Nuôi cấy mô Chương 1

Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu
1
CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU
Theo dự báo, dân số thế giới sẽ đạt khoảng 8-10 tỷ người vào năm 2020,
trong đó khoảng 80% dân số sống ở các nước kém phát triển. Hiện nay, cả thế
giới đang phải đối mặt với những thách thức lớn như: (1) tăng dân số, tăng nhu
cầu lương thực và giảm diện tích đất canh tác bình qn đầu người; (2) q trình
đơ thị hóa xảy ra nhanh và sức mua được cải thiện làm tăng nhu cầu lương thực
bình qn trên đầu người do tăng nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm động vật; (3) sự
khai thác tối đa tài ngun thiên nhiên gây tác động xấu đến nền tảng sinh thái
nơng nghiệp (gồm đất, nước, rừng, đa dạng sinh học, khí quyển) có thể gây ra
các thay đổi bất thường về khí hậu và mực nước biển; (4) các thành tựu đột phá
trong cơng nghệ mới, đặc biệt là trong cơng nghệ sinh học, xuất hiện ngày càng
nhiều, trong khi còn có nhiều quan điểm khác nhau về các thành tựu đó.
Trong bối cảnh như vậy, nhân loại đang phải tìm ra giải pháp để đảm bảo
an ninh lương thực, nâng cao sức khỏe của con người và sự phồn thịnh cho tất cả
các nước, đặc biệt là ở các nước kém phát triển.
Hơn 30 năm qua, cuộc “Cách mạng Xanh” đã mang lại nhiều thành tựu
nổi bật trong nơng nghiệp, góp phần tăng sản lượng lương thực, giải quyết vấn đề
thiếu lương thực ở nhiều quốc gia, đặc biệt ở các nước kém phát triển. Tuy vậy,
trong cuộc “Cách mạng Xanh”, chỉ có một số cây trồng chính như lúa và ngơ
được đặc biệt quan tâm, còn nhiều lồi cây trồng cho các vùng khó khăn trên
tồn thế giới lại ít được đầu tư nghiên cứu.
Cơng nghệ sinh học được xem là một cuộc “Cách mạng Xanh” lần thứ hai
hay cuộc “Cách mạng Xanh kép”, trong đó năng suất cây trồng được tăng cao
cùng với việc giảm tác hại tới mơi trường. Có thể hiểu khái niệm cơng nghệ sinh
học bao hàm hai thành tố là cơng nghệ và sinh học. Sinh học có nghĩa là tri thức
về khoa học sự sống, khi thơng qua cơng nghệ trở thành quy trình sản xuất. Cơng
nghệ sinh học là q trình sử dụng các kiến thức truyền thống và cơng nghệ hiện
đại nhằm làm thay đổi vật chất di truyền của cơ thể sinh vật và tạo ra sản phẩm
mới. Cơng nghệ sinh học và đặc biệt là cơng nghệ sinh học thực vật ứng dụng

trong nơng nghiệp với sự phát triển hiện nay là mối quan tâm lớn của quốc tế.
Khái niệm về cơng nghệ sinh học thực vật được hiểu theo hai nghĩa: theo
nghĩa rộng là tất cả các cơng nghệ tạo ra một cây hồn chỉnh từ một tế bào, một
tập hợp tế bào (mơ) hay một bộ phận trên cơ thể thực vật trong mơi trường nhân
tạo ở phòng thí nghiệm (in vitro); theo nghĩa hẹp là q trình tái tổ hợp DNA,
nghĩa là chỉ các cơng nghệ liên quan đến thao tác gene để làm thay đổi bản chất
di truyền của cây trồng và do vậy, làm thay đổi sản phẩm của chúng.
Trong phạm vi giáo trình này, khái niệm cơng nghệ sinh học thực vật
được hiểu theo nghĩa rộng, nghĩa là bao gồm cả kỹ thuật ni cấy mơ, tế bào và
Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu
2
kỹ thuật chuyển gene ở thực vật. Cơng nghệ sinh học thực vật nói chung và cơng
nghệ gene nói riêng đã có những bước phát triển nhảy vọt và đạt được nhiều
thành tựu đáng kể, đặc biệt trong vài thập niên vừa qua. Cơng nghệ chuyển gene
là một cơng cụ rất hữu hiệu, có thể giúp cho các nhà chọn giống tạo ra các giống
cây trồng có những đặc tính mong muốn mà cho đến nay, chưa có một phương
pháp chọn tạo giống nào có thể đạt được.
Nhiệm vụ của cơng nghệ sinh học thực vật trong nơng nghiệp là phải đáp
ứng 2 mục tiêu: giảm nghèo và an tồn lương thực; thoả mãn u cầu của nơng
dân sản xuất nhỏ và tập trung vào các cây trồng có giá trị kinh tế. Mục tiêu quan
trọng cuối cùng mà lĩnh vực cơng nghệ sinh học thực vật cần hướng tới là phát
triển một nền cơng nghiệp sinh học.
Năm 2005 là năm thứ 10 ứng dụng cơng nghệ sinh học trong trồng trọt kể
từ vụ cây trồng biến đổi gene đầu tiên được trồng năm 1996. Điểm mốc quan
trọng này sẽ là cơ hội để xem xét tổng thể tác động của cơng nghệ này đối với
nơng nghiệp tồn cầu. Kết quả này cũng là cơ sở để các quốc gia, các chương
trình phát triển tồn cầu hoạch định các chiến lược phát triển cơng nghệ sinh học,
đặc biệt là cơng nghệ sinh học thực vật.
1. Cơng nghệ ni cấy mơ và tế bào thực vật
Kỹ thuật ni cấy mơ và tế bào đã được sử dụng rất có hiệu quả trong

chọn tạo giống cây trồng. Các kỹ thuật đã được phát triển thành cơng và áp
dụng rộng rãi trong nơng nghiệp gồm:
 Ni cấy chồi với số lượng lớn phục vụ cơng tác giống cây trồng:
phương pháp này được áp dụng rộng rãi đối với rất nhiều cây trồng có giá trị
kinh tế cao như: khoai tây, dâu tây, hoa hồng, cẩm chướng, cúc đồng tiền,
 Ni cấy đỉnh sinh trưởng kết hợp với kỹ thuật vi ghép tạo nguồn cây
giống sạch bệnh: phương pháp này đã được áp dụng với những cây trồng
quan trọng như: các cây có múi, khoai tây, thuốc lá, lily,
 Ni cấy bao phấn và hạt phấn tạo ra cây đơn bội kép kết hợp với
chọn lọc phục vụ cho cơng tác chọn tạo giống cây trồng, đặc biệt là đối với
các cây trồng cho hạt như cây lúa.
 Ni cấy tế bào đơn để thu nhận các hợp chất thứ cấp trong các hệ
thống ni cấy lỏng tĩnh, lỏng lắc, lỏng có sục khí, bioreactor, ngập chìm
tạm thời,
 Ni cấy tế bào trần làm ngun liệu cho q trình lai tế bào sinh
dưỡng (dung hợp tế bào trần) tạo ra các giống cây trồng mới. Dung hợp tế
bào trần kết hợp với nhân dòng vơ tính ở cây khoai tây sẽ tạo ra các giống mới
cho năng suất cao hơn giống khoai tây thường
Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu
3
 Cơng nghệ phơi vơ tính và hạt nhân tạo giúp bảo quản nguồn giống
cây trồng. Đây là phương pháp được áp dụng rất thành cơng để nhân giống
lan hồ điệp.
 Cơng nghệ thủy canh – trồng cây khơng cần đất, đây là phương pháp
trồng trọt mới cho năng suất cao, sản phẩm thu được hồn tồn sạch nhưng
khơng gây ảnh hưởng cho mơi trường vì khơng sử dụng thuốc trừ sâu và các
hóa chất độc hại khác.
2. Cơng nghệ chuyển gene thực vật
Kỹ thuật chuyển gene vào thực vật đã thành cơng ở nhiều loại cây trồng
như ngơ, lúa, đậu tương, bơng, Nhiều gene lạ đã được phân lập từ vi sinh vật,

động vật, thực vật hoặc có thể được tổng hợp nhân tạo và được đưa thành cơng
vào cây trồng để tạo ra các giống cây trồng mới có năng suất và chất lượng tốt,
có tính chống chịu tốt với sâu, bệnh hại và điều kiện bất lợi của ngoại cảnh như
mặn, hạn, rét, ngập úng.
Lợi ích mang lại do các cây trồng được chuyển gene rất to lớn, có thể giúp
giải quyết vấn đề lương thực tồn cầu, đặc biệt ở các nước đơng dân số và các
nước có điều kiện khó khăn cho sản xuất nơng nghiệp. Cơng trình nghiên cứu ở
Ấn Độ cho thấy rằng sự biến đổi di truyền có thể tiến hành có chất lượng tốt và
có tác động lớn đến sản xuất nơng nghiệp và giải quyết vấn đề an ninh lương
thực. Thế kỉ 21 có thể chứng kiến sự thay đổi về nhiệt độ, lượng mưa, mực nước
biển, và cả tia UV là kết quả của sự nóng lên tồn cầu. Tất cả các tai hoạ do con
người gây ra có ảnh hưởng bất lợi đến các quốc gia nghèo trên thế giới.
Việc chuyển các gene chịu mặn từ các lồi cây đước (họ Rhizophoraceae)
vào cây lúa hoặc thuốc lá là một cơng việc khơng thể làm được nếu khơng nhờ
vào các thí nghiệm tái tổ hợp DNA. Đây là một trong những ví dụ chứng minh
các ích lợi to lớn của cơng nghệ sinh học trong nghiên cứu khoa học sinh học và
nơng nghiệp.
Kỹ thuật chuyển gene vào cây trồng cũng tạo ra được những giống cây
mới có sức chống chịu với các điều kiện bất lợi cao hơn như sâu, bệnh, cỏ dại,
khơ hạn, mặn, rét,
Theo ước tính của FAO, khoảng 70% tiềm năng năng suất cây trồng bị
thiệt hại do các điều kiện bất lợi của mơi trường và do sâu bệnh hại. Chọn tạo ra
các giống cây trồng có khả năng chống chịu cao với các điều kiện bất lợi đã được
các nhà khoa học đặc biệt quan tâm từ lâu. Ngồi việc áp dụng các phương pháp
chọn tạo giống truyền thống, các phương pháp gây đột biến và cơng nghệ sinh
học đã và đang được sử dụng rộng rãi và đã đạt được nhiều thành tựu to lớn.
Nhiều loại giống cây trồng mới đã được tạo ra bằng phương pháp cơng nghệ sinh
học mang những đặc tính tốt mà các phương pháp khác khơng thể đạt được:
Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu
4

 Các gene kháng sâu hại như gene Bt đã được nghiên cứu và chuyển vào
nhiều loại cây trồng như lúa, bơng, ngơ, đậu tương. Các gene kháng sâu đục thân,
rầy nâu, bệnh bạc lá, bệnh do nấm gây ra đã được chuyển thành cơng vào cây
lúa. Các cây trồng được chuyển gene đã được thử nghiệm và được áp dụng rộng
rãi trong sản xuất, đặc biệt ở Mỹ, Canada và Trung Quốc, góp phần tăng thu
nhập cho người nơng dân.
 Các nhà khoa học đã thử nghiệm và thành cơng trong việc chuyển gene
tham gia vào q trình quang hợp của cây C
4
vào cây trồng C
3
làm tăng hiệu suất
quang hợp và năng suất cây trồng là một trong nhiều ví dụ về lợi ích của kỹ thuật
này. Tuy nhiên, những cố gắng này mới chỉ là bước đầu, cần nghiên cứu và hồn
thiện thêm, vì ngồi các enzym xúc tác cho q trình quang hợp, còn có sự khác
nhau về về cấu trúc tế bào mơ lá ở cây C
4
và cây C
3
.
 Các nghiên cứu phân lập và chuyển gene cố định đạm (nif gene) vào lúa
để tạo ra cây lúa có khả năng cố định đạm để giảm bớt chi phí mua phân đạm.
 Chuyển gene kháng sâu hại như sâu đục thân, sâu cắn lá, rầy nâu; gene
kháng bệnh nấm, bệnh do vi khuẩn vào cây trồng để hạn chế tác hại do sâu, bệnh
gây ra và giảm chi phí phòng trừ; chuyển gene chịu thuốc trừ cỏ vào cây trồng để
có thể sử dụng thuốc trừ cỏ một cách hữu hiệu. Đa số thế hệ hiện tại của các cây
trồng được biến đổi về di truyền mang gene chịu thuốc trừ cỏ và kháng sâu, bệnh
hại thường gặp ở các giống cây trồng hiện có.
 Sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo ra các cây trồng mang nhiều đặc tính
chữa bệnh và có các tác dụng làm dược phẩm là một thành tựu lớn của cơng nghệ

di truyền. Các cây trồng được chuyển gene tổng hợp insulin, gene tổng hợp
vitamin A là những ví dụ. Có nhiều sự biến nạp di truyền ở cây trồng như làm
thay đổi hàm lượng tinh bột, dầu và chất béo, có thể có ít hoặc khơng có tác động
đến đa dạng sinh học.
 Chuyển gene làm chậm q trình chín của quả (ripening delay gene) để
tăng tuổi thọ trong bảo quản, vận chuyển, tăng giá trị trên thị trường của một loại
hoa, quả.
Kỹ thuật chuyển gene đã góp phần tăng năng suất cây trồng, tăng chất
lượng sản phẩm và tăng thu nhập cho người lao động. Trong 10 năm qua, diện
tích trồng cây cơng nghệ sinh học liên tục tăng trưởng hai con số mỗi năm (kể từ
khi loại cây trồng này được đưa vào trồng đại trà năm 1996). Đáng chú ý là
trong thập niên đầu tiên được đưa vào trồng đại trà, diện tích cây trồng cơng nghệ
sinh học đã tăng hơn 50 lần. Từ 1,7 triệu ha năm 1996 lên 81 triệu ha năm 2004
và đạt 90 triệu ha, tương đương với 222 triệu mẫu năm 2005. Trong những năm
2004-2005, diện tích trồng cây cơng nghệ sinh học đã tăng 11%, tương đương
với 9 triệu ha (22 triệu mẫu).
Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu
5
Hình 1.1. Bức tranh tổng thể của 10 năm phát triển cây trồng sinh học tồn cầu
Tỷ lệ trồng loại cây trồng này là một trong những tỷ lệ áp dụng cơng nghệ
về cây trồng cao nhất trong nơng nghiệp, điều này cho thấy ngày càng có nhiều
nơng dân tại các nước phát triển và đang phát triển chấp nhận và trồng cây cơng
nghệ sinh học. Số nước trồng cây trồng cơng nghệ sinh học đã tăng gấp gần 4 lần
trong thời gian 10 năm qua. Năm 1996 chỉ có 6 nước chuẩn y trồng loại cây này
đã tăng lên 9 nước năm 1998, năm 1999 tăng thêm 3 nước và có 17 nước phát
triển cơng nghệ này vào năm 2004. Năm thứ 10, năm 2005 số nước chuẩn y và
phát triển cơng nghệ này lên đến 21 nước, đây thực sự là điểm mốc đáng chú ý.
Ba trong số 4 nước mới tham gia năm 2005 là các nước thuộc Liên minh châu Âu
đó là Bồ Đào Nha, Pháp, Cộng hồ Séc và Iran.
Bảng 1.1. Diện tích cây trồng Cơng nghệ sinh học trên thế giới từ 1996 - 2005

Diện tích
Năm
ha (Triệu)
Mẫu (triệu)
1996
1,7
4,3
1997
11,0
27,5
1998
27,8
69,5
1999
39,9
98,6
2000
44,2
109,2
2001
52,6
130,0
2002
58,7
145,0
2003
67,7
167,2
Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu
6

2004
81,0
200,0
2005
90,0
222,0
Tổng
384,6
951,3
Hình 1.2. Diện tích cây trồng Cơng nghệ sinh học tồn cầu (1996-2005)
Năm 2005, trong 21 nước trồng cây cơng nghệ sinh học, có 11 nước đang
phát triển và 10 nước cơng nghiệp. Đồ thị trên cho thấy tương quan về diện tích
cây trồng cơng nghệ sinh học tại các nước phát triển và đang phát triển từ năm
1996-2005.
Trong năm 2004, hơn một phần ba diện tích cây trồng cơng nghệ sinh học,
tương đương với 27,6 triệu hecta được trồng tại các nước đang phát triển. Trong
khi một phần đáng kể cây trồng cơng nghệ sinh học (66%) được trồng tại các
nước phát triển, thì thị phần cây trồng cơng nghệ sinh học tại các nước đang phát
triển lại liên tục tăng nhanh hàng năm với mức tăng cao tại một số nước như:
Trung Quốc, Ấn Độ, Philippin, Achentina, Braxin, Mexico, Uruguay, Paraguay
và Nam Phi. Tại các nước đang phát triển, diện tích trồng cây cơng nghệ sinh học
tăng cao gần gấp ba lần (35%) so với mức tăng diện tích tại các nước cơng
nghiệp (13%).
Đến năm 2005, diện tích trồng cây cơng nghệ sinh học ở các nước đang
phát triển chiếm hơn 1/3 (38%, tăng so với 34% của năm 2004), tương đương với
333,9 triệu ha, mức tăng diện tích năm 2004 - 2005 (là 6,3 triệu ha hay tăng 23%)
cao hơn nhiều so với mức tăng diện tích tại các nước cơng nghiệp (2,7 triệu ha,
tăng 5%). Các tác động ngày càng tăng của 5 quốc gia đang phát triển (Trung
Quốc, Ấn Độ, Achentina, Braxin và Nam Phi) đại diện cho 3 châu lục Nam bán
cầu là châu Á, Mỹ Latinh và châu Phi, là xu hướng quan trọng cho việc chấp

nhận và ứng dụng cây trồng cơng nghệ sinh học trên tồn thế giới trong tương
lai.
Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu
7
Năm 2005 đã có 8,5 triệu nơng dân ở 21 nước trên thế giới trồng cây cơng
nghệ sinh học, tăng so với con số 8,25 triệu nơng dân ở 17 nước trong năm 2004.
Đáng chú ý là 90% người trồng được hưởng lợi là các nơng dân nghèo ở các
nước đang phát triển, nhờ vào việc trồng cây cơng nghệ sinh học, thu nhập của
họ đã tăng cao hơn và đóng góp cho q trình xố nghèo. Trong năm 2005 có
khoảng 7,7 triệu nơng dân nghèo kiếm sống nhờ vào trồng trọt đã thu được lợi từ
cây trồng cơng nghệ sinh học (tăng so với 7,5 triệu người của năm 2004) - phần
lớn là nơng dân ở Trung quốc với 6,4 triệu người, Ấn Độ với 1 triệu người, hàng
nghìn nơng dân ở Nam Phi mà chủ yếu là phụ nữ trồng bơng Bt, trên 50.000
nơng dân ở Philippine, số còn lại là ở 7 nước đang phát triển đang trồng cây cơng
nghệ sinh học trong năm 2005. Như vậy, trong thời gian 10 năm, các loại cây
trồng cơng nghệ sinh học đã được hơn 25 triệu nơng dân trồng thành cơng trên
tổng diện tích khoảng 475 triệu ha, tương đương với gần một nửa diện tích đất
của Mỹ hay Trung Quốc.