Tài liệu Nhập môn Công nghệ sinh học - Phần II: Các ứng dụng của Công nghệ sinh học pptx

Nhập môn Công nghệ sinh học
237












Phần II

Các ứng dụng của Công nghệ sinh học

Nhập môn Công nghệ sinh học
238
Chương 7

Các ứng dụng trong nông nghiệp

I. Mở đầu
Đây là lĩnh vực công nghệ sinh học có nhiều đóng góp quan trọng.
Các sản phẩm công nghệ sinh học mới trong nông nghiệp chứa đựng triển
vọng hứa hẹn đối với người tiêu dùng và nông dân. Hiện nay, các ứng dụng
công nghệ sinh học trong nông nghiệp đang tập trung vào các hướng: chọn
lọc và biến đổi di truyền cây trồng để có được các đặc điểm mong muốn
(năng suất cao, phẩm chất tốt, thích nghi với các điều kiện ngoại cảnh bất
lợi...), nuôi cấy mô và tế bào thực vật để nhân nhanh giống cây trồng, sản
xuất các kháng thể đơn dòng để phục vụ chẩn đoán các bệnh thực vật và
động vật, thụ tinh trong ống nghiệm và cấy chuyển phôi ở vật nuôi, cải thiện
năng suất và chất lượng của động vật, nuôi trồng thủy sản, chế biến thực
phẩm...
Nhìn chung, trong những năm qua công nghệ sinh học đã có những
tác động rất tích cực trong sản xuất nông nghiệp, tạo ra một cuộc cách mạng
sâu sắc trong lĩnh vực giống cây trồng, vật nuôi và chế biến thực phẩm.
Nhiều kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong sản xuất và đem lại
những giá trị kinh tế lớn lao. Chẳng hạn, nhiều giống cây trồng mang gen
kháng sâu, kháng bệnh, kháng chất diệt cỏ… đã được đưa ra thị trường như
bông, ngô, khoai tây, lúa mạch, lúa nước, cà chua, củ cải đường... Nhiều
loại vật nuôi đã được thụ tinh trong ống nghiệm và cấy chuyền phôi, sử
dụng hormone sinh trưởng để tăng nhanh sức lớn và sản lượng sữa ở trâu,
bò, kể cả sản lượng thực phẩm và các chất phụ gia sinh học...

II. Cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng

Hướng nghiên cứu được tập trung nhiều nhất để cải thiện và nhân
nhanh giống cây trồng là nuôi cấy mô và tế bào thực vật (plant cell and
tissue culture). Đây là kỹ thuật nuôi cấy vô trùng in vitro các bộ phận tách
rời khác nhau của thực vật. Ngoài mục đích nhân giống và cải thiện di
Nhập môn Công nghệ sinh học
239
truyền giống cây trồng, nuôi cấy mô và tế bào thực vật còn đóng góp vào
việc sản xuất sinh khối các sản phẩm hóa sinh, bệnh học thực vật, duy trì và
bảo quản các nguồn gen quý hiếm… Các hoạt động này được bao hàm trong
thuật ngữ công nghệ sinh học nông nghiệp (biotechnology in agriculture).
Lĩnh vực nhân giống và cải thiện giống cây trồng có bốn hướng chính:
- Nhân giống trong ống nghiệm (nhân giống vô tính in vitro) bằng kỹ
thuật nuôi cấy tế bào, mô và cơ quan của thực vật. Với kỹ thuật này trong
một thời gian rất ngắn có thể sản xuất một lượng lớn cây con giống hệt nhau
và giữ nguyên kiểu di truyền của cây mẹ ban đầu.
- Sản xuất cây đơn bội (1n) bằng cách nuôi cấy bao phấn hoặc hạt
phấn cho phép tạo ra các dòng thuần (đồng hợp tử) để phục tráng giống cây
trồng bị thoái hóa sau một thời gian dài canh tác. Hoặc tìm kiếm các tính
trạng lặn dị hợp tử ưu việt thu được trong quá trình chọn giống.
- Lai vô tính (somatic hybridization) hay còn gọi là dung hợp tế bào
trần (protoplast fusion) giữa các loài xa nhau về quan hệ họ hàng mà trong
thực tế không thể tiến hành bằng phương pháp lai hữu tính, nhờ đó mở ra
khả năng tạo ra những giống cây hoàn toàn mới.
- Ứng dụng kỹ thuật chọn dòng tế bào biến dị soma (somaclonal
variation) trong nuôi cấy in vitro để tạo ra các giống mới chống chịu các
bệnh vi khuẩn, virus và vi nấm, chịu được các điều kiện canh tác khắc
nghiệt như hạn hán, ngập mặn, nóng và lạnh...

1. Nhân giống vô tính in vitro
Nhân giống in vitro là kỹ thuật nhân giống cây trồng bằng cách sử

dụng nhiều bộ phận khác nhau của thực vật, có kích thước nhỏ và sinh
trưởng ở điều kiện vô trùng trong ống nghiệm hoặc trong các loại bình nuôi
cấy khác chứa môi trường dinh dưỡng nhân tạo.
Trên quan điểm ứng dụng, kỹ thuật nhân giống in vitro được ứng dụng
nhằm phục vụ các mục đích sau:
- Duy trì và nhân nhanh các kiểu gen quý hiếm làm vật liệu cho công
tác tạo giống.
- Nhân nhanh với hiệu quả kinh tế cao các loài hoa và cây cảnh không
trồng bằng hạt.
- Nhân nhanh và duy trì các cá thể đầu dòng tốt để cung cấp hạt giống
các loài rau, cây cảnh và các cây trồng khác.
Nhập môn Công nghệ sinh học
240
- Nhân nhanh và kinh tế các kiểu gen quý của giống cây lấy gỗ trong
lâm nghiệp và gốc ghép trong nghề trồng cây ăn quả, cây cảnh.
- Nhân nhanh ở điều kiện vô trùng, cách ly tái nhiễm kết hợp với làm
sạch bệnh virus.
- Bảo quản các tập đoàn giống nhân giống vô tính và các loài cây giao
phấn trong ngân hàng gen.

2. Sản xuất cây đơn bội in vitro
>
,
.
in vitro
.
:
- .
- .
- (dòng thuần).

Một số phương pháp được sử dụng để tạo thể đơn bội như sau:

in vivo
in vivo
Nhập môn Công nghệ sinh học
241
: s
. Nhìn chung, các kỹ thuật này cho hiệu
suất tạo cây đơn bội thấp.

2.2. Phương pháp tạo thể đơn bội in vitro
in vitro
, Poaceae,
Ranunculaceae
.


,
(Hình 7.1). Kỹ thuật dung hợp protoplast cho phép khắc phục được hiện
tượng bất thụ thường xảy ra khi lai khác loài (lai xa) để mở rộng nguồn gen,
tạo ra các giống cây trồng mới mang các đặc tính di truyền ưu việt.
[Lycopersicum esculentum
258.


Nhập môn Công nghệ sinh học
242

Hình 7.1. Dung hợp protoplast. A: các protoplast. B: hai protoplast dung hợp
trong một cặp. C: các protoplast có thể dung hợp trong thể 3 (bên phải ảnh) hoặc
nhiều hơn, có khi tới 6 protoplast.

3.1. Dung hợp protoplast bằng hóa chất
Phương pháp này dùng NaNO
3
hoặc polyethylene glycol (PEG) để
kích thích sự dung hợp của hai protoplast.

3.2. protoplast (electrofusion)
-
trong n
-
A B

C
Nhập môn Công nghệ sinh học
243
-
.

4. Chọn dòng biến dị soma
in
vitro :
-
- - ...
-

- (overproduction)
...
-
(genetic markers)...











Hình 7.2. Sơ đồ c Helminthosporium maydis ở ngô

Chọn lọc trên môi trường chứa độc tố của
nấm bệnh rỉ sắt (Helminthosporium maydis)
Giống ngô bất dục đực
Nuôi cấy callus
Dòng callus kháng H. maydis

Tái sinh cây

Kiểm tra tính kháng H. maydis

Nhập môn Công nghệ sinh học
244
in
vitro
) , khoai
tây).
-
- ). Tuy nhiên, t
.

5. Chuyển gen vào cây trồng
.


hơn
protoplast.
Nhập môn Công nghệ sinh học
245

Stt Loài Phương pháp chuyển gen Thử nghiệm trên
đồng ruộng
1 Chuối Bắn gen/Agrobacterium -
2 Lúa mạch Bắn gen Kháng vi rus
3 Đậu tây Bắn gen -
4 Canola Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ,
điều khiển sự thụ phấn
5 Sắn Bắn gen/Agrobacterium -
6 Ngô Bắn gen/Agrobacterium Kháng côn trùng, chống
chịu chất diệt cỏ
7 Bông Bắn gen/Agrobacterium Kháng côn trùng, chống
chịu chất diệt cỏ
8 Đu đủ Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus
9 Đậu phụng Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus
10 Bạch dương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ
11 Khoai tây Agrobacterium Kháng côn trùng, kháng
virus, chống chịu chất
diệt cỏ
12 Lúa Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ
13 Đậu tương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ
14 Bí Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus
15 Củ cải đường Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ
16 Mía Bắn gen -
17 Hướng dương Bắn gen -
18 Cà chua Agrobacterium Quả chín muộn, kháng
virus
19 Lúa mì Bắn gen -
Nhập môn Công nghệ sinh học
246

Hình 7.3. Một số cây trồng chuyển gen. A: ngô kháng côn trùng. B: lúa mạch
kháng virus. C: cà chua cho quả chín muộn . D: khoai tây chống chịu chất diệt cỏ.

).
Agrobacterium
.


A B
C D
Nhập môn Công nghệ sinh học
247
.

bar gus
bar
.


N
một cây mô h
.
Agrobacterium
c Agrobacterium
Agrobacterium
gus
.
Nhập môn Công nghệ sinh học
248
- -
(Southern b
.


Phaseolus
Agrobacterium
gusA, bar
gus
gus .

5.6. Cây bông
Agrobacterium
tumefaciens
soma

.

Nhập môn Công nghệ sinh học
249
5.7. Cố định đạm
Quá trình cố định đạm diễn ra ở rễ của các loài cây họ đậu nhờ một số
loài vi khuẩn cộng sinh có khả năng hấp thụ nitrogen của không khí và tạo
ra chất đạm cho cây. Vi khuẩn chính tham gia quá trình cố định đạm là
Rhizobium. Sự có mặt của nó dẫn đến hình thành các nốt sần trên rễ cây
nhiễm khuẩn. Các vi khuẩn sống trong nốt sần sẽ thực hiện quá trình cố định
đạm. Phương trình tổng quát có dạng sau:

N
2
+ 10H
+
+ 8e
-
+ 16ATP 2NH
4
+
+ 16ADP + 16Pi + H
2

Hình 7.4. Mô hình biến nạp gen nif

Để tăng mức độ cung cấp đạm tự nhiên cho cây trồng, người ta chọn
giải pháp chuyển gen nif (nitrogen fixation-gen mã hóa enzyme nitrogenase)
vào cơ thể thực vật và vi sinh vật sống tự do hoặc sống cộng sinh với thực
vật (Hình 7.4). Vì trong tự nhiên, giữa các cơ thể vi sinh vật vẫn xảy ra sự
Nitrogenase

Rhizobium Plasmid
Mở vòng DNA của plasmid
Phân lập gen nif
RE
DNA ligase
Protoplast
Lúa
Biến nạp
Protoplast mang
plasmid có gen nif
Callus
Tái sinh cây
mang gen nif