆ MỚI TRONG
NUÔI CẤY MÔ TẾ BÀO THỰC VẬT

Nguyễn Thị Th Diễm
*



n
ước ta, cơng nghệ sinh học thực vật đặc biệt là lĩnh vực ni cấy mơ tế bào thực vật đã ở mức
sẵn sàng hồ nhập và đủ sức tham gia cạnh tranh với thế giới và khu vực. Ngồi số lượng ngày
càng tăng các cơng ty thuộc lĩnh vực cơng nghệ sinh học ở nước ngồi đến đầu tư với nước ta, các cơng
ty giống tư nhân trong nước cũng đã khởi sắc. ðây là dấu hiệu đáng mừng. Vì hầu hết việc thương mại
hố cơng nghệ sinh học trên thế giới nằm ở khu vực kinh tế tư nhân với các doanh nghiệp vừa và nhỏ, bài
viết này nhằm cung cấp cho người đọc các thơng tin cơ bản và một cơng nghệ mới trong nhân giống cây
trồng.
1. GIỚI THIỆU
Haberlandt là người đầu tiên nghiên cứu và đưa
ra khái niệm về ni cấy mơ tế bào năm 1902. Từ
đó cho đến nay kỹ thuật này phát triển nhanh chóng
và đã góp phần vào sự thành cơng của cơng nghệ
sinh học thực vật. Ngày nay, ni cấy mơ tế bào
thực vật có ý nghĩa rất quan trọng trong phát triển

cơng nghệ sinh học và các ứng dụng thương mại
của cơng nghệ sinh học. Thật vậy, khi tiến hành các
kỹ thuật chuyển gen để tạo ra các giống mới hoặc
khi tìm cách nhân nhanh các giống mới đó chúng ta
đều cần đến kỹ thuật này. Bên cạnh những đóng
góp cho nơng nghiệp ni cấy mơ còn đóng góp
cho các lĩnh vực khác như chọn tạo nhân giống cây
lâm nghiệp hay nghiên cứu để tạo các chất biến
dưỡng thứ cấp phục vụ cho ngành dược, ngun
liệu cho mỹ phẩm,…
Nhìn chung, cuộc cách mạng cơng nghệ sinh
học đã ảnh hưởng rất sâu sắc vào sự phát triển
nơng nghiệp. Các thành tựu về cơng nghệ gen, qui
trình vi nhân giống truyền thống vốn đòi hỏi tỷ mỷ
và nhiều nhân lực được chuyển thành một ngành
cơng nghiệp xanh, trong đó giống cây trồng chất
lượng cao được sản xuất hàng loạt trong các điều
kiện có khống chế (nhiệt độ, ánh sáng, ẩm độ, giờ
chiếu sáng, chất dinh dưỡng, CO
2
) và phần nào
được tự động hố.
2. NHỮNG CƠNG NGHỆ MỚI TRONG
NHÂN GIỐNG CÂY TRỒNG
2.1. Nhân giống từ phơi vơ tính (Somatic
embryo)
Steward và Reinert (1958) là hai tác giả đầu tiên
mơ tả sự hình thành phơi vơ tính từ các tế bào đơn
của cà rốt. Mãi đến năm 1997, Murashige mới đưa
ra ý kiến phơi vơ tính có thể được tạo ra nhiều

thơng qua biện pháp vi nhân giống. ðến nay, cơng
nghệ phơi vơ tính được xem là cơng nghệ rất có
triển vọng cho nền nơng nghiệp hiện nay.
Vậy phơi vơ tính là gì? – Là các thể nhân giống
(propagules) có cực tính, được hình thành từ các tế
bào dinh dưỡng, còn gọi là tế bào soma (somatic
cells). Chúng rất giống phơi hữu tính (zygotic
embryo) ở hình thái, q trình phát triển và sinh lý
nhưng do khơng phải là sản phẩm của q trình
dung hợp giữa 2 tế bào sinh dục đực và cái nên
phơi vơ tính khơng có q trình tái tổ hợp di truyền
(genetic recombination), các phơi này có nội dung
di truyền giống hệt với các tế bào soma.
Khả năng tạo phơi vơ tính trong ni cấy mơ
thực vật phụ thuộc vào các điều kiện vật lý, hố
học. Ngồi ra sự tạo phơi còn phụ thuộc rất lớn vào
lồi, giống, vào chủng trong cùng lồi. Khả năng
này được chứng minh là do một hoặc vài gen phụ
trách. Do đó, bằng phương pháp lai tạo có thể
chuyển khả năng tạo phơi vơ tính từ cây này sang
cây khác.
2.2. Ứng dụng của phơi vơ tính trong sự tạo
hạt nhân tạo (Synthetic seed)
Kỹ thuật hạt nhân tạo đã được nghiên cứu và
ứng dụng thành cơng ở nhiều nước. ðây là phương
pháp tạo một dạng hạt mơ phỏng hạt tự nhiên, có
một phơi sinh dưỡng hoặc chồi ngủ được bọc lại
bằng một chất gel (chất có tác dụng tạo lớp vỏ
cứng bên ngồi cho mầm hạt). Trong cấu trúc lưới
của các hạt đó, nước và chất dinh dưỡng, chất sinh

trưởng được cung cấp thay cho nơi nhũ giúp cho
phơi vơ tính có thể nảy mầm thành cây hồn chỉnh.
Ưu điểm của phương pháp này là nhân được số
lượng lớn cây giống, duy trì đặc tính chất lượng hạt
giống giống nhau về mặt di truyền (do phơi khơng
có sự phân ly tính trạng hoặc tái tổ hợp như phơi
hữu tính), tốc độ nhân giống nhanh cũng như
khơng cần các u cầu về điều kiện vật lý giữa ni
cấy mơ và chuyển cây ra ngồi vườn, giữ phơi
được lâu và đảm bảo cung cấp giống kịp thời theo
u cầu.
Hạt nhân tạo gồm có 3 phần:
- Phơi vơ tính.
Ở

*
Giảng viên BM Cơng nghệ Sinh học, Khoa Nơng nghiệp- TNTN.
Email:


Thoâng tin khoa hoïc

Số 26
3
ðại học An Giang

4/2006
- Vỏ bọc polime (alginat, agar, agarose,…)
- Màng ngoài (alginat canxi)
Có nhiều loại polyme tự nhiên ñã ñược thử

nghiệm dùng cho công nghệ phôi vô tính, trong ñó
alginat ñược coi là tốt nhất.
Alginat là một polime sinh học ñược chiết từ
rong biển, chủ yếu từ rong mơ (Sargassum sp.).
Alginat do các phân tử axit manuronic gắn với
nhau, giống như các phân tử glucose tạo nên
cellulose. ðặc ñiểm quan trọng nhất của alginat là
chúng ở dạng hòa tan trong nước khi kết hợp với
các ion 1 hóa trị (Na
+
, K
+
, NH
4
+
) và lập tức
chuyển sang không tan trong nước khi kết hợp với
các ion 2 hóa trị hoặc ña hóa trị (Ca
2+
, Mg
2+
,
Al
3+
). Nếu nhỏ 1 giọt dung dịch alginat Na vào
một dung dịch CaCl
2
thì alginat Na ở phần diện
tích ngoài của giọt sẽ chuyển hóa ngay thành
alginat Canxi và tạo nên một màng không thấm

nước. Các viên alginat ñược hình thành.
2.3. Nuôi cấy mô thực vật theo phương pháp
thuỷ canh (hydroponics)
Thủy canh là một trong những phương pháp
canh tác tiên tiến nhất trong nền sản xuất hiện ñại,
cây ñược trồng trong nước và dung dịch dinh
dưỡng. Với phương pháp này, cây trồng có thể tăng
trưởng và phát triển mạnh do ñược cung cấp
khoáng chất trực tiếp thông qua hệ thống rễ luôn
tiếp xúc với môi trường.
Công nghệ thủy canh hiện ñược dùng rộng rãi ở
nhiều nước ñể trồng rau, hoa không cần ñất. Một
phần rễ ñược ñể ngập trong dung dịch dinh dưỡng
khoáng có thành phần thích hợp. Phần rễ bên
trên có thể ñảm nhận vai trò hô hấp và trao ñổi
khí. Các bộ phận phía trên không khí (thân lá)
ñược bảo vệ cách ly với môi trường bên ngoài
với các tấm mỏng bằng chất dẻo hoặc lưới.







(a)

(b)
Hình 1 (a). Hệ thống thủy canh ñiển hình
(b). Sơ ñồ hệ thống NFT với thiết bị bơm, lọc
và ñiều chỉnh pH
Trong công nghệ thủy canh, vấn ñề khó khăn
nhất là tạo một dung dịch dinh dưỡng ổn ñịnh về
nồng ñộ các chất dinh dưỡng và pH. Muốn vậy
phải thực hiện theo hai cách: hoặc thay ñổi môi
trường liên tục hoặc thêm các thành phần có khả
năng ñệm cao ñể ổn ñịnh pH. Hướng thứ nhất ñược
thực hiện nhiều ở Singapore và Hà Lan, bằng cách
ñể bộ rễ tiếp xúc với một lớp mỏng dịch dinh
dưỡng. Lớp mỏng này luôn luôn ñuợc tạo thành
dòng chảy bằng hệ thống bơm, lọc và ñiều chỉnh
pH tự ñộng (hình (b)). Vì vậy còn có tên gọi là
công nghệ màng dinh dưỡng (Nutrient Film
Technology – NFT).
Các nghiên cứu ở Việt Nam cho thấy công nghệ
thủy canh có thể phát huy khả năng quang tự
dưỡng của cây con, mặt khác giảm giá thành cây
con.
2.4. Nuôi cấy mô thực vật theo phương pháp
khí canh
Phương pháp khí canh (aeroponics) ñược xây
dựng chủ yếu ở Singapore và trong tương lai sẽ
thay thế hoàn toàn phương pháp thủy canh. “Khí
canh” (Aeroponics) – ñây chính là hệ thống thủy
canh cải tiến, vì rễ cây không trực tiếp nhúng vào
dung dịch dinh dưỡng mà phải qua hệ thống bơm

phun ñịnh kỳ.

Hình 2: Sơ ñồ phương pháp khí canh ñược áp
dụng trên thế giới.
Trong phương pháp khí canh, bộ rễ cây hoàn
toàn nằm trong không khí, chất dinh dưỡng và
nước ñược phun mịn theo chu kỳ lên toàn bộ hệ rễ.
Dung dịch thừa ñược thu lại, lọc, bổ sung ñể tiếp
tục sử dụng. Do không cần thường xuyên tiếp xúc
một lớp nước dày nên trọng lượng của toàn bộ hệ
khí canh tương ñối nhẹ, dễ bố trí trên nóc các sân
thượng ở các thành phố. Singapore dự kiến ñến
năm 2000 sẽ phủ xanh các nhà cao tầng bằng hệ
thống khí canh.
Với hệ thống này có thể tiết kiệm ñược dung
dịch, bộ rễ thực hiện hô hấp tối ña, do ñó có thể áp
dụng cho sản xuất lớn và trồng trái vụ.
Ở nhiều nước, công nghệ thủy canh ñược dùng
rộng rãi ñể trồng rau màu và một số loài hoa mà
không cần ñất. ðây là một bước tiến bộ quan trọng
trong nông nghiệp, mở ra một hướng mới trong

Lưới hoặc màng mỏng bằng plastic
Giá ñỡ cây bằng miếng xốp, dày 2-3 cm,
cóñục lỗ
Hộp bằng mốp xốp, dày 3-5 cm
Dung dịch dinh dưỡng

Dung dich dinh dưỡng

Hệ thống hoàn lưu




Vòi phun
sương
Máy bơm dung dịch
dinh dưỡng



Thoâng tin khoa hoïc

Số 26
4
ðại học An Giang

4/2006
công tác trồng trọt, ñáp ứng một phần tình hình cấp
bách hiện nay về vấn ñề rau sạch và an toàn vệ sinh
rau quả.
Hệ thống khí canh có thể ứng dụng ñể giảm giá
thành cây giống trong công nghệ sinh học thực vật,
với một số cải tiến thích hợp ñể ñiều chỉnh nồng ñộ
CO
2
và ñiều hòa nhiệt ñộ vùng rễ, lá.

2.5. Công nghệ quang tự dưỡng

Công nghệ quang tự dưỡng (photo autotrophic
technology) trong nuôi cấy mô thực vật, ñặc biệt
trong vi nhân giống, gần ñây ñược nghiên cứu
nhiều ñể hạ giá thành và tự ñộng hóa quá trình nuôi
cấy.
Trên cơ sở nghiên cứu tỷ mỷ các yếu tố cấu
thành hệ vi sinh thái của cây trong ống nghiệm, các
tác giả Nhật (Kozai và cộng tác viên) cho rằng nếu
tạo ñiều kiện cho cây trong ống nghiệm quang hợp
bình thường thì không nhất thiết phải cho ñường
vào môi trường nuôi cấy.
Các tác giả Nhật ñã sử dụng các biện pháp sau
ñể duy trì nồng ñộ CO
2
trong ống nghiệm luôn luôn
cao bằng hoặc hơn nồng ñộ CO
2
trong không khí
bên ngoài, ñảm bảo ñủ CO
2
cho quá trình quang
hợp :
1. Thay ñổi lại hình dáng bình nuôi cây, cấu tạo
lại nắp bình sao cho sự trao ñổi không khí trong
bình và ngoài bình tăng lên. Trên mặt nắp bình có
lỗ rộng ñể không khí ra vào dễ hơn thay vì nút cao
su hay bông nén. Lỗ này ñược ngăn bụi và vi khuẩn
bằng cách dán vào ñó một loại màng xốp thích hợp.
2. ðặt bình nuôi cây trong một không gian kín
có nồng ñộ CO

2
cao hơn không khí trong phòng.
3. Thay ñổi ñộ dài thời gian chiếu sáng liên tục,
nhưng vẫn ñảm bảo tổng số giờ chiếu sáng bằng
cách xen kẽ các thời gian tối, trong ñó CO
2
ñược
tích lũy.
4. Tăng khả năng sử dụng CO
2
bằng cách tăng
cường ñộ ánh sáng.
Với các biện pháp này các tác giả Nhật ñã hoàn
toàn thành công trong việc sử dụng công nghệ
quang tự dưỡng ñể nhân giống nhiều loại cây
(khoai tây, dâu tây, cẩm chướng, bạch ñàn ) trên
môi trường không ñường. Cây sản xuất theo công
nghệ quang tự dưỡng lớn nhanh hơn cây nuôi cấy
trên môi trường có ñường và có tỷ lệ sống cao hơn
khi chuyển sang giai ñoạn bầu ñất.
Ý nghĩa thực tiễn của công nghệ quang tự
dưỡng không chỉ nằm ở chỗ giảm chi phí ñường
pha môi trường mà chủ yếu ở chỗ tỷ lệ hư hỏng cây
do nhiễm nấm và vi khuẩn giảm xuống một cách rõ
rệt.
2.6. Công nghệ vi nhân giống theo phướng
hướng tự ñộng hoá
Cấy truyền và chuyên chở cây con từ in vitro
vào nơi thuần dưỡng chủ yếu là lao ñộng chân tay.
Ở các nước công nghiệp do giá nhân công ñắt, một

khó khăn khi triển khai vi nhân giống trên quy mô
công nghiệp là công lao ñộng chiếm tỷ lệ rất cao
trong giá thành (trên 50%). Vì vậy ở nhiều nước,
ñặc biệt ở Israel và Nhật, ñã tiến hành nghiên cứu
và ứng dụng thành công tự ñộng hóa trong vi nhân
giống ở qui mô công nghiệp.
Việc nghiên cứu tự ñộng hóa ñược tiến hành với
từng công ñoạn của công nghệ vi nhân giống và
mức ñộ thành công phụ thuộc vào tính phức tạp
của từng công ñoạn:
- Giai ñoạn chuẩn bị môi trường nuôi cấy
- Giai ñoạn cắt, tách mô và cấy truyền trên môi
trường mới
- Giai ñoạn nuôi cấy trong ñiều kiện nhiệt ñộ,
ánh sáng, CO
2
ñược ñiều khiển tự ñộng
- Giai ñoạn chuẩn bị ñưa ra vườn ươm (còn gọi
là công ñoạn hardening).
- Giai ñoạn vườn ươm
- Công ñoạn bao bì và giao cây cho người mua
2.7. Nhân giống trong các nồi phản ứng sinh
học (bioreactor)
Trước ñây các nồi phản ứng hay nồi lên men
(fermentor) chủ yếu ñược dùng cho công nghệ vi
sinh. Mục ñích của việc sử dụng các nồi phản ứng
sinh học là gia tăng sự trao ñổi khí trong môi
trường nuôi cấy ñể gia tăng sinh khối. Trên cơ sở
các thiết bị ñó, với một số cải tiến, nhiều tác giả ñã
nhân giống thành công nhiều loại phôi vô tính và

các thể chồi, cụm chồi hoặc củ nhỏ.
Phôi vô tính cà phê ñược sản xuất thành công ở
Brazil trên các nồi phản ứng dung tích 2 - 4 lít. Nồi
vận hành theo các nguyên tắc của một nồi lên men,
chú ý không dùng cánh khuấy mà chỉ dùng bọt khí
ñể thực hiện việc truyền khối và truyền nhiệt. Mỗi
mẻ có thể thu ñược 4 - 5 triệu phôi vô tính cà phê.
Ở Indonesia, cụm chồi dứa ñược ñưa vào sản xuất
thành công với nồi lên men 10 lít. ðiểm ñáng chú ý
trong công nghệ này là thay vì thổi khí vào nồi
phản ứng, dịch lỏng nuôi cây ñược bơm vào nồi và
hút ra theo chu kỳ ngắn, nhờ vậy mô và tế bào thực
vật có ñủ oxy và chất dinh dưỡng ñể phát triển
mạnh.
