Nội dung

336 Chương 3. CHUYỂN GEN TRONG THỰC TẾ TRỒNG TRỌT 3.1. Tình hình cây trồng chuyển gen trên thế giới Năm 2006, diện tích toàn cầu cây trồng chuyển gen tiếp tục tăng cao vượt ngưỡng 100 triệu ha , khi lần đầu tiên hơn 10 triệu nông dân (10,3 triệu) tại 22 nước canh tác cây chuyển gen, cao hơn so với 90 triệu ha và 8,5 triệu nông dân tại 21 nước năm 2005. Diện tích cây chuyển gen tòan cầu tăng hơn 60 lần trong 11 năm đầu tiên thương mại hóa, làm cho cây trồng chuyển gen được coi là kỹ thuật cây trồng được chấp nhận nhanh nhất trong lịch sử hiện đại. Diện tích cây chuyển gen toàn thề giới năm 2006 là 102 triệu ha, tương đương 250 triệu mẫu Anh, cao hơn so với 90 triệu ha hay 220 triệu mẫu Anh năm 2005. Sự gia tăng 12 triệu ha hay 30 triệu mẫu Anh giữa năm 2005 và 2006, là sự gia tăng cao thứ hai trong 5 năm trở lại đây, tương đương với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm là 13% trong năm 2006. Đáng ghi nhận là hơn một nửa (55% hay 3,5 tỷ người) dân số của 6,5 tỷ người sống tại 22 nước có canh tác cây chuyển gen trong năm 2006 đã tạo ra lợi nhuận một cách đáng kể. Cũng hơn một nửa (52% hay 776 triệu ha của 1,5 tỷ ha) diện tích đất trồng trên thế giới tại 22 nước năm 2006 đã canh tác cây chuyển gen. Năm 2006, 22 nước trồng cây chuyển gen, có 11 nước đang phát triển và 15 nước công nghiệp, trong đó nếu tính theo thứ tự về diện tích, thì Hoa kỳ dẫn đầu, tiếp đến Achentina, Brazil, Canada, Ấn độ, Trung Quốc, Paraguay, Nam phi, Uruguay, Philippin, Úc, Rumani, Mê hi cô, Tây Ban nha, Côlômbia, Pháp, Iran, Honduras, Cộng hòa Czech, Bồ đào nha, Đức và Sloavakia. Năm 2006, đứng sau Hoa kỳ là Achentina, Brazil, Canada, Ấn độ và Trung quốc là 6 nước chấp nhận trồng cây chuyển gen rộng rãi, với Ấn độ lần đầu tiên thay Trung quốc ở vị trí số 5 trên thế giới về cây bông BT. Hoa kỳ vẫn giữ vị trí dẫn đầu với 54,6 triệu ha (chiếm 53% diện tích cây chuyển gen tòan cầu), tiếp theo là Achentina với 18,0 triệu ha, Brazil – 11,5 triệu ha, Ấn độ - 3,8 triệu ha và Trung quốc 3,5 triệu ha. Cây đậu nành chuyển gen vẫn giữ là cây chuyền gen chủ yếu năm 2005, đạt 58,6 triệu ha (chiếm 57% diện tích cây chuyển gen toàn cầu), tiếp theo là cây bắp (25,2 triệu ha – 25%), cây bông (13,4 triệu ha – 13%) và cây cải dầu (4,8 triệu ha – 5%). Giống cỏ alfafa kháng thuốc trừ cỏ, là lọai cây chuyển gen lâu năm đầu tiên được đưa vào trồng với diện tích 80.000 ha ở Hoa kỳ và giống bông kháng thuốc trừ cỏ RR@ Flex được đưa ra với diện tích 800.000 ha ở Hoa kỳ và Úc. Giống đu đủ kháng virus, là lọai cây ăn quả được Ủy ban An tòan Sinh học quốc gia Trung quốc khuyến cáo thương mại hóa vào quý Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 337 IV/2006. Năm 2006, các giống đậu nành, bắp, cải dầu và cỏ alfalfa kháng thuốc trừ cỏ tiếp tục chiếm ưu thế với 68% hay 69,9 triệu ha, tiếp theo là giống kháng sâu BT với 19,0 triệu ha (19%) và các giống cây chuyển gen xếp chồng (chịu được cả thuốc trừ cỏ và kháng sâu chiếm 13,1 triệu ha (13%). Các giống chuyển gen xếp chồng là nhóm giống tăng trưởng nhanh nhất tới 30% giữa năm 2005 và 2006, so với 17% đối với nhóm kháng sâu và 10% đối với nhóm kháng thuốc trừ cỏ. Cây chuyển gen được trồng bởi 10,3 triệu nông dân tại 22 nước năm 2006, so với 8,5 triệu nông dân tại 21 nước năm 2005. Đặc biệt là 90% hay 9,3 triệu nông dân nghèo từ các nước đang phát triển, đã tăng được thu nhập từ cây chuyển gen. Trong đó chủ yếu từ Trung Quốc – 6,8 triệu nông dân và Ấn Độ - 2,3 triệu. Trong giai đọan 1996 đến 2006, tỷ lệ diện tích trồng cây chuyển gen ở các nước đang phát triển tăng hàng năm. Hơn 1/3 diện tích (40%) cây chuyển gen năm 2006, tương đương với 40,9 triệu ha là tại các nước đang phát triển. Sư tăng trưởng giữa năm 2005 và 2006 là 7,0 triệu ha hay 20% tăng trưởng ở các nước này cao hơn so với các nước công nghiệp – 5,0 triệu ha hay 9% tăng trưởng. Sự tác động tích lũy toàn cầu của cây chuyển gen từ năm 1996 đến 2005 đã đem lại lợi nhuận thuần cho nông dân trồng cây chuyển gen là 27 tỷ USD ( 13 tỷ USD đối với các nước đang phát triển và 14 tỷ USD đối với các nước công nghiệp. Đã làm giảm tổng lượng thuốc trừ sâu từ năm 1996 đến 2005 là 224.000 tấn họat chất, tương đương với việc giảm 15% trong tác động môi trường xung quanh của sử dụng thuốc trừ sâu đối với các lọai cây trồng trên. 3.2. Chuyển gen ở các cây trồng chính 3.2.1. Cây ngô Cây ngô biến nạp gen đầu tiên tái sinh từ protoplast được biến nạp bằng xung điện đã bất thụ (Rhodes và cs 1988). Có thể dùng phôi ngô trong nuôi cấy dịch huyền phù phát sinh phôi để tái sinh các cây hữu thụ mang gen biến nạp, sử dụng phương pháp bắn gen và chọn lọc bằng chất 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 (kháng chất diệt cỏ glufosinate không chọn lọc) cùng với hoạt tính chức năng của enzyme phosphinothricin acetyltransferase quan sát được trong những thế hệ sau. Hiện nay, biến nạp gen ở ngô bằng phương pháp bắn gen được sử dụng rộng rãi. 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 Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 338 sau khi nuôi cấy chung (cocultivation) giữa vector “super-binary” với phôi non. Tần số 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). Bảng 3.1. Các cây trồng chính đã được biến nạp gen Stt Loài Phương pháp Thử nghiệm trên đồng ruộng biến nạp gen 1 Chuối Bắn gen/Agrobacterium - 2 Luá 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 Chống chịu chất diệt cỏ Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 339 gen/Agrobacterium 13 Đậu tương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 14 Bí Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus 15 Củ đường 16 Mía Bắn gen - 17 Hướng dương Bắn gen - 18 Cà chua Agrobacterium Quả chín muộn, kháng virus 19 Lúa mì Bắn gen - cải Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ 3.2.2. Cây lúa Phương pháp bắn gen cho phép thực hiện biến nạp gen hiệu quả ở lúa trong các kiểu gen độc lập, và hiện nay hơn 40 giống đã được biến nạp gen thành công. Mẫu vật sử dụng là phôi non và các callus có nguồn gốc từ hạt trưởng thành. Hygromycin B là marker chọn lọc thường được dùng cho lúa. Tần số biến nạp có thể cao tới 50% (tính theo số cây biến nạp gen có nguồn gốc độc lập/số mẫu được bắn gen). Hình 3.1. Chọn lọc giống lúa chịu hạn bằng cách chuyển gen chịu hạn cho lúa Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 340 Gần đây, kỹ thuật biến nạp gen ở lúa thông qua Agrobacterium cũng đã có những cải tiến quan trọng có hiệu quả tương đương với kỹ thuật bắn gen. 3.2.3. Cây lúa mì Phương pháp bắn gen cũng được sử dụng để biến nạp gen ở lúa mì. DNA ngoại lai được bắn vào trong các vảy nhỏ (scutellum) của phôi non của hai giống mùa xuân và một giống mùa đông. Các callus chống chịu được chọn lọc bằng phosphinothricin hoặc các nhân tố ức chế trao đổi chất tương tự như basta, bialaphos hoặc glufosinate amonium. Chọn lọc bằng các hợp chất như thế không hiệu quả lắm và kết quả là một số lớn cây thất thoát. Phân tích di truyền và phân tử đã xác nhận sự hợp nhất ổn định của các gen biến nạp. Nói chung, công nghệ di truyền lúa mì vẫn còn tập trung ở một hoặc hai giống đặc trưng có khả năng tái sinh cây nhanh, thích hợp với phương pháp bắn gen. 3.2.4. Cây lúa mạch Wan và Lemaux (1994), đã tái sinh một số lượng lớn các cây lúa mạch biến nạp gen độc lập, tự thụ phấn. Các phôi hợp tử non, các callus mới hình thành và các phôi có nguồn gốc từ tiểu bào tử hạt phấn đã được dùng để bắn gen với plasmid mang gen bar và gusA đơn độc hoặc phối hợp với plasmid khác mang gen protein vỏ của virus gây bệnh lùn vàng ở lúa mạch. Kiểm tra khả năng nảy mầm của phôi non để phân lập các cây biểu hiện hoạt tính bar bằng môi trường chứa bialaphos, mặc dù đây chưa phải là một chất chỉ thị tốt cho sự có mặt hoặc không của gen. 3.2.5. Cây đậu tương Kết quả đầu tiên ở đậu tương là phục hồi thành công cây biến nạp gen nhờ Agrobacterium. Phương thức này dựa vào sự phát sinh chồi từ lá mầm của giống Peking chọn lọc cho tính mẫn cảm với Agrobacterium. Các mẫu lá mầm được xâm nhiễm với Agrobacterium mang plasmid kháng kanamycin và có hoạt tính gusA, hoặc kháng kanamycin và chống chịu glyphosate. Có thể biến nạp gen hiệu quả vào protoplast đậu tương bằng các phương thức thông dụng nhưng rất khó tái sinh được cây. Để biến nạp gen vào các giống đậu tương khác nhau người ta đã phối hợp hai yếu tố: genotype đơn giản - phương thức tái sinh cây độc lập (dựa trên cơ sở sự tăng sinh của cụm chồi từ vùng chung quanh mô phân sinh của trụ phôi) với sự tăng gia tốc của vi đạn (particle) có phóng điện để phân phối DNA ngoại lai. Hàng trăm cây đậu tương có nguồn gốc độc lập đã thu được và kết quả biến nạp đã cho nhiều phenotype khác nhau. Nói chung, ở các dòng đậu tương biến nạp gen có nhiều bản sao của các gen biến nạp (số bản sao khoảng từ 1-50 nhưng thường thay đổi từ 2-10). Phân tích DNA (southern blot) ở thế Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 341 hệ sau của các bản sao gen phức cho thấy tất cả các bản sao cùng tách rời, như thế mỗi thể biến nạp sơ cấp chỉ hiện diện một kết quả biến nạp độc lập và có thể sự tái tổ hợp thống nhất đã không xuất hiện thường xuyên. 3.2.6. Cây bông Phương thức biến nạp gián tiếp thông qua Agrobacterium tumefaciens là kỹ thuật đầu tiên được sử dụng để biến nạp gen vào cây bông giống Coker 312 (Umbeck 1987). Cây bông biến nạp gen cũng của giống trên đã được phục hồi sau khi bắn gen vào dịch huyền phù nuôi cấy phát sinh phôi (Finer và McMullen 1990). Hầu hết các giống bông có giá trị kinh tế khác không thể tái sinh cây từ giai đoạn callus. Một số ít các giống đó có thể tái sinh cây nhưng quá trình này thiên về biến dị dòng vô tính. 3.3. Triển vọng và hướng phát triển Hiện nay ở nước ta lĩnh vực nghiên cứu tạo sinh vật biến đổi gen, nghiên cứu chuyển gen vào cây trồng (GM) đang được tiếp cận, đầu tư và triển khai nghiên cứu, ứng dụng với sự chú trọng đặc biệt. Nhiều gen quý có giá trị ứng dụng như năng suất, chất lượng, khả năng chống chịu đã được phân lập và nghiên cứu nhằm chuyển vào cây trồng để tạo nên những giống lý tưởng. Nhiều phương pháp chuyển gen khác nhau như phương pháp bắn gen, phương pháp sử dụng vi khuẩn. A.tumefaciens... đã được áp dụng thành công trên hàng loạt cây trồng quan trọng như lúa, cà chua, cà tím, đậu xanh, cà-phê, thuốc lá, khoai lang. Những vấn đề thiết kế vector cũng như hoàn thiện các quy trình tái sinh cây khởi đầu cho nghiên cứu chuyển gen cũng nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các nhà khoa học đã tiến hành thu nhập và phân lập được nhiều nguồn gen quý có giá trị nông nghiệp như gen chịu hạn, lạnh ở lúa; gen cry, gen mã hóa protein bất hoạt hóa ở cây mướp đắng và gen mã hóa của cây đậu cô ve có hoạt tính diệt côn trùng; gen kháng bọ, hà khoai lang của vi khuẩn Bt; gen mã hóa protein vỏ của virus gây bệnh đốm vòng ở cây đu đủ... Hiện các nhà sinh học Việt Nam đang tiếp tục nghiên cứu để chuyển gen vào cây hoa, cây bông và cây lâm nghiệp, nhằm nâng cao sức chống chịu với sâu bệnh và điều kiện ngoại cảnh bất lợi. Những nghiên cứu tăng cường tính chịu hạn và chịu mặn ở cây lúa bằng công nghệ GM, chuyển gen kháng virus đốm vòng vào cây đu đủ, chuyển gen chịu hạn vào cây bông... cũng đang được triển khai hiệu quả với một số loài cây GM. Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 342 Nhà nước ta đã xác định công nghệ sinh học là một ngành khoa học quan trọng. Từ năm 1990, Chương trình công nghệ sinh học quốc gia đã được cấp kinh phí cho các dự án nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học, đặc biệt trong cải tiến giống cây trồng. Từ năm 2001, Chính phủ đã đầu tư nhiều dự án, đề tài nghiên cứu GM liên quan đến nhiều cây trồng quan trọng của Việt Nam. Một số phòng thí nghiệm công nghệ sinh học đã và đang được Nhà nước đầu tư trang thiết bị hiện đại và triển khai các kỹ thuật cơ bản của công nghệ gen như phân lập và xác định trình tự gen, thiết kế và biến nạp gen vào tế bào vi sinh vật, động vật, nghiên cứu biểu hiện gen... Nhờ các biện pháp và chính sách khuyến khích, đầu tư hiệu quả đó, công nghệ sinh học ở nước ta vài năm gần đây đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Công nghệ di truyền thực vật là một bước ngoặt quyết định. Một số cây trồng quan trọng đã được biến nạp gen; một vài vấn đề kỹ thuật vẫn đang còn tồn tại, nhưng chúng đang dần dần được giải quyết. Để có kết quả cần phải thay đổi dần dần sang một phạm vi khác, như là phát hiện và tạo dòng các gen mang các tính trạng đa gen (multigenic traits). Một điều không thể quên là vấn đề nhận thức của xã hội và dự báo nguy cơ tác động xấu đến môi trường do các sản phẩm có nguồn gốc từ công nghệ tái tổ hợp DNA mang lại. Cây biến nạp gen đầu tiên thu được vào năm 1983. Điều này cho phép nhận xét rằng mới chỉ hơn hai thập niên, các công cụ của công nghệ DNA tái tổ hợp và sinh học tế bào đã giúp ích rất nhiều cho các nhà tạo giống thực vật. Việc lựa chọn phương thức sử dụng các cây trồng thu được từ công nghệ DNA tái tổ hợp có thể cung cấp thêm nguồn tài nguyên mới cho công nghiệp và người tiêu dùng, như vậy có thể mở rộng cơ sở kinh tế ở cả các nước công nghiệp lẫn các nước đang phát triển. 3.4. Thực hành chuyển gen vào cây thuốc lá bằng Agrobacterium tumefaciens 3.4.1. Dụng cụ - Bình tam giác (250 ml), ống nghiệm có nắp vặn - Giấy thấm vô trùng - Forceps, kéo, dao mổ - Que cấy vi sinh - Đĩa petri (plastic và thủy tinh) vô trùng - Giấy parafilm - Giấy nhôm Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 343 - Tube eppendorf (1,5-2 ml) - Cốc chịu nhiệt, ống đong, micropipette 3.4.2. Thiết bị - Nồi khử trùng - Tủ sấy - Laminar - Tủ lạnh - Microwave - Cân phân tích 10-4g - Cân kỹ thuật 10-2g - Máy cất nước 2 lần - Máy ly tâm lạnh (14000 rpm) cho tube 1,5-2 ml 3.4.3. Hóa chất - Môi trường cơ bản MS - Môi trường nuôi cấy vi khuẩn LB - Các loại kháng sinh: kanamycin, rifampicin và cefotaxim - Agar - MgSO4 10mM - Dung dịch stock các chất kích thích sinh trưởng: NAA và BAP - Cồn 90% - Nước cất vô trùng 3.4.4. Phương pháp tiến hành 3.4.4.1. Nguyên liệu - E. coli chủng TOP 10 có mang pRK 2013 (helper plasmid) - E. coli chủng TOP 10 có mang vector pBI 121+ insert DNA (gen ngoại lai mang tính trạng mong muốn) - Agrobacterium tumenfaciens chủng LBA 4404. - Cây thuốc lá in vitro. Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 344 3.4.4.2. Chuẩn bị môi trường *Môi trường LB - Bacto-tryptone 3g - Yeast-Extract 1,5 g - NaCl 3g - Nước cất đến đủ 300mL. * Môi trường LB đặc Môi trường LB bổ sung 1,5 % agar/100 mL. * Môi trường LB-R Môi trường LB bổ sung 100 µg/mL rifampicin. * Môi trường LB-K Môi trường LB bổ sung 50 µg/mL kanamycin. * Môi trường LB-RK Môi trường LB bổ sung 100 µg/mL rifampicin và 50 µg/mL kanamycin. * Môi trường MSO - MS đầy đủ - Agar 0,8 % - Saccharose 3 % - pHmôi trường ~ 5,8 * Môi trường nuôi cấy (MS 104) - MS đầy đủ - Agar 0,8 % - Saccharose 3 % - BAP 2 mg/mL - NAA 0,2 mg/mL - pHmôi trường ~ 5,8 * Môi trường chọn lọc (MS SEL) - MS đầy đủ Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật 345 - Agar 0,8 % - Saccharose 3 % - BAP 2 mg/mL - NAA 0,2 mg/mL - Kanamycin 1,5 mL - Cefotaxim 2 mL - pHmôi trường ~ 5,8 * Môi trường tạo rễ (MSR) - MS đầy đủ - Agar 0,8 % - Saccharose 3 % - Kanamyin 1,5 mL - Cefotaxim 2 mL - pHmôi trường ~ 5,8 Môi trường có bổ sung cefotaxim cần được bảo quản trong điều kiện không có ánh sáng. Chất kháng sinh được bổ sung sau khi đã khử trùng môi trường (để nhiệt độ môi trường hạ xuống khoảng 55-60oC) ở điều kiện vô trùng của laminar. 3.4.5. Tiến hành 3.4.5.1. Triparental mating (giao phối bộ ba) * Nuôi cấy vi khuẩn Các môi trường LB lỏng được chuẩn bị trong các ống nghiệm có nắp vặn, khử trùng để tiến hành nuôi cấy các vi khuẩn. Các bước như sau: à Nuôi A. tumenfaciens trong môi trường LB-R trong tổi, ở 28oC, thời gian 48 giờ (nuôi trước khi tiến hành triparental mating 2 ngày). à Nuôi E. coli có mang plasmid helper (pRK 2013) và E. coli có mang vector pBI 121 + insert DNA trong môi trường LB-K (nuôi trước khi tiến hành lai bộ ba 1 ngày). * Nuôi cấy chung 3 loại vi khuẩn Các bước tiến hành: à Lấy mỗi ống nghiệm nuôi các loại vi khuẩn 1 mL, ly tâm tốc độ khoảng 10.000 rpm, trong 5 giây. à Loại bỏ thể nổi, thêm 1 mL môi trường LB, lắc nhẹ để trộn (để loại bỏ chất Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật