PHƯƠNG PHÁP VÀ THÀNH TỰU CHUYỂN GEN TRÊN CÂY NGÔ

A. MỞ ĐẦU
Cây ngô là một trong những cây lương thực quan trọng không chỉ đối với
thế giới mà còn quan trọng đối với cả Việt Nam. Theo thống kê của Bộ Nông
nghiệp và Phát triển nông thôn diện tích trồng ngô tại Việt Nam trong những
năm gần đây có giảm, nhưng vẫn đạt vào khoảng 1,1 triệu/ ha/ năm, năng suất
bình quân gần 4,0 tấn / ha/ vụ, sản lượng chưa đến 4,0 triệu tấn, vì thất thoát trên
đồng ruộng do sâu bệnh (nấm, mối, mọt) sau thu hoạch ước tính thất thoát từ 10
- 13%. Trong khi đó nhu cầu sử dụng ngô cho ngành chăn nuôi lên đến 5,5 triệu
tấn. Và, Việt Nam hàng năm phải bỏ ra nửa tỷ USD để nhập khẩu ngô hạt. Theo
số liệu mới nhất của tổng cục thống kê năm 2008 giá trị thu nhập nguyên liệu
thô (ngô, đậu tương) cho sản xuất thức ăn chăn nuôi lên tới 1,3 tỷ USD [12].
Hàng trăm năm qua con người đã luôn tìm kiếm các phương pháp để cải
tiến cây trồng với mục tiêu tăng năng suất cũng như chất lượng. Mặc dù các
phương pháp chọn tạo truyền thống đã mang lại nhiều thành tựu trong công tác
phát triển giống cây trồng nông nghiệp, nhưng dường như vẫn chưa thỏa mãn
những yêu cầu của thực tế. Công nghệ gen ra đời được ví như “chìa khóa đa
năng” để mở những nút thắt vốn gây rất nhiều khó khăn cho các nhà chọn tạo
giống truyền thống nhằm tạo ra một giống cây trồng “hoàn hảo” hơn khi chúng
được kết hợp với nhau. Tính trạng mong muốn sẽ được tạo ra bằng cách đưa
một đoạn gen vào hệ gen của cây bằng cách trực tiếp hay gián tiếp thông qua kỹ
thuật chuyển gen. Vì vậy, việc nghiên cứu cây ngô biến đổi gen đang được đầu
tư mạnh mẽ. Đến nay, sau 19 năm đưa vào canh tác, cây ngô biến đổi gen đang
mang lại những hiệu quả rõ rệt như tăng năng suất, cải thiện chất lượng, giảm ô
nhiễm môi trường, nâng cao thu nhập cho người dân,… Cây ngô biến đổi gen
đang chiếm một diện tích đáng kể trên toàn cầu và hứa hẹn còn tiếp tục phát
triển trong những năm tới. Việc nắm bắt khoa học và theo kịp công nghệ của thế
giới trong lĩnh vực nông nghiệp đang là một thách thức. Việt Nam chúng ta đã
có những nghiên cứu tạo ra các giống ngô biến đổi gen tốt nhưng chưa theo kịp
được thế giới, chúng ta vẫn đang phải nhập khẩu các giống ngô biến đổi gen có
1

nhiều đặc tính quý (như tính chịu hạn, tính đề kháng với thuốc trừ sâu, và khả
năng kháng sâu bệnh). Vậy nên, cập nhật thành tựu chuyển gen trên cây ngô sẽ
tạo tiền đề cho nền khoa học nông nghiệp nước ta phát triển hơn.

2


B. NỘI DUNG
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN GEN Ở THỰC VẬT
1.1.

Kỹ thuật chuyển gen
Kỹ thuật chuyển gen là kỹ thuật đưa một hay nhiều gen lạ đã được thiết

kế ở dạng AND tái tổ hợp vào tế bào chủ của cây trồng nói riêng và của các sinh
vật nói chung (vi sinh vật, động vật,…) làm cho gen lạ có thể tồn tại ở dạng
plasmid tái tổ hợp hoặc gắn vào bộ gen tế bào chủ. Trong tế bào chủ các gen này
hoạt động tổng hợp nên các protein đặc trưng dẫn tới việc xuất hiên các đặc tính
mới của cơ thể chuyển gen.
1.2.

Các phương pháp chuyển gen
Có nhiều phương pháp chuyển gen vào thực vật nhưng có thể phân loại

thành hai nhóm phương pháp chính: phương pháp chuyển gen gián tiếp và
phương pháp chuyển gen trực tiếp. Phương pháp chuyển gen gián tiếp, ở đây
gen được chuyển vào tế bào thực vật qua một sinh vật trung gian thường là vi
sinh vật hoặc vius. Ở phương pháp chuyển gen trực tiếp, gen được chuyển trực
tiếp vào tế vào thực vật thông qua những thiết bị hoặc thao tác nhất định mà

không cần phải nhờ sinh vật trung gian.
1.2.1. Chuyển gen gián tiếp
1.2.1.1. Phương pháp gián tiếp sử dụng Agrobacterium tumefaciens
Agrobacterium tumefaciens là vi khuẩn gam âm, sống trong đất.
Agrobacterium tumefaciens là một thể phát sinh ung thư (oncogenic) chuyển vào
tế bào thực vật và gây bệnh ghẻ khối u (crown gall) trên cây. Sự hình thành khối
u là để tổng hợp một loại dinh dưỡng đặc biệt giúp vi khuẩn phát triển. Nó có
khả năng xâm nhiễm tế bào thực vật bằng cách chuyển một đoạn ADN của nó
vào tế bào thực vật. Khi ADN vi khuẩn được hợp nhất với nhiễm sắc thể thực
vật, nó sẽ tấn công vào hệ thống tổ chức của tế bào một cách có hiệu quả và sử
dụng nó để đảm bảo cho sự sinh sôi của quần thể vi khuẩn.
Ðể khai thác và sử dụng A. tumefaciens như là một vector chuyển gen các
nhà khoa học đã loại bỏ các gen gây khối u và gen mã hoá opine của T - ADN
và thay thế vào đó là các marker chọn lọc, trong khi vẫn duy trì các vùng bờ
3


phải và bờ trái của T - ADN và các gen vir. Gen chuyển được xen vào giữa các
vùng bờ của T - ADN. Nó sẽ được chuyển vào tế bào và trở nên hợp nhất với
nhiễm sắc thể tế bào thực vật.
Phương pháp chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium đã được kiểm tra
đối với sự xâm nhập bền vững, sự biểu hiện và sự di truyền của các gen chuyển
đặc biệt. Gen được chuyển nạp vào cây hai lá mầm thông qua Agrobacterium tỏ
ra rất ổn định. Một vài yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả biến nạp là loại mô được
biến nạp, giai đoạn phát triển của mô, mức độ khởi đầu của vi khuẩn A.
tumefaciens sử dụng, môi trường để nuôi cấy mô sau khi biến nạp, marker được
sử dụng để chọn lọc thể biến nạp, loại vector sử dụng và kiểu gen của thực vật.
Phương pháp này tỏ ra hạn chế đối với cây một lá mầm.
1.2.1.2. Chuyển gen gián tiếp nhờ virus
Ngoài việc sử dụng vi khuẩn, người ta còn sử dụng virus làm vector

chuyển gen vào cây trồng. Chuyển gen nhờ virus có thể thuận lợi do virus dễ
xâm nhập và lây lan trong cơ thể thực vật và động vật đồng thời virus có thể
mang đoạn ADN lớn hơn nhiều so với khả năng của plasmid. Tuy nhiên,
virus làm vector chuyển gen cần phải có các tiêu chuẩn sau:
- Hệ gen của virus phải là AND
- Virus có khả năng di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác qua các
lỗ ở vách tế bào
- Có khả năng mang được đoạn ADN (gen) mới, sau đó chuyển gen
này vào tế bào thực vật
- Có phổ ký chủ rộng (trên nhiều loài cây)
- Không gây tác hại đáng kể cho thực vật
Đối chiếu các tiêu chuẩn trên, hiện nay có hai loại virus được sử dụng
làm vector chuyển gen là caulimovirus và geminivirus. Tuy nhiên, việc sử
dụng virus để chuyển gen ở thực vật còn ít được sử dụng vì ADN virus khó
ghép nối với hệ gen của thực vật.
1.2.2. Chuyển gen trực tiếp
4


Chuyển gen trực tiếp bao gồm nhiều phương pháp, trong đó có những
phương pháp được sử dụng nhiều như:
1.2.2.1. Phương pháp siêu âm
Kỹ thuật siêu âm dùng để chuyển gen vào tế bào trần protoplast. Sau khi
tạo protoplast, tiến hành trộn protoplast với plasmid tái tổ hợp mang gen mong
muốn để tạo hỗn hợp dạng huyền phù.
Cắm đầu siêu âm của máy siêu âm ngập trong hỗn hợp huyền phù sâu
khoảng 3mm. Cho máy phát siêu âm với tần số 20KHz theo từng nhịp ngắn, mỗi
nhịp khoảng 100 mili giây. Số nhịp khoảng 6 - 9 nhịp với tổng thời gian tác
động từ 600 – 900 mili giây.
Sau khi siêu âm, đem protoplast nuôi trong môi trường thích hợp, chọn

lọc để tách các protoplast đã được chuyển gen. nuôi cấy in vitro để tái sinh cây.
Chọn lọc cây và đưa ra trồng ở môi trường ngoài.
1.2.2.2. Phương pháp xung điện
Xung điện (electroporation) là một phương pháp cơ học được sử dụng để
đưa các phân tử phân cực vào trong tế bào chủ qua màng tế bào. Vì lớp
phospholipid kép của màng sinh chất có một đầu ưa nước phía ngoài và một đầu
kỵ nước phía trong, nên bất kỳ phân tử phân cực nào, bao gồm cả ADN và
protein, đều không có khả năng đi qua màng một cách tự do (Farabee, 2001).
Trong phương pháp này, một xung điện cao thế trong khoảnh khắc (vài
phần nghìn giây) có khả năng làm rối loạn cấu trúc màng kép phospholipid, tạo
ra các lỗ thủng tạm thời cho phép các phân tử ADN ngoại lai từ môi trường xâm
nhập vào bên trong tế bào. Ðể tạo ra xung điện cao thế trong một thời gian ngắn
người ta sử dụng một thiết bị gọi là máy xung gen (gene pulser). Xung điện tạo
ra làm rối loạn phospholipid kép của màng tế bào và tạo ra các lỗ tạm thời. Vì
vậy, các phân tử ADN đã được nạp điện sẽ đi vào màng tế bào thông qua các lỗ
bằng cách tương tự như điện di.
Với một số cây một lá mầm quan trọng (loài lúa phụ Japonica, ngô, lúa
mì) mà không thể thể thực hiện được bằng phương pháp chuyển gen gián tiếp
nhờ Agrobacterium thì người ta đã thành công với phương pháp này. Hiệu quả
5


biến nạp cao. Lượng DNA ngoại lai cần thiết là ít hơn so với các phương pháp
khác (Withers, 1995). Phương pháp này có thể thực hiện với các mô in vivo còn
nguyên vẹn (Weaver, 1995). Ðoạn DNA ngoại lai được biến nạp có kích thước
lớn.
Phương pháp này cũng có hạn chế là: nếu các xung điện có cường độ và
chiều dài không đúng thì một số lỗ của tế bào sẽ trở nên quá lớn hoặc bị hỏng
không thể đóng lại sau khi tế bào phóng điện, làm cho tế bào bị tổn thương hoặc
bị thủng (Weaver, 1995). Một hạn chế nữa là sự vận chuyển ADN ngoại lai vào

và ra khỏi tế bào trong suốt thời gian điện biến nạp là tương đối không đặc hiệu.
Ðiều này dẫn đến kết quả là không cân bằng ion mà sau đó sẽ làm rối loạn chức
năng của tế bào và tế bào chết (Weaver, 1995).
1.2.2.3. Phương pháp PEG (polyethylene glycol)
Ðể ADN dễ xâm nhập được vào tế bào thực vật, phải loại bỏ vách tế bào
tạo protoplast. Protoplast có thể được duy trì trong môi trường nuôi cấy như các
tế bào sinh trưởng một cách độc lập hoặc với một môi trường đặc hiệu, vách tế
bào có thể được tạo thành và toàn bộ các cây có thể được tái sinh từ các tế bào
này. Quá trình chuyển gen như thế này được thực hiện một cách trực tiếp bằng
một cơ chế vật lý đơn giản, không cần có vector. Ðể nâng cao hiệu quả biến nạp,
người ta đã đã xử lý protoplast với PEG.
Phương pháp PEG đã được áp dụng như một yếu tố dung hợp trong việc
lai tạo tế bào soma ở nhiều loài động vật và thực vật. Trong phương pháp PEG
gen lạ được chuyển nạp vào tế bào trần dưới dạng plasmid ADN, sẽ cho kết quả
phục hồi tốt ở cây tái sinh.
Phương pháp chuyển gen này rất có hiệu quả, đặc biệt đối với những loài
thực vật mà phương pháp chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium không thể
thực hiện được. Bên cạnh đó, việc tạo protoplast cũng như tái sinh cây từ
protoplast không đơn giản, tốn nhiều công sức, bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố
môi trường.
1.2.2.4. Phương pháp vi tiêm
6


Phương pháp vi tiêm (microinjection) sử dụng micropipette (kim tiêm) để
tiêm dung dịch ADN lạ vào tế bào trần dưới áp lực cao, tạo ra những cây chuyển
gen (Neuhaus và cộng sự 1987).
1.2.2.5. Phương pháp bắn gen
Phương pháp bắn gen là phương pháp chuyển nạp gen trực tiếp vào cây
trồng. Trong phương pháp này người ta sử dụng một thiết bị gọi là súng bắn gen

(Gene gun). Nó được sử dụng để đưa thông tin di truyền vào tế bào, được thiết
kế đầu tiên cho biến nạp adn ngoại lai vào tế bào thực vật và được phát triển vào
đầu thập niên 1980 do các nhà thực vật học ở Ðại học Corrnell cùng với các nhà
nghiên cứu ở Corrnell Nanofabrication Facility, Newyork, USA.
Các tế bào biến đổi di truyền có thể được sử dụng để tạo thực vật bao gồm
cả sự sửa đổi di truyền mong muốn ở trong tất cả các tế bào của chúng (Voiland,
1999).
Mục tiêu của súng bắn gen thường là callus của các tế bào thực vật giống
nhau sinh trưởng trong môi trường gel trên đĩa petri. Sau khi các hạt tungsten đã
va chạm vào đĩa, gel và callus bị phá vỡ nhiều. Tuy nhiên một số tế bào không
bị phá vỡ khi va chạm mạnh và đã tiếp nhận các hạt tungsten được bao bọc
ADN và cuối cùng các phân tử ADN ngoại lai đã xâm nhập và hợp nhất vào
nhiễm sắc thể thực vật.
Các tế bào từ đĩa petri được tập hợp lại và chọn lọc các tế bào đã hợp nhất
thành công và biểu hiện ADN ngoại lai bằng các kỹ thuật hóa sinh hiện đại như
sử dụng gen chọn lọc nối tiếp và Northern blots. Các tế bào đơn đã chọn lọc từ
callus có thể được xử lý với một số hormone thực vật như auxin, gibberelin và
mỗi một tế bào có thể phân chia, biệt hóa thành các tế bào mô, cơ quan, tế bào
chuyên hóa của toàn bộ cây. Cây mới có nguồn gốc từ một tế bào nảy mầm
thành công có thể mang các đặc tính di truyền mới.
Đối với phương pháp này, thao tác thực hiện dễ dàng, có thể chuyển gen
vào nhiều loại tế bào và mô, các tế bào được biến nạp có tỉ lệ sống sót cao, cho
phép đưa các gen vào tế bào ở vị trí mong muốn... Nhưng hạn chế là nguyên liệu
rất đắt và xác suất thành công không cao.
7


1.2.2.6. Phương pháp trực tiếp qua ống phấn
Phương pháp chuyển gen qua ống phấn là phương pháp chuyên gen
không qua nuôi cấy in vitro.

Nguyên tắc của phương pháp này là AND ngoại lai chuyển vào cây theo
đầu ống phấn, chiu vào bầu nhụy cái. Thời gian chuyển gen vào lúc hạt phấn
mọc qua vòi nhụy và lúc bắt đầu đưa tinh tử vào thụ tinh, tốt nhất là sự chuyển
gen xảy ra đúng khi quá trình thụ tinh ở noãn và cho tế bào hợp tử chưa phân
chia. Như vậy sự chuyển gen chỉ xảy ra ở một tế bào sinh dục cái duy nhất và
khi tái sinh cây sẽ không hình thành thể khảm.
- Sau thời gian hoa nở 1-2 giờ, cắt 2/3 hoặc ¾ phần trên của hoa lúa.
- Sau khi cắt hoa, dùng ống mao quản nhỏ có đường kính 0,2mm đưa dung
dịch AND tái tổ hợp mang gen mong muốn vào đầu ống nhụy đã bị cắt
(nồng độ AND tái tổ hợp khoảng 50µg/ml)
- Bao bông lúa lại, chờ lúa chín, thu hái
- Phân tích và xác định kết quả chuyển gen ở thế hệ sau.
1.3. Cây chuyển gen
Cây chuyển gen (transgenic plant) là cây mang một hoặc nhiều gen được
đưa vào bằng phương thức nhân tạo thay vì thông qua lai tạo như trước đây.
Những gen được tạo đưa vào (gen chuyển) 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
tạo ra được gọi là thực vật “chuyển gen” mặc dù trên thực tế tất cả thực vật đều
được “chuyển gen” từ tổ tiên hoang dại của chúng bởi quá trình thuần hóa, chọn
lọc và lai giống có kiểm soát trong một thời gian dài [1].
Cây chuyển gen được tạo ra trong phòng thí nghiệm bằng cách thay đổi
cấu trúc gen của chúng. Để làm được điều này, người ta dùng kĩ thuật di truyền
thêm vào một hoặc nhiều gen trong bộ gen của cây trồng. Hai phương pháp phổ
biến là phương pháp bắn gen (súng hạt) và chuyển gen gián tiếp thông qua vi
khuẩn Agrobacterium tumefaciens.

CHƯƠNG II. THÀNH TỰU CHUYỂN GEN TRÊN CÂY NGÔ
2.1. Một số thành tựu tiêu biểu về chuyển gen ở thực vật
2.1.1. Cây trồng và các tính trạng chuyển gen
8

Theo số liệu báo cáo của Trung tâm dịch vụ Quốc tế về tiếp thu các ứng
dụng Công nghệ Sinh học trong Nông nghiệp (ISAAA, 2015), đến nay các nhà
khoa học trên thế giới đang tập trung nghiên cứu, phát triển cây trồng biến đổi
gen cho 24 loại cây trồng khác nhau với 364 sự kiện (Event) chuyển gen đã
được tạo ra, bao gồm các nhóm cây lấy hạt, cây lấy dầu, cây lấy củ, cây lấy quả,
cây lấy sợi và cây hoa (Bảng 1). Trong số đó, cây ngô được nghiên cứu chủ yếu
với 138 sự kiện, tiếp đến là cây bông vải (54), khoai tây (42), cải dầu (36), đậu
tương (30). Trong tổng số 36 gen đã được chuyển vào cây trồng có 14 gen
(Bảng 2) được ứng dụng rộng rãi hơn cả như: gen kháng kháng sinh, gen kháng
côn trùng, gen kháng thuốc diệt cỏ, gen nâng cao khả năng chống chịu hạn,…[6]
Bảng 1. Cây trồng và sự kiện chuyển gen
Cây trồng

Event Cây trồng

Ngô - Zea mays L

138

Bông - Gossypium
hirsutum L

54

Khoai
- Solanum
tuberosum L.

42

tây

Cải
dầu
Argentina- Brassic
a napus
Đậu
tương
- Glycine max L.
Cẩm chướng –
Dianthus
caryophyllus
Cà
chua
- Lycopersicon
esculentum
Lúa - Oryza sativa
L

Event Cây trồng
Event
Thuốc
lá
Alfalfa – Medicago
4
- Nicotiana
2
sativa

tabacum L.
Cả dầu Ba Lan
Cà tím - Solanum
4
1
- Brassica rapa
melongena
Creeping
Củ cải đường
Bentgrass
3
1
- Beta vulgaris
- Agrostis
stolonifera

32

Mía
đường
- Saccharum sp

3

Lanh
- Linum
usitatissumum L.

1

30

Táo-Malus
Domestica

2

Mận
- Prunus
domestica

1

19

Hoa hướng dương
- Populus sp.

2

Petunia - Petunia
hybrida

1

11

Hoa hồng - Rosa
hybrida

2

7

Bí - Cucurbita pepo

2

x

Ớt
ngọt
- Capsicum
annuum
Lúa mì - Triticum
aestivum

Bảng 2. Các tính trạng chuyển gen
STT Tính trạng
1
Kháng kháng sinh
2
Kháng côn trùng bộ cánh vẩy

Cây trồng
Bông, Alfalfa, Lanh
Ngô, khoai tây

9

1
1


3
4
5
6

Kìm hãm quá trình chín
Chịu hạn
Phục hồi hữu dục
Kháng thuốc diệt cỏ Glufosinate

Cà chua, cẩm chướng, chanh
Ngô, mía đường
Cải dầu, ngô
Bông, cải dầu

7

Kháng thuốc diệt cỏ Glyphosate

Ngô, Alfalfa, cải dầu

8
9
10
11
12

Kháng côn trùng bộ cánh cứng
Bông, ngô, đậu tương, lúa
Gây bất dục đực hạt phấn
Cải, ngô
Biến đổi màu sắc hoa
Hoa hồng, hoa cẩm chướng
Biến đổi acid béo
Đậu tương, cải dầu
Gen kháng đa côn trùng
Hướng dương, bông, ngô
Tổng hợp amino acid thiết yếu với sự có
Cây lanh, đậu tương, bông, ngô
mặt của thuốc diệt cỏ Sulfonylurea
Đậu, bí, ớt ngọt, cà chua, mận, đu
Kháng bệnh virus
đủ, khoai tây

13
14

[6]
2.1.2 Những thành tựu quan trọng đánh dấu sự phát triển của kỹ
thuật chuyển gen ở thực vật
Năm 1980: Lần đầu tiên thực hiện chuyển ADN ngoại lai vào cây nhờ
Agrobacterium.
Năm 1983: Tạo các marker chon lọc như chỉ thị màu sắc, chỉ thị kháng
với kháng sinh. Thiết kế lại plasmid Ti (loại bỏ gen gây khối u cài các gen mong
muốn vào plasmid Ti).
Năm 1984: Thực hiện chuyển gen trực tiếp và gián tiếp vào tế bào

protoplast.
Năm 1985: Tạo các giống cây trồng kháng virus, đưa cây chuyển gen ra
đồng ruộng.
Năm 1987: Chuyển gen kháng sâu bằng súng bắn gen.
Năm 1988: Tạo khoai tây chống nấm, cà chua chín chậm.
Năm 1990: Chuyển gen bất dục đực cho ngô vào phôi nuôi cấy vô tính.
Năm 1992: Chuyển gen cho lúa mì.
Năm 1994: Thương mại hóa cà chua chuyển gen. Đây là sản phẩm chuyển
gen đầu tiên được thương mại hóa.

10


Năm 1998: Toàn thế giới có 48 giống cây trồng chuyển gen được thương
mại hóa.
Năm 1999: Chuyển gen tạo giống lúa có giá trị dinh dưỡng và hàm lượng
vitamin cao.
Năm 2000: Lần đầu tiên các nhà khoa học đã biến đổi gen thực phẩm để
gia tăng giá trị dinh dưỡng bằng việc sản xuất ra hạt gạo vàng [1].
Từ năm 2000 đến nay, cây trồng chuyển gen không ngừng phát triển.
Công nghệ chuyển gen đã đạt được nhiều thành tựu bởi quá trình tạo ra
cây trồng chuyển gen có những đặc tính quý (như tính chịu hạn, tính đề kháng
với thuốc trừ sâu, và khả năng kháng sâu bệnh) được rút ngắn, cá thể chuyển
gen có đặc tính mong muốn và ổn định trong thời gian dài. Dưới đây chỉ là vài
số thành tựu tiêu biểu có tính ứng dụng cao:
+ Về mặt kháng sâu bệnh: Tạo cây mang gen Bt kháng sâu hại lá.
Sâu hại lá là một trong số các sâu bệnh chủ yếu của cây trồng. Nếu không
sử dụng thuốc trừ sâu, năng suất của cây trồng sẽ bị giảm, nhưng sử dụng thuốc
trừ sâu sẽ làm tăng chi phí sản xuất, đẩy giá thành của sản phẩm lên cao, ngoài
ra gây tác hại đến môi trường và ảnh hưởng sức khỏe của người tiêu dùng.

Nhưng các cây mang gen Bt (ngô Bt, bông Bt, đậu tương Bt,… ) có thể kháng
lại sâu hại lá vì chúng có chứa protein của một loại vi khuẩn Bacillus
thuringiensis. Loại vi khuẩn này tiết ra các protein là độc tố nhưng chỉ có tác
dụng trên với một số loài sâu hại lá chính mà không ảnh hưởng tới các loại côn
trùng, động vật cũng như con người. Vì vậy, cây mang gen Bt có thể mang lại
nhiều lợi ích như giảm thiểu việc sử dụng thuốc trừ sâu, giảm giá thành và đảm
bảo năng suất cho người nông dân cũng như sức khỏe cho người tiêu dùng
(giảm nguy cơ có lẫn thuốc trừ sâu trong thực phẩm) [3], [4].
+ Về mặt dinh dưỡng: Gạo vàng chứa hàm lượng vitamin A cao…
Bệnh mù mắt do thiếu vitamin A là bệnh thường gặp ở các nước thế giới
thứ ba. Theo báo cáo của tổ chức Y tế thế giới (WHO), hàng năm ước tính trên
thế giới có 500,000 trường hợp mù mắt do thiếu vitamin A và 2 triệu người chết
vì các biến chứng do thiếu vitamin A. Các nhà khoa học của Viện công nghệ cây
11


trồng-viện khoa học liên bang Thụy Sĩ đã tạo ra giống gạo vàng có chứa hàm
lượng cao chất beta-carotene (vitamin A) bằng công nghệ biến đổi gen [5]. Ước
tính là 72 gram gạo này sẽ cung cấp 50% lượng vitamin A hàng ngày của trẻ 1-3
tuổi. Hiện nay, viện này đang có kế hoạch nghiên cứu làm tăng hàm lượng sắt có
trong giống gạo vàng nói trên.
+ Về cây cảnh:
Một loại hoa hồng tím đã được tạo ra bằng cách chuyển một cấu trúc bao
gồm bốn loại gen khác nhau cùng lúc trong đó có gen delphinidin vốn tạo ra
màu xanh trong một loài hoa khác [8] Điều này mang lại nhiều lợi nhuận cho
các nhà sản xuất hoa hồng do người tiêu dùng rất ưa chuộng loại hoa hồng tím
với màu sắc chưa từng có này.
+ Về mặt y học:
Vac xin và thuốc thường đòi hỏi chi phí cao để sản xuất và bảo quản [9].
Các nhà khoa học đã tạo ra giống khoai tây và cà chua biến đổi gen có chứa

vacxin. Các vấn đề về vận chuyển, bảo quản hay quản lý các vacxin có trong các
loại củ quả sẽ trở nên dễ dàng và kinh tế hơn nhiều so với phương thức truyền
thống [10].
2.2. Thành tựu chuyển gen trên cây ngô
2.2.1. Vài nét về cây ngô
Ngô (Zea mays L.) là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc chi Zea, họ hòa
thảo (Poaceae hay còn gọi là Gramineae). Các giống ngô ở Việt Nam có những
đặc điểm như chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, chống chịu sâu bệnh và thích
ứng với điều kiện ngoại cảnh khác nhau. Song cây ngô đều có những dặc điểm
chung về hình thái, giải phẫu. Các bộ phận của cây ngô bao gồm: rễ, thân, lá,
hoa (bông cờ, bắp ngô) và hạt.
• Rễ ngô
Ngô có hệ rễ chùm tiêu biểu cho bộ rễ các cây họ hòa thảo. Độ sâu và sự
mở rộng của rễ phụ thuộc vào giống, độ phì nhiêu và độ ẩm của đất.
Ngô có 3 lọai rễ chính: Rễ mầm, rễ đốt và rễ chân kiềng.
• Thân ngô
12


Thân ngô đặc, đường kính khoảng 2 - 4 cm tùy thuộc vào giống, môi
trường sản xuất và trình độ thâm canh. Thân ngô có thể cao từ 2 -4m. Lóng
mang bắp được kéo dài thích hợp để bắp ngô có thể định vị và phát triển. Trong
điều kiện bình thường cây ngô cao 1,8 – 2m có số lóng thay đổi tùy thuộc vào
giống.
• Lá ngô
Căn cứ vào vị trí trên thân và hình thái có thể chia lá ngô làm 4 loại:
- Lá mầm: Là lá đầu tiên khi cây còn nhỏ, chưa phân biệt được phiến lá
với vỏ bọc lá.
- Lá thân: Lá mọc trên đốt thân, có mầm nách ở kẽ chân lá.
- Lá ngọn: lá mọc ở ngọn, không có mầm nách ở kẽ lá.

- Lá bi: Là những lá bao bắp.
Lá ngô điển hình được cấu tạo bởi bẹ lá, bản lá (phiến lá) và lưỡi lá (thìa
lìa, tai lá). Tuy nhiên có một số loại không có thìa lìa làm cho lá bó, gần như
thẳng đứng theo cây.
• Bông cờ và bắp ngô
Ngô là loài cây có hoa khác tính cùng gốc. Hai cơ quan sinh sản: đực
(bông cờ) và cái (bắp) nằm ở những vị trí khác nhau trên cùng một cây.
• Hạt ngô
Hạt ngô thuộc loại quả dính gồm 5 phần chính: vỏ hạt, lớp alơron, phôi,
nội nhũ và chân hạt. Vỏ hạt là một màng nhẵn bao xung quanh hạt. Lớp alơron
nằm dưới vỏ hạt và bao lấy nội nhũ và phôi. Nội nhũ là phần chính của hạt chứa
các tế bào dự trữ chất dinh dưỡng.
2.2.2. Thành tựu chuyển gen trên cây ngô
Ngô là cây trồng được các quốc gia trên thế giới cấp phép sử dụng
làm thực phẩm và thức ăn chăn nuôi nhiều nhất với tổng số 35 giống khác nhau,
vượt hẳn cây trồng đứng thứ 2 là bông (với 19 giống khác nhau). Giống ngô
được cấp phép nhiều nhất là ngô kháng sâu bệnh (MON 810) và ngô kháng
thuốc trừ cỏ (NK603), cả hai giống ngô đợc 18 nước cấp phép.

13


Ở Việt Nam, để tạo đà cho phát triển cây trồng biến đổi gen, nhiều cơ
quan nghiên cứu như Viện Di truyền Nông nghiệp, Viện Công nghệ Sinh học,
Viện Lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long …. đã có những nghiên cứu cơ bản ban
đầu như sàng lọc các gen hữu ích, thiết kế vector chuyển gen. Đã có báo cáo kết
quả ban đầu trong nghiên cứu cây chuyển gen đối với cây ngô, đậu tương, lúa,
bông ở Việt Nam nhưng còn rất hạn chế. Công tác nghiên cứu, phát triển cây
trồng biến đổi gen sẽ trở nên ngày càng mạnh mẽ hơn, đặc biệt khi việc khảo
nghiệm đánh giá rủi ro đối với đa dạng sinh học và môi trường của các cây

chuyển gen: ngô, bông vải, và đậu tương với mục đích làm giống đã được Chính
phủ cho phép. Cho tới nay Việt Nam đã mua hạt giống ngô chuyển gen từ các
công ty Syngenta, DEKALB, Pioneer Hi-bred đối với tính trạng kháng sâu và
thuốc trừ cỏ, bao gồm Bt11, GA21, Bt11xGA21, MON89034, NK603,
MON89034xNK603, TC1507 [6]. Ngoài ra còn rất nhiều giống ngô mang các
sự kiện khác như gen cry3Bb1 dùng để kiểm soát sâu đục thân ngô và gen
cry1Fa2 dùng để kiểm soát tốt hơn các sâu bọ cánh phấn; ngô biến đổi gen mang
sự kiện MIR162 mang đặc tính chống chịu thuốc trừ cỏ [7]; NK66 BT (mang sự
kiện chuyển gen Bt11), NK66 GT (mang sự kiện chuyển gen GA21) và NK66
Bt/GT (mang sự kiện chuyển gen Bt11 và GA21) có hiệu quả phòng trừ sâu đục
thân cao và chống chịu rất cao với thuốc trừ cỏ; mới đây nhất là khảo nghiệm
ruộng ngô biến đổi gen NK4300 Bt/GT tại Vĩnh Phúc. NK4300 Bt/GT là loại
ngô biến đổi gen mang hai sự kiện Bt 11 kháng sâu đục thân và sự kiện GA21
chống chịu thuốc trừ cỏ glyphosate [11].
Dùng phôi ngô trong nuôi cấy dịch huyền phù phát sinh phôi để tái sinh
các cây hữu thụ mang gen bar biến nạp. Sử dụng phương pháp bắn gen và chọn
lọc bằng thuốc diệt cỏ bialaphos đã cho kết quả là mô callus phát sinh các phôi
được biến nạp gen. Các cây biến nạp gen hữu thụ đã được tái sinh, ổn định di
truyền và biểu hiện gen bar cùng với hoạt tính chức năng của enzyme
phosphinothricin acetyltransferase quan sát được trong những thế hệ sau.

14


Gần đây, các kết quả biến nạp gen gián tiếp ở ngô nhờ Agrobacterium
cũng đã được thông báo. Các thể biến nạp gen của dòng ngô lai gần (inbredline)
A188 đã được tái sinh sau khi đồng nuôi cấy (cocultivation) giữa binary vector
với phôi non. Tần số biến nạp được thông báo ở dòng A188 là khoảng 5-30%.
Các thể lai thế hệ thứ nhất giữa dòng A188 và 5 dòng lai gần khác được biến
nạp với tần số khoảng 0,4-5,3% (tính theo số cây biến nạp gen độc lập/phôi).

2.2.3. Cơ sở khoa học và định hướng chính trong tạo cây ngô biến đổi gen
2.2.3.1. Chuyển gen kháng chất diệt cỏ
Ước tính khoảng 10% tổng sản lượng lương thực hàng năm trên thế giới bị
mất mát do cỏ dại, mặc dù đã tiêu tốn khoảng 10 tỷ USD và sử dụng trên 100
loại hoá chất khác nhau để diệt trừ. Hơn nữa, dùng thuốc diệt cỏ dại vẫn bị hạn
chế vì nhiều loại thuốc không phân biệt được cỏ dại và cây trồng. Glyphosate
(phosphonomethyl glycine) là một loại thuốc diệt được nhiều loại cỏ dại nhưng
chúng cũng có thể làm chết cây trồng. Vì vậy, nếu tạo được các giống cây
chuyển gen chống chịu được glyphosate thì nó sẽ được dùng phổ biến để diệt cỏ.
Một trong những hướng nghiên cứu là chuyển gen sản xuất dư thừa 5enolopyruvyl-shikimate-3-phosphatase (EPSP), một enzyme bị ức chế bởi thuốc
diệt cỏ glyphosate. Nghĩa là nếu cây sản xuất được nhiều enzyme EPSP chúng
có thể chống chịu được glyphosate.
Chất diệt cỏ là phương pháp được chọn lựa để kiểm soát cỏ dại trong hầu
hết các hệ thống nông nghiệp quy mô lớn. Chúng đóng một vai trò quan trọng
trong việc tăng sản lượng cây trồng bằng cách giảm thiểu sự cạnh tranh giữa cây
trồng với cỏ dại về không gian, ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng. Cỏ dại cũng
có thể hoạt động như một nguồn cung cấp các tác nhân gây bệnh cho cây trồng.
Do các gen kháng chất diệt cỏ cũng là các gen chỉ thị chọn lọc hiệu quả
trong trồng trọt, nên đây là tính trạng chuyển gen đầu tiên được sản xuất và

15


thương mại hóa, và các thứ (variety) chống chịu chất diệt cỏ vẫn đang là các cây
trồng chuyển gen sinh trưởng rộng rãi nhất.
Dựa trên cơ sở hoặc là sự biểu hiện của gen không mẫn cảm chất diệt cỏ,
sự thoái biến của chất diệt cỏ hoặc sự biểu hiện mạnh của sản phẩm gen đích của
chất diệt cỏ, mà tính kháng được chuyển gen thích hợp trong một phạm vi rộng
các chất diệt cỏ như: 2,4-D, glyphosate, glufosinate, protoporphyrinogen oxidase
inhibitors, imidazalonones, chlorsulfuron/sulfonylureas, bromoxynil, triazines

và isoxazoles.
Hiện nay, có những bằng chứng tốt cho thấy chẳng những không tăng sử
dụng của các chất diệt cỏ, mà sự điều chỉnh các cây trồng chuyển gen kháng
chất diệt cỏ được cung cấp cho nông dân đã cho kết quả giảm sử dụng
glyphosate tới 33% trên các giống đậu tương Roundup Ready, và giảm sử dụng
glufosinate khoảng 20% đối với giống canola Liberty Link [1].
2.2.3.2 Chuyển gen kháng sâu bệnh
∗

Kháng côn trùng
Sử dụng hóa chất để phòng trừ sâu bọ côn trùng vừa đắt tiền vừa tác động

xấu đến môi trường. Nhiều giống ngô chuyển gen đang được sinh trưởng thương
mại biểu hiện độc tố của Bacillus thuringiensis (Bt) để tạo ra tính kháng đối với
các côn trùng nhóm nhai - nghiền (chewing insects). Bt tổng hợp các protein δendotoxin tinh thể được mã hóa bởi các gen Cry. Khi côn trùng ăn vào bụng, các
prototoxins bị đứt gãy trong dạ dày kiềm của côn trùng để tạo thành độc tố hoạt
động. Các liên kết này tạo ra các receptor đặc trưng trong các tế bào biểu mô
ruột làm thành các lỗ chân lông và cuối cùng là gây chết côn trùng. Một số ưu
điểm của độc tố Bt như sau :
- Tính đặc hiệu, mỗi protein Cry chỉ hoạt động chống lại một hoặc một vài
loài côn trùng.

16


- Sự đa dạng, nhiều protein Cry khác nhau đã được nhận biết.
- Các ảnh hưởng không bất lợi hoặc bị giảm đã được xác nhận trên các côn
trùng không phải đích hoặc các địch thủ tự nhiên của côn trùng.
- Độc tính với động vật có vú là rất thấp.
- Có thể thoái biến dễ dàng.

Kết quả nghiên cứu cho thấy điểm mấu chốt là gen chịu trách nhiệm tổng
hợp protein tinh thể trừ sâu của vi khuẩn Bt chủng kurstaki, chưa đặc biệt biểu
hiện rõ ở cây trồng. Để nâng cao hiệu quả của độc tố, các nhà nghiên cứu đã cắt
bớt gen chỉ để tổng hợp phần protein có hoạt tính chứa độc tố mà không cần các
phần gen phụ khác. Gen Cry được cắt bớt đã biểu hiện tổng hợp protein gấp 500
lần so với gen tự nhiên. Hiện nay, hơn 40 gen khác nhau mang tính kháng côn
trùng đã được hợp nhất trong cây trồng chuyển gen với một vài giống đã được
thương mại hóa ở các nước khác nhau như Mỹ và Úc.
Đưa ra lợi ích của các độc tố của Bt đối với sự kiểm soát côn trùng, các
phương thức quản lý khác nhau phải được chấp nhận để làm chậm sự phát triển
của tính kháng côn trùng đối với Bt. Bao gồm :
- Bố trí các vùng bên cạnh trồng cây bông không chuyển gen Bt làm nơi trú
ẩn để giảm áp lực chọn lọc hướng tới việc kháng côn trùng.
- Triển khai các gen kháng côn trùng khác nhau (ví dụ: protease inhibitors).
- Dùng các loại độc tố Bt cho các receptors đích khác nhau.
- Dùng các promoter khác nhau để điều chỉnh sự biểu hiện của các gen Bt.
- Dùng các promoter đặc trưng mô (tissue-specific promoter) như thế côn
trùng có thể ăn mà không tổn hại đến kinh tế trên các bộ phận ít quan trọng của
thực vật.
17


Có các hướng khác để phát triển tính kháng côn trùng cho cây chuyển gen
dựa trên cơ sở: protease inhibitors, α-amylase, lectins, chitinases, cholesterol
oxidase, các virus của côn trùng được tạo dòng, tryptophan decarboxylase, antichymotrypsin, anti-elastace, nhân tố ức chế trypsin tuyến tuỵ của bò và nhân tố
ức chế lá lách [1].
∗

Kháng các virus thực vật
Các virus gây ra những thiệt hại đáng kể trong hầu hết các cây trồng lương

thực và cây cho sợi trên phạm vi thế giới. Nhiều phương thức được sử dụng để
kiểm soát sự xâm nhiễm virus bao gồm các xử lý hóa học để giết các vector
virus, chuyển vào cây trồng các gen kháng tự nhiên từ các loài liên quan, sử
dụng chẩn đoán và chỉ dẫn để đảm bảo nhân giống các vật liệu khởi đầu sạch
virus (ví dụ: hạt, củ…). Tuy nhiên, sự phát triển chính đã khai thác tính kháng
xuất phát từ các tác nhân gây bệnh, ví dụ: sử dụng các trình tự xuất phát từ virus
được biểu hiện trong các cây chuyển gen để cung cấp tính kháng đối với các
virus thực vật. Hướng này dựa trên cơ sở các nghiên cứu về sự gây nhiễm
(inoculation) hay xâm nhiễm (infection) ở thực vật khởi đầu với các chủng virus
nhẹ cung cấp sự bảo vệ chống lại sự gây nhiễm tiếp theo với cùng loại chủng
virus hoặc các virus liên quan gần gũi. Tính kháng bắt nguồn từ tác nhân gây
bệnh như vậy đòi hỏi sự biến nạp thực vật với các trình tự xuất phát từ virus;
tính kháng vật chủ xuất hiện cho kết quả từ hai cơ chế khác nhau: (1) sự bảo vệ
được dàn xếp bởi sự biểu hiện của các protein virus tự nhiên hoặc cải biến (ví
dụ: protein vỏ, replicase, và replicase khiếm khuyết), và (2) sự bảo vệ được dàn
xếp ở mức độ phiên mã (ARN-mediated resistance), đòi hỏi sự phiên mã
của ARN hoặc từ các chuỗi hoàn chỉnh hoặc từng phần xuất phát từ virus đích
(bao gồm các gen cho protein vỏ, replicase, replicase khiếm khuyết, protease,
protein vận động…).
Trường hợp các phân tử làm nền tảng cho tính kháng xuất phát từ virus là
đối tượng của nghiên cứu chuyên sâu. Cơ sở của tính kháng virus được sắp đặt

18


bởi ARN (ARN-mediated) và sự im lặng của các gen hậu dịch mã có khả năng
tương tự và phản ánh các họat động cơ bản trong các tế bào thực vật để phát
hiện, bất hoạt và đào thải các ADN hoặc các ARN ngoại lai [1]. Ví dụ: các gen
nội sinh của thực vật được chèn vào virus như PVX có thể biểu hiện im lặng của

gen nội sinh của thực vật.
Để tạo giống cây trồng chống chịu virus, hiện nay có các hướng :
- Bảo vệ chéo.
- Sử dụng ARN vệ tinh.
- Sử dụng enzyme replicase.
2.2.3.3. Chuyển gen thay đổi hàm lượng và chất lượng các chất dinh
dưỡng của cây:
Ngô là thức ăn của người và gia súc. Tuy nhiên trong ngô có các protein
chứa ít axít amin methionin. Người ta đã nghiên cứu để chuyển gen mã hóa cho
protein chứa nhiều methionin vào ngô. Kết quả là các cây chuyển gen đã tăng
loại protein giàu methionin lên hơn 8% trong tổng số protein có trong hạt.

C. KẾT LUẬN
Ðối với sự phát triển của công nghệ sinh học trong thế kỷ XXI thì công
nghệ chuyển gen sẽ có một vị trí đặc biệt quan trọng. Có thể nói công nghệ
chuyển gen là một hướng công nghệ cao của công nghệ sinh học hiện đại phục
vụ sản xuất và đời sống, là một trong những phương tiện giúp giảm bớt áp lực
về nguồn thực phẩm đồng thời giúp cây trồng có khả năng đề kháng với sâu
bệnh tốt hơn và quan trọng nhất là có năng suất cao hơn. Diện tích trồng cây
chuyển gen ngày càng gia tăng đặc biệt là ở các nước phát triển. Triển vọng của
công nghệ chuyển gen là rất lớn, cho phép tạo ra các giống vật nuôi, cây trồng...
mang những đặc tính di truyền hoàn toàn mới, có lợi cho con người mà trong
19


chọn giống thông thường phải trông chờ vào đột biến tự nhiên, không thể luôn
luôn có được.
Với ưu điểm có khả năng kháng sâu bệnh, thuốc trừ cỏ, cây ngô biến đổi
gen là một trong những giải pháp thích hợp nhằm gia tăng năng suất cây trồng,
tăng thu nhập cho nông dân, đặc biệt là tiến tới giảm lệ thuộc vào nguồn nguyên

liệu phải nhập khẩu từ nước ngoài. Ngoài ra, cây ngô chuyển gen còn góp phần
bảo vệ môi trường, cải thiện canh tác, giảm việc đồng ruộng. Vì vậy, việc
nghiên cứu và áp dụng những thành tựu chuyển gen của giống ngô mang gen có
phẩm chất tốt, năng suất cao, phù hợp với điều kiện nước ta và đảm bảo an toàn
cho con người là một nhiệm vụ quan trọng trong sự phát triển vững mạnh của
nền nông nghiệp nói riêng và nền kinh tế Việt Nam nói chung.

D. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]: Giáo trình Công nghệ sinh học Nông nghiệp, 2005, NXB Nông Nghiệp.
[2]: m.123.doc.org/.
[3]:Carpenter, J.E. Peer-reviewed surveys indicate positive impact of
commercialized GM crops. Nat Biotech 28, 319-321 (2010).
[4]:Hellmich, R.L. & Hellmich, K.A. Use and Impact of Bt Maize. Nature
Education Knowledge 3, 4 (2012).
[5]: Potrykus, I. Golden Rice and Beyond. Plant Physiology 125, 1157-1161
(2001).
[6]: tuaf.edu.vn/khocnsh/baiviet/
20


[7]: vi.wikipedia.org/wiki/
[8]: Katsumoto, Y. et al. Engineering of the Rose Flavonoid Biosynthetic
Pathway

Successfully

Generated

Blue-Hued

Flowers

Accumulating

Delphinidin. Plant and Cell Physiology 48, 1589-1600 (2007).
[9]: Awale, M.M. et al. Transgenic Plant Vaccine: A Breakthrough in
Immunopharmacotherapeutics. Vaccines and Vaccination 3, 5 (2012).
[10]: sitemap/visonline.org
[11]: Agbiotech.com.vn/vietnam/
[12]: Tailieu.vn/

21