Công nghệ sinh học hiện đại và ứng dụng trong tạo giống cây trồng

Chuyên đề

Công nghệ sinh học hiện đại
và ứng dụng trong
cải tạo giống cây
trồng


Các loại gen sử dụng trong cải tiến giống cây trồng

Gen kháng bệnh hại cây trồng:
- Gen kháng virus: gen mà hóa protein vỏ virus ; gen tạo các ribosyme;
gen đối bản (antisen);
- Gen kháng nấm gây bệnh
- Gen kháng vi khuẩn gây bệnh: Xa21 mà hoá protein kinase

Gen kháng sâu hại:
nhiều loại gen mà hóa cho các protein có hoạt tính diệt côn trùng của Bt
- Các gen cryI (A,B,C); Cry II; cryIII, cry IV; cryV
- Gen vip: vip1, vip2, vip3 (phổ tác dụng mạnh hơn cry)
- Gen mà hoá chất ức chế proteinase; -amylase; lectin và chitinase


Gen kháng chất diệt cỏ
Kháng Glyphosate:
- gen EPSPS phân lập từ vi khuẩn Agrobacterium chủng CP4
- gen EPSPS cải biên phân lập từ ngô
- gen GOX phân lập từ vi khuẩn đất Achromobacter chủng LBAA
Kháng Gluphosinate:
- pat: phân lập từ Streptomyces viridochromogenes
- bar: tách từ S. hygroscopicus

Gen bất dục đực
- Gen barnase mà hóa enyzme phân giải RNA, phân lập từ Bacillus
amyloliquefaciens, gắn với Promoter TA29 chỉ hoạt động ở vùng hạt
phấn (gây bất dục đực)
- Gen barstar gắn với promoter TA29 (khôi phục tính hữu thụ)


Gen chống chín nhũn và làm chín chậm, tạo sắc tè hoa
- Gen m· ho¸ cho enzym polygalacturonase (PG)
- Gen liên quan đến quá trình sinh tổng hợp ethylen (ACC)
- Gen liên quan quá trình sinh tổng hợp flavonoid (CHS)
Phản gen của CHS, ACC đợc sử dụng để hạn chế hoạt tính của
enzym và làm thay đổi màu hoa

Gen tăng cờng khả năng miễn dịch, sản xuất protein động
vật và các chất có hoạt tính sinh học
- Gen VP2 tổng hợp protein vỏ của virus Gumboro;
- Protein CD14 miễn dịch cña ngêi


Gen cải thiện chất lợng dinh dỡng của protein thực vật,
hàm lợng tinh bột
- Gen WBLRP; S-VSPa; S-VSPb mà hoá cho protein giàu Lysin phân lập từ
hạt đậu
- Gen mà hoá cho hai enzym sinh tổng hợp Lys là aspartokinase (AK) và
dihydrodipicolinate synthase (DHPS), phân lập từ E. coli; enzym sinh tổng
hợp Trp là anthranilate synthase (AS);
- Gen sinh tổng hợp beta-carotene: psy (phytoene synthase) và lyc (lycopene
cyclase) phân lập từ cây hoa thuỷ tiên;

- Gen crt1 đợc phân lập tõ vi khuÈn ®Êt Erwinia uredovora


Gen liên quan đến tính chống chịu các điều kiện bất lợi
Gen chịu lạnh:
lạnh phân lập đợc hai nhóm gen cor và cas từ cây cỏ ba lá
Gen chịu hạn:
hạn nhóm LEA của cây lúa mạch và nhóm RAB của cây lúa n

ớc.
- Nhóm LEA: mà hoá những protein bảo vệ phôi trong quá trình
ngủ và chịu hạn của phôi trong hạt khô
- Nhóm RAB liên quan đến tác động ức chế sinh trởng tế bào của ABA
khi thực vật gặp điều kiện bất lợi. Các gen RAB phản ứng với ABA ngoại
sinh và nội sinh, tạo ra những protein có chức năng ức chế và bảo vệ.
Gen chịu mặn:
mặn gen ornithine aminotransferase (OAT) có vai trò trong

sinh tỉng hỵp proline.


Các hớng chính trong tạo giống bằng biến nạp di truyền

Kháng thuốc diệt cỏ
- Tính kháng đối với các loại thuốc diệt cỏ glyphosate, glufosinate đà đ
ợc chuyển vào: cải dầu, đậu tơng, bông, ngô, củ cải đờng, lúa mỳ, xúp
lơ, rau diếp.
- Diện tích trồng các cây trồng chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ đà đợc
thơng mại hoá chiếm 71% tổng diện tích các cây chuyển gen.

Kháng côn trùng
- Gen cry1A(c) , gen øc chÕ proteinase II díi sù điều khiển của Ubi-P
đà đợc chuyển vào lúa
- Các gen mà hoá chitinase, kinase đợc chuyển vào các cây ngũ cốc.
- Gen Xa21 đợc chuyển vào cây lúa, biểu hiện khả năng kháng vi
khuẩn bạc lá.


Các hớng chính trong tạo giống bằng biến nạp di trun

Kh¸ng virus
- Chun c¸c gen m· hãa protein vá nhiỊu loại virus vào cây trồng.
- Tạo ra giống cây trồng kháng virus: đu đủ kháng bệnh virus đốm
vòng PRSV, các cây chống chịu virus khảm alfalfa (AMV), virus khảm
da chuột (CMV), cây khoai tây kháng virus X.

Tăng cờng khả năng chống chịu các điều kiện bất lợi
- Chuyển gen ABF4 dới sự điều khiển của promoter 35S vào
Arabidopsis, biểu hiện ở cuống lá và chiều cao cây thấp hơn, lá nhỏ
hơn, thời gian ra hoa chậm lại, tỷ lệ khí khổng đóng cao hơn, giảm
thoát hơi nớc và có khả năng chống chịu khô hạn.
- Một số gen chịu lạnh phân lập từ cá đà đợc chuyển vào khoai tây,
biểu hiện của các gen này làm cho lá khoai tây chống chịu tốt hơn ở
nhiệt độ lanh.


Cải thiện protein thực vật, hàm lợng tinh bột và chất lợng
hạt ngũ cốc
- Gen WBLRP đà đợc chuyển và biểu hiện ở hạt Arabidopsis, lúa.
- Gen S-VSPa và S-VSPb mà hoá cho các protein dự trữ có hàm lợng Lys

cao đà đợc chuyển và biểu hiện ở thuốc lá
- Đột biến DHPS mà hoá cho enzym sinh tổng hợp Lys đà đợc biểu hiện ở
đậu tơng, cải dầu, lúa mạch, lúa, và Arabidopsis.
- Đột biến ASA2 của gen mà hoá cho enzym sinh tổng hợp Trp đà đợc
chuyển và biểu hiện trong các cây rau.
- Chuyển gen OASA1 vào lúa và đà thu nhận đợc lá lúa có hàm lợng Trp
tăng.


Cải thiện protein thực vật, hàm lợng tinh bột và chất lợng
hạt ngũ cốc
- Gen mà hoá cho enzyme phytase phân giải các phức phytat sắt (ferritin) đÃ
đợc chuyển vào lúa nhằm tạo ra các giống lúa có hàm lợng sắt cao.
- Chuyển gen crt1 sinh tổng hợp beta-carotene vào lúa, tạo giống lúa vàng
(SGR1). Kết hợp chuyển gen psy phân lập từ ngô với gen crt1, tạo giống lúa
vàng SGR2.
- Chuyển gen antisense CYP79D1 và CYP79D2 vào cây sắn làm giảm hàm l
ợng cyanogen ở rễ.
- Gen mà hoá protein dự trữ ASP1 đà đợc chuyển và biểu hiện ở lá và rễ cây
sắn chuyển gen.
- Gen glgC đà đợc chuyển và biểu hiện tốt ở cây khoai tây, sắn, làm tăng hàm
lợng tinh bột ở rễ.


Tạo giống hoa có kiểu và màu sắc mới
- Chuyển gen tạo anthocynin phân lập từ hạt ngô vào cây hoa Petunia;
- Gen ACC synthase antisense - kháng etylen vào cây hoa để kéo dài
tuổi thọ của hoa.

Tăng cờng khả năng miễn dịch, sản xuất protein động vật

và vaccin ăn tõ thùc vËt
- Gen m· ho¸ protein CD14 cđa ngêi dới sự điều khiển của promoter
glutelin đà đợc chuyển và biểu hiện trong nội nhũ của hạt thuốc lá.
- Gen tổng hợp lactoferrin cũng đà đợc chuyển vào cây khoai tây và cây
thuốc lá
- Cỏ Linh lăng đợc chuyển gen tổng hợp polyprotein P1 và protease 3C của
virus gây bệnh lở mồm long móng đà gây miễn dịch cho chuột.
- Chuyển gen tổng hợp các vaccine vào thực vật: lúa, thuốc lá, khoai tây,
rau diếp, chuối, ngô.


Một số đặc tính đà đợc chuyển vào cây ngô b»ng kü tht di trun

Kh¸ng thc diƯt cá
- Gen EPSPS, PAT đà đợc chuyển vào cây ngô.
- Các giống ngô chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ glufosinate (Liberty),
Roundup, và imidazoline đà đợc tạo ra và thơng mại hoá.

Đặc tính chịu lạnh
- Gen betA phân lập từ E. coli mà hoá cho enzym choline dehydrogenase
đà đợc chuyển vào dòng ngô DH4866 thông qua Agrobacterium. Các dòng
ngô chuyển gen có khả năng tích luỹ glycinebetaine cao hơn và tốc độ sinh
trởng nhanh hơn so với cây ngô không đợc chuyển gen.
- Các gen chịu lạnh 4F4, IIIE9 phân lập từ các dòng ngô ôn đới chịu lạnh
đang đợc nghiên cứu chuyển vào ng«.


Kháng côn trùng
- Côn trùng hại rễ ngô là nhóm côn trùng có hại nhất.
- Gen cry1A(b) đà đợc chuyển vào giống ngô lai giữa giống CML139 và

CML 167 biểu hiện khả năng kháng sâu đục thân.
- Giống ngô lai CBH351 chuyển gen mang gen Cry9C đà đợc tạo ra và
trồng thử nghiệm trên đồng ruộng.
- Các giống ngô kháng côn trùng là một trong những cây trồng biến đổi
di truyền đầu tiên đợc thơng mại hoá và đợc trồng trên diện tích 8,9
triệu ha vào năm 1999.
- Hầu hết các giống ngô chuyển gen kháng sâu đà đợc thơng mại hoá đều
mang gen cry1Ab.
- bvDòng ngô chuyển gen MON 88017 có khả năng kháng côn trùng và
kháng thuốc trừ cá glyphosate.


Kháng côn trùng
Hai gen cry3Bb1 và cpepsps đà đợc chuyển vào dòng ngô LH198
chuyển 3 gen cry34Ab1, cry35Ab1 và gen pat vào ngô lai Hi-II
Hai gen cry34Ab1, cry35Ab1 và gen pat đợc chuyển vào dòng ngô lai HiII
gen CryIA(b) và gen mà hoá cho enzym PAT đà đợc chuyển vào dòng
ngô BT11

Đặc tính chín sớm
Gen FPF1 tách chiết từ Sinapis alba đà đợc chuyển vào cây ngô
nhằm rút ngắn thời gian sinh trởng của cây.
Các gen chín sớm Zmm4/ZAP1 phân lập từ các dòng ngô ôn đới
đang đợc nghiên cứu chuyển vào ngô.


Cải thiện chất lợng hạt
- Cải thiện thành phần hạt: tinh bột, protein dự trữ; polysaccarit,
khoáng và vitamin.
- Gen sacB mà hoá cho enzym sinh tổng hợp fructose đà đợc chuyển vào

các dòng ngô có khả năng tái sinh cao A188, B73. Các cây chuyển gen
nhận đợc có khả năng tích luỹ fructose trong hạt.
- Dòng ngô lai HiII có khả năng tích luỹ aprotinin cao đà nhận đợc khi
chuyển gen mà hoá cho sinh tổng hợp aprotinin vào phôi non bằng súng
bắn gen;
- Đột biến DHPS mà hoá cho enzym sinh tổng hợp Lys đà đợc chuyển và
biểu hiện ở ngô dới sự điều khiển của đoạn gen khởi động đặc hiệu hạt
hoặc các đoạn khởi động cơ định. Giống ngô có hàm lợng lysin cao đà đ
ợc đa vào sản xuất.


Tình hình nghiên cứu và thơng mại hoá
cây trồng biến ®ỉi gen
trªn thÕ giíi


Mét sè mèc quan träng trong sù ph¸t triĨn cđa kỹ thuật
chuyển gen ở thực vật
Năm

Thành tựu quan trọng

1980
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1990

1994

Lần đầu tiên chuyển DNA của vi khuẩn vào cây nhờ A. tumefacie
Tạo các gen chỉ thị chọn lọc, thiết kế lại Ti plasmid
Biến nạp vào tế bào trần
Tạo giống kháng thuốc diệt cỏ
Tạo giống kháng virus, đa cây chuyển gen ra thử nghiệm đồng ruộng
Chuyển gen kháng côn trùng nhờ súng bắn gen
Tạo giống cà chua điều khiển đợc quá trình chín
Chuyển gen bất dục đực vào ngô bằng súng bắn gen
Sản phẩm chuyển gen đầu tiên đợc thơng mại hoá: giống cà chua
Flavor Save
Lần đầu tiên chuyển thành công đồng thời 10 gen vào một cây. Toàn

1998
cầu
1999
2005

có 48 giống cây chuyển gen đợc phép thơng mại hoá
Tạo giống lúa chuyển gen có giá trị dinh dỡng cao (Lúa vàng)
Tạo giống ngô có hàm lợng lysin cao


Tình hình nghiên cứu và thơng mại hoá cây trồng biến
đổi gen trên thế giới
Từ 1996, diện tích GMC thơng mại bắt đầu tăng liên tục và ổn định.
1996-2005: diện tích trồng cây GMC tăng hơn 50 lần (tổng diện tích 475

triệu ha).

2005: phát triển vợt bậc, diện tích trồng cây GMC đạt hơn 90 triệu ha, tại

21 nớc.
Mỹ: diện tích trồng cây GMC lớn nhất thế giới, đạt 49,8 triệu ha, (55%).
Cây ngô chuyển gen mang 3 gen lần đầu tiên đà xuất hiện ở Mỹ.
Trong các loại cây GMC, ngô chuyển gen cã diƯn tÝch trång lín thø hai

(21,2 triƯu ha) sau đậu tơng (54,4 triệu ha).
Các cây chuyển gen mang từ hai gen trở lên đang là mục tiêu quan träng.


ảnh hởng của cây trồng GMC đến môi trờng và cuộc
sống con ngời
-Lơng thực, thực phẩm từ cây chuyển gen có thể gây các phản ứng dị ứng
hoặc tác dụng phụ vì sản phẩm của gen là các protein lạ.
- Có thể gây ra tác động đến môi trờng sinh thái do sự xuất hiện những sinh
vật lạ, hoặc diệt đi những thiên địch quý; có thể tạo ra những loài cây mới ...

Lợi ích chính của cây trồng GMC
-Tăng năng suất cây trồng từ 5 đến 40%
-Giảm chi phí sản xuất.
-Tăng lợi nhuận nông nghiệp
- Cải thiện môi trờng, bảo vệ đa dạng sinh học


Tình hình nghiên cứu cây trồng biến đổi gen ở Việt Nam
Nghiên cứu chuyển gen vào cây trồng đang đợc tiếp cận, đầu t và triển

khai nghiên cứu, ứng dụng chủ yếu tại các phòng thí nghiệm của Viện
Công nghƯ Sinh häc, ViƯn Di trun N«ng nghiƯp, ViƯn Sinh học nhiệt

đới và Viện nghiên cứu Lúa đồng bằng sông Cửu Long.
Viện Công nghệ Sinh học:
+ Chuyển gen Xa21 kháng bệnh bạc lá và gen cry kháng côn trùng vào
lúa.
+ Phân lập gen chịu lạnh, tăng cờng tính chịu hạn và chịu mặn ở cây lúa;
gen cry, gen RIP, gen mà hoá -amylase ở đậu cô ve, gen kháng bọ hà
khoai lang, gen mà hoá protein vỏ của virus gây bệnh đốm vòng ở cây đu
đủ.