Tiểu luận chuyên đề Protein và tính chống chịu ở thực vật

Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

MỤC LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

PHẦN I: MỞ ĐẦU
Công nghệ sinh học đang là một khoa học mũi nhọn trong các khoa học sự
sống. nó góp phần tích cực trong sự phát triển mọi mặt của xã hội loài người. Cách
mạng công nghệ sinh học đã thực sự ra đời vào đầu thập niên 70 của thế kỷ XX.
Những đóng góp của di truyền học vào việc nâng cao năng suất và sản lượng
cây trồng được xếp vào hàng thứ 2, sau những tiến bộ đạt được về phân bón, thủy
lợi và nông hóa. Trong 2 thập kỷ cuối của thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI các kiến
thức thức và kỹ thuật sinh học hiện đại đặc biệt trong các lĩnh vực nuôi cấy mô tế
bào, công nghệ sinh học và sinh học phân tử đã phát triển rất nhanh chóng. Sự trợ
giúp của các kỹ thuật này đối với các phương pháp chọn giống thực vật thông
thường đã thúc đẩy quá trình tạo ra các giống cây trồng mới có nhiều đặc tính nông
sinh học quí. Và trong các kỹ thuật đó kỹ thuật chuyển gen nói chung và chuyển
gen ở thực vật nói riêng là một kỹ thuật đóng vai trò vô cùng to lớn.
Những bước phát triển của kỹ thuật chuyển gen thực vật đã bắt nguồn từ

những thành công của các hệ thống chuyển gen ở động vật có vú và nấm men. Qua
một số thập kỷ nghiên cứu, kỹ thuật này đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể.
Trong bài viết này tôi xin phép được trình bày một số ít trong các thành tựu to lớn
và rực rỡ đó.

2

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

PHẦN II: TỔNG QUAN
2.1. Một số vấn đề chung nhẩt về chuyển gen ở thực vật [2].
Chuyển gen đã phát triển cùng với sự phát triển của các kỹ thuật nuôi cấy mô
và tế bào thực vật. Nó cho phép nghiên cứu cấu trúc và điều khiển hoạt động của
gen. Ngoài ra, nó mở ra triển vọng chuyển các gen có ý nghĩa về kinh tế vào cây
trồng.
2.1.1. Khái niệm về cây chuyển gen.
Cây chuyển gen là cây mang một hoặc nhiều gen được đưa vào nhân tạo thay
vì thông qua lai tạo.
Những gen được đưa vào có thể được phân lập từ những loài thực vật có
quan hệ họ hàng hoặc từ những loài khác biệt hoàn toàn.
Thực vật được tạo ra như thế gọi là “cây chuyển gen” mặc dù trên thực tế tất
cả các loài thực vật đều được chuyển gen từ các loài tổ tiên hoang dại của chúng
bởi quá trình thuần hóa, chọn lọc và lai giống có kiểm soát trong một thời gian dài.
2.1.2. Các thao tác cơ bản của quá trình chuyển gen.
Chuyển gen được thực hiên qua các bước sau:

- Xác định được gen liên quan đến tính trạng quan tâm và nhân được gen đó.
- Gắn gen vào vector biến nạp.
- Biến nạp vào E. coli để tạo dòng.
- Thiết kế vector chuyển gen, chuyển gen vào tế bào vật chủ.
- Nuôi cấy mô tế bào để tạo mô sẹo.
- Tạo cây chuyển gen trong ống nghiệm.
3

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

- Mang cây chuyển gen ra thực tế.
- Đánh giá và chứng minh sự có mặt của gen biến nạp trong cây tái sinh.
2.1.3. Một số phương pháp chuyển gen cơ bản.
2.1.3.1. Các phương pháp chuyển gen gián tiếp.
* Chuyển gen bằng Agrobacterium.
* Phương pháp thông qua virus.
2.1.3.2. Các phương pháp chuyển gen trực tiếp.
* Phương pháp dùng súng bắn gen
* Phương pháp xung điện.
* Phương pháp siêu âm.
* Phương pháp sử dụng hóa chất.
* Phương pháp chuyển gen bằng vi tiêm.
* Phương pháp chuyển gen qua ống phấn.
2.2. Một số thành tựu đã đạt được.
2.2.1. Cây trồng chuyển gen kháng sâu

* Sử dụng gen GNA trong phòng chống rầy mềm “aphid”.
Đối với loài côn trùng thuộc họ Homoptera như rầy nâu hoặc các loài khác
truyền bệnh virus cho cây trồng, người ta ghi nhận hợp chất lectin có từ nguồn thực
vật gây độc đối với chúng và nhóm lectin Galantus nivalis agglutinin – GNA có
độc tính mạnh nhất [7]. GNA làm giảm khả năng sinh sản làm chậm sự phát triển
của rầy mềm. Birch và Cs (1999) đã thành công trong việc chuyển nạp gen GNA
vào cây khoai tây (solanum tuberosum L.). Nhóm tác giả sử dụng clone LECGNA2
thể hiện kèm theo promoter CaMV35S để chuyển nạp. Cây khoai tây chuyển gen
có tính kháng cao với rầy mềm Myrzu percicae và Adalia bipunctata. Sự thể hiện
4

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

GNA trên lá khoai tây đã được quan sát trên cây chuyển gen. Các tác giả còn ghi
nhận: mức độ tiêu thụ thức ăn của rầy mềm, tổng số trứng đẻ, tỉ lệ trứng hữu thụ,
tuổi thọ của rầy trưởng thành, để kết luận về hiệu quả của gen GNA trong cây
khoai tây với kết luận: lectin của GNA ảnh hưởng làm giảm tuổi thọ và khả năng
sinh dục của rầy mềm, đặc biệt trên con cái; lectin của cây khoai tây chuyển gen
được tìm thấy gắn ở tế bào màng ruột rầy mềm vivo; sự biểu hiện gen điều khiển
lectin diệt rầy mềm trên cây khoai tây chuyển gen có thể có hiệu quả ngược đối với
thiên địch của cả 2 loại rầy mềm (M. percicae và A. bipunctata) thông qua chu
trình biến giải thức ăn của nó [3].
2.2.2. Cây trồng chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ.
Khi được hỏi, bất cứ người nông dân nào cũng trả lời rằng cỏ dại luôn là một vấn
đề gây lo lắng cho họ. Cỏ dại không chỉ cạnh tranh với cây trồng để lấy nước, chất

dinh dưỡng, ánh nắng mặt trời, khoảng không để mọc mà còn là nơi cư trú cho côn
trùng và các loại sâu bọ gây bệnh, gây tắc nghẽn hệ thống tưới tiêu, làm giảm sút
chất lượng mùa màng, và còn đem theo cả hạt giống cỏ vào cây trồng được thu
hoạch. Nếu không được thu hoạch, nếu không được kiểm soát, cỏ dại sẽ làm giảm
đáng kể năng suất cây trồng. Nghiên cứu về cây chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ
đang là vấn đề đáng được quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới.
* Khoai lang chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ.
Khoai lang là cây trồng nhiệt đới và cận nhiệt đới, với diện tích trên 10 triệu
ha trên thế giới. Nó là cây lương thực được xếp hạng thứ 7. Khoai lang là cây trồng
ít cần sự đầu tư, năng suất ổn định, thích nghi với điều kiện khắc nghiệt mà cây
lương thực khác không trồng được. Nó có khả năng chống chịu khô hạn, trồng
được trên đất kém dinh dưỡng và hạn chế khả năng đầu tư. Trong ngân hàng gen
5

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

khoai lang, không có mẫu giống nào thể hiện tính kháng thuốc cỏ. Người ta tìm
cách đưa gen bar vào một loài nấm men (yeast) thông qua kỹ thuật cải biên di
truyền. Các nhà khoa học Hàn Quốc đã thành công trong việc tạo ra giống khoai
lang kháng được thuốc cỏ glufosinate. Vấn đề đáng lo ngại là việc sử dụng gen bar
như vậy sẽ có thể gây ra hiện tượng dòng chảy của gen do tạp giao, tạo ra vấn đề
mà người ta gọi đó là “siêu cỏ”, (super weeds). Nhưng khoai lang là cây trồng
không có tính chất tạp giao như vậy trên đồng ruộng [13].
2.2.3. Cây trồng chuyển gen chống chịu stress.
* Cây cải Raphanus sativus chuyển gen tăng khả năng kháng mặn và hạn.

Park BJ và cs (2005) đã thành công trong việc chuyển một nhóm gen LEA
(Late Embryogenesis Abundant) gồm có 3 gen từ cây cải Brassica napus vào và
làm tăng khả năng chịu hạn và mặn cho cây Raphanus sativus. Tác giả sử dụng cả
phương pháp siêu âm kết hợp với chuyển gen nhờ vi khuẩn Agrobacterium. Dòng
vi khuẩn được sử dụng là dòng Agrobacterium LBA4404 với vector nhị thể PBI121
– LEA. Nhóm gen này sau khi được chuyển vào được phân tích bằng PCR, lai
Southern blot, Westhern blot. Qua trồng thử nghiệm trong điều kiện hạn và mặn thì
những cây được chuyển gen sinh trưởng vượt trội so với những cây không có nhóm
3 gen trên. Như vậy nhóm protein của 3 gen LEA này làm tăng tính chịu hạn và
mặn trong cây cải Raphanus sativus [6].
* Thuốc lá chuyển gen kháng mặn.
Tiến sĩ Narendra Tuteja và các đồng nghiệp thuộc Trung tâm Công nghệ sinh
học và kỹ thuật di truyền Quốc tế tại New Delhi, Ân Độ đã công bố một kỹ thuật
mới cho việc sản xuất cây trồng chịu mặn.
6

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

Tiến sĩ Tuteja và nhóm nghiên cứu của bà đã sử dụng gen mã hoá cho DNA
helicases, loại enzim có tác dụng tách
DNA trong suốt quá trình sao chép
gen . Một helicase tìm thấy trong cây
đậu Hà Lan cụ thể là chất PDH45 đã
tăng khả năng chống chịu với nồng độ
muối cao, sự khử nước và nhiệt độ

thấp. Kết quả của nhóm nghiên cứu đã
cho thấy sau khi họ chuyển gen

Hình 2.2.1: Thuốc lá chuyển gen kháng mặn

PDH45 vào cây thuốc lá, thì cây này không chỉ tiếp tục tăng trưởng trong điều kiện
độ mặn cao, mà còn dẫn đến việc các thế hệ tiếp theo của cây này giữ được gen và
tiếp tục chịu được độ mặn cao.
Các nhà nghiên cứu phát hiện thấy việc thể hiện gen này trong cây thuốc lá
tương tự như khả năng chịu mặn. Tuy nhiên, mặc dù cây thuốc lá chuyển gen được
thử nghiệm trong điều kiện sinh trưởng khó khăn, nhưng chúng vẫn tiếp tục lớn
lên, ra hoa và tạo quả với số lượng hạt kích thước hạt, trọng lượng hạt và kích
thước quả tương đương với những loại cây trồng hoang dại không phải chịu mặn
[11].
RoyChoudhury và Cs (2007) cũng đã chuyển thành công một gen có tên là
Rab16A từ cây lúa vào cây thuốc lá bằng phương pháp gián tiếp thông qua vi
khuẩn Agrobacterium làm cho cây thuốc lá cũng tăng tính kháng mặn cao. Các thí
nghiệm đã thành công và thấy rằng gen được chuyển vào được gắn và di truyền ổn
định trong genome của cơ thể mới là cây thuốc lá chuyển gen [8].
7

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

* Cây cải dầu chuyển gen kháng mặn và chịu hạn.
Tháng 11/ 2007 vừa rồi, một nhóm các nhà khoa học đứng đầu là Brini F và

các Cs đã nghiên cứu và chuyển thành công một gen liên quan đến tính chịu mặn là
DHN – 5 (thuộc nhóm gen kháng mặn - dehhydrin) từ cây lúa mì Triticum durum
vào cây cải dầu Arabidopsis thaliana tạo cây cải dầu chuyển gen có tính kháng mặn
và chịu hạn cao. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành nuôi thử nghiệm cây chuyển gen
trong môi trường chọn lọc và thấy rằng cây cải Arabidopsis thaliana sinh trưởng
mạnh trong điều kiện nồng độ muối NaCl và khô hạn cao, mặt khác thử nghiệm
còn thấy rằng hàm lượng prolin tăng một cách đáng kể trong những cây này [4].
Prolin là một yếu tố có thể kích hoạt sự điều tiết gen đối với hiện tượng co nguyên
sinh trong cây lúa trong điều kiện bị mặn hay khô hạn. Trong điều kiện như vậy thì
hàm lượng prolin ra tăng rất nhanh [1]. Sự tích lũy prolin trong cây cải dầu chuyển
gen được coi như là kết quả của sự thể hiện gen thành công trong cây cải dầu – một
minh chứng cho việc thành công trong thí nghiệm này.
2.2.4. Cây trồng chuyển gen chống vi sinh vật gây bệnh.
* Cây chuyển gen kháng nấm.
Bệnh đốm vằn trên cây lúa do nấm Rhizoctonia sonali gây ra là một loại
bệnh chưa có giống kháng tuyệt đối. Người ta đã nghiên cứu ứng dụng việc chuyển
nạp gen chitinase vào cây lúa để kiểm soát bệnh này. Lin và Cs (1995) đã sử dụng
một đoạn phân tử của genome cây lúa có kích thước 1.1kb chứa gen chitinase và
promoter CaMV35S. Sau đó chúng được clone hóa trong vector pGL2, các tác giả
đã sử dụng phương pháp chuyển nạp gen bằng PEG qua tế bào trần thu được 202
cây tái sinh, từ 61 cây trồng trong nhà kính có 28 cây hữu thụ được ghi nhận. Phân
tích protein từ lá của những cây ở thế hệ T1 gen chitinase đều có thể hiện trong
8

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

những cây này. Con lai của những cây có chitinase đã được thanh lọc bệnh đốm
vằn cho thấy mức độ kháng bệnh tương quan với mức độ thể hiện gen chitinase
trong cây lúa [5].
* Cây chuyển gen kháng vi khuẩn.
Bệnh bạc lá lúa (BB) do vi khuẩn Xanthomonas orvzae pv. oryzae là một
trong những bệnh quan trọng trong sản xuất lúa gạo. Một gen trội kiểm soát tính
kháng BB đã được tìm thấy ở một loài lúa hoang ở Châu Phi được kí hiệu là Xa –
21 có phổ kháng rất rộng đối với nhiều loại vi khuẩn gây bệnh bạc lá, do vậy nó có
tính kháng ổn định hơn so với những gen khác đã được phân lập trước đây. Tu và
Cs (1998) đã sử dụng phương pháp chuyển nạp gen Xa – 21 vào giống lúa indica
IT72. Các tác giả thực hiện chuyển nạp gen Xa – 21 với 2 plasmit pC822 và
pROB5 có gắn promoter CaMV35S. Sau khi tiến hành chuyển gen và phân tích di
truyền các tác giả đã đi đến kết luận locus gen Xa – 21 đã được cài vào trong hệ
gen của cây lúa, điều khiển tính kháng BB và phân ly theo tỷ lệ 3:1 [9].
2.2.5. Cây trồng chuyển gen sản xuất protein.
* Cây lúa chuyển gen sản xuất vaccine chống dị ứng.
Hạt phấn của cây Cryptomeria japonica( cây thông liễu Nhật Bản) là tác
nhân gây dị ứng viêm mũi, hen suyễn và viêm màng kết cho người và chó, bệnh
này còn gọi là bệnh sốt mùa hè đang tồn tại ở Nhật Bản. Biện pháp rẻ tiền nhất để
phòng bệnh này kiểm soát môi trường không khí, làm giảm ô nhiễm, tăng cường
sức khỏe, tăng cường sức chống chịu của cơ thể. Vaccin cũng là biện pháp đã được
đề cập.
Nhóm các nhà khoa học Nhật Bản là Yang và Cs (2007) đã nghiên cứu và
phân lập gen cryJ1 từ cây Cryptomeria japonica và cho dung hợp với glutelin của
9

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

cây lúa có trong phôi mầm sau đó cho thể tái tổ hợp này biểu hiện trong cây lúa.
Những allergens CryJ1 như thế này sẽ tạo ra hoạt tính rất thấp của “IgE-binding”
nhưng nó chứa đựng tất cả những dạng epitopes của “T-cell” thuộc về tác nhân dị
ứng này. Có khoảng 15% protein hạt của cây lúa chuyển gen có gluteline ở dạng
dung hợp – CryJ1 protein. Các tác giả tiến hành thử nghiệm trên chuột, họ cho một
nhóm chuột ăn lúa hàng ngày, trong khoảng vài tuần rồi cho chúng phơi nhiễm với
phấn hoa của cây thông liễu. Kết quả là chúng tạo ra ít histamine hơn - hóa chất gây
các triệu chứng sốt mùa hè và hắt hơi ít hơn so với nhóm chuột đối chứng [10], [12].
Sản phẩm của protein tái tổ hợp này có thể được sử dụng phổ biến, an toàn
và hiệu quả.
2.2.6. Cây chuyển gen có hàm lượng chất dinh dưỡng cao và cây có hợp chất đặc biệt.
* Cây thuốc lá chuyển gen làm sạch đất nhiễm độc.
Chất nổ TNT không những có sức công phá mạnh mà còn khiến đất bị nhiễm
độc, gây nguy hiểm cho động vật và cây
trồng. Đến nay, người ta vẫn chưa tìm ra
cách tự nhiên và rẻ tiền để làm sạch các
vùng đất đó. Trong hoàn cảnh này, trồng
cây thuốc lá chuyển gene sẽ là giải pháp
kỳ diệu, vì nông dân vừa có thu hoạch,

Hình 2.2.2 : Một cánh đồng thuốc lá

vừa cải tạo được đất.
Nhóm khoa học của Neil Bruce, Đại học Cambridge (Anh) đã cấy gene của
vi khuẩn enterobacter cloacae vào cây thuốc lá sau đó trồng cây thuốc lá chuyển
gene trong một dung dịch có nồng độ TNT rất cao (các cây trồng khác sẽ chết sau

vài ngày). Sau khoảng hai tuần, nhóm khoa học thấy rằng nồng độ TNT giảm đi
10

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

một nửa. Quá trình này xảy ra là do gen của vi khuẩn được cấy vào đã sản sinh ra
một loại enzym ở rễ cây, hấp thụ và chuyển đổi TNT qua một chuỗi các phản ứng
hóa học. Trong thời gian này, cây thuốc lá vẫn phát triển bình thường. Như vậy
bằng phương này người ta có thể khử các chất độc trong đất thành những chất
không độc hại mà chỉ bằng phương pháp trồng cây.
Theo nhóm khoa học, bên cạnh cây thuốc lá, người ta cũng có thể biến đổi
gene của một số cây to và lớn nhanh khác, ví dụ cây dương, để làm sạch đất [14].
* Cà chua mang gen tạo độc chất của ếch giúp kháng bệnh.
Các nhà khoa học Canada đã khám phá ra rằng trên da của một số loài ếch
sống ở vùng Nam Mỹ có chứa một số loại độc chất giúp chúng chống lại các loại
bệnh tật do vi sinh vật gây ra. Một họ các chất độc này có tên là demarseptin. Các
độc chất này ngoài việc giúp ếch chống lại các tác nhân gây hại trên da mà còn
chống lại các tác nhân gây hại khác. Thành viên có độc lực cao nhất trong họ
demarseptin này là demarseptin B1. Các nhà nghiên cứu đã tách gen mã hóa cho
loại độc chất này từ da của loài ếch Phyllomedusa bicolo sống trên cây ở rừng mưa
vùng Nam Mỹ, nơi mà điều kiện độ ẩm và nhiệt độ cao thích hợp cho các loại nấm
mốc và vi khuẩn sinh sôi nảy nở và chuyển vào cây cà chua (Sonalum tuberosum
L) làm cho cà chua cũng có khả năng tạo ra loại độc chất này. Và kết quả cho thấy
cây cà chua biến đổi gen có thể kháng lại sự xâm nhiễm của nhiều lọai nấm mốc và
vi khuẩn gây bệnh, như bệnh thối rễ, trụi cây, …

11

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn


Tiểu luận chuyên đề

Protein và tính chống chịu ở thực vật

PHẦN III: KẾT LUẬN
Trong thời gian qua kĩ thuật chuyển gen đã mang lại nhiều thành tựu đáng
ghi nhận trong công tác chọn tạo giống cây trồng trên qui mô toàn thế giới. Hiện
nay nó vẫn đang có rất nhiều tiềm năng to lớn, tuy nhiên cũng có nhiều hạn chế và
khó khăn đáng quan tâm.
* Tiềm năng.
- Cho phép đưa vào cây trồng một gen lạ phân lập từ một giống khác có quan
hệ họ hàng với nó hoặc từ một cơ thể thực vật bất kì khác, đôi lúc làm xuất hiện
những tính trạng hoàn toàn mới, chưa từng có trong tự nhiên.
- Tạo ra những loại cây trồng chống chịu với sâu bệnh, cây hút chất độc và
kim loại nặng… được ứng dụng trong việc bảo vệ chống ô nhiễm môi trường.
- Tạo ra giống cây trồng mới trong thời gian rất ngắn và trong phạm vi
nghiên cứu hep.
- Cho phép tạo ra các cây trồng sản xuất protein: các loại vitamin, vaccine...
- Tạo ra giống cây trồng mới chứa các hợp chất đặc biệt.
* Hạn chế.
- Số lượng các gen kiểm soát các tính trạng nông sinh học quí còn chưa nhiều.
- Các qui trình chuyển gen chưa được tối ưu và hoàn thiện.
- Kiến thức cũng như các phương pháp nghiên cứu về sự biểu hiện của các
gen sau khi biến nạp chưa được hoàn chỉnh.

12

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn