Công nghệ sinh học thực vật với tài nguyên cây thuốc docx

Công nghệ sinh học thực vật với tài nguyên cây thuốc Tác giả: Trần Công Luận Ngoài những nhiệm vụ truyền thống công nghệ sinh học thực vật còn phải gánh vác các ngành sản xuất mới: 1 Tă

Công nghệ sinh học thực vật với tài nguyên cây thuốc

Công nghệ sinh học thực vật với tài nguyên cây thuốc

Tác giả: Trần Công Luận

Ngoài những nhiệm vụ truyền thống công nghệ sinh học thực vật còn phải gánh vác các ngành sản xuất mới: (1) Tăng sinh khối để sản xuất năng lượng thay thế nguồn dầu mỏ, (2) Phát triển hoá học xanh: một mặt cung cấp sinh khối cho sản xuất hoá chất, mặt khác phải biến thực vật thành nhà máy hoá chất Đặc biệt đối với các hợp chất tự nhiên có tác dụng sinh học cao Vì cho đến nay 80% dân số thế giới vẫn dùng các sản phẩm từ tự nhiên trong chăm sóc sức khỏe ban đầu, phòng và chữa trị bệnh.

Do tế bào thực vật có tính toàn thế (Totipotency) nhờ khả năng ít bị biệt hóa và phát triển tốt, nên dễ nuôi cấy hơn so với nuôi cấy tế bào động vật Nên ngày nay công nghệ sinh học thực vật

đã được áp dụng ở quy mô lớn, thậm chí sản xuất công nghiệp nhờ vào các ứng dụng kỹ thuật vi nhân giống (Microprogation) tạo ra các cây giống có độ đồng đều, với hiệu suất nhân giống cao

so với kỹ thuật truyền thống từ hạt hay hom cành Giúp rút ngắn giai đoạn phát triển, sử dụng ưu thế lai những cây lâu năm và làm chủ được mùa vụ gieo trồng Lĩnh vực nuôi cấy mô tế bào để tạo sinh khối có hoạt chất sinh học cao cũng được phát triển và áp dụng trong quy mô sản xuất công nghiệp mà không cần qua giai đoạn trồng trên đồng ruộng Những sản phẩm thứ cấp từ kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào có thể tham khảo ở bảng 1.

Bảng 1 Hàm lượng hợp chất từ tế bào nuôi cấy mô so sánh với cây mẹ

Hợp chất Cây thuốc

Hàm lượng (%) Tỷ lệ mô

cấy/cây mẹ

Tham khảo Mô

cấy Cây mẹAjmalicin Catharanthus roseus 1,0 0,3 3,3 Lee and Shuler 2000

Anthraquinon Morinda citrifolia 18 2,2 8 Zenk 1977

Berberin Coptis japonica 13 2 3,3 Fujita and Tabata 1987 Ginsenosid Panax ginseng 27 4,5 6 Matsubara et al 1989 Nicotin Nicotiana tabacum 3,4 2,0 1,7 Mantell et al 1983 Acid

Simmondblumei 2003 Shikonin Lithospermum

erythrorhizon 20 1,5 3,5 Kim and Chang 1990Ubiquinon 10 Nicotiana tabacum 0,036 0,003 12 Fujita and Tabata 1987

Thực vật bậc cao là nguồn cung cấp hợp chất có tác dụng sinh học cao được dùng trong công nghiệp dược Một số hợp chất thứ cấp được dùng làm thuốc như: morphin, codein, cocain, quinin, các alkaloid Dừa cạn, alkaloid Dương địa hoàng, colchicin, phytostigminin, pilocarpin, reserpin và các steroid như: Diosgenin, digoxin, và digitoxin (Bảng 2).

Hợp chất Điều trị Loài Giá (USD/ kg)

Ajmalicin Cao huyết áp Catharanthus roseus 37.000

Ajmalin Sốt rét Rauwolfia serpentine 75.000

Camptothecin Ung thư Camptotheca acuminata 432.000

Codein Giảm đau Papaver somniferum 17.000

Colchicin Ung thư Colchium autumnale 35.000

Ellipticin Ung thư Orchrosia elliptica 240.000

Morphin Giảm đau Papaver somniferum 340.000

Shikonin Sát khuẩn Lithospermum erythrorhizon 4.500

Taxol Ung thư vú, phổi Taxus brevifolia 600.000

buồng trứng

Vinblastin Ung thư máu Catharanthus roseus 1.000.000

Vincristin Ung thư máu Catharanthus roseus 2.000.000

Với sự phát triển công nghệ gen thực vật nhờ phát hiện vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens gây khối u ở thực vật, việc tạo giống bằng kỹ thuật di truyền đã mở ra nhiều ứng dụng mới cho trồng trọt cũng như tạo các hợp chất thứ cấp có tác dụng sinh học cao trong các mô cấy tế bào với hàm lượng có thể ly trích được ở quy mô công nghiệp, đặc biệt là sự hình thành rễ tơ có hàm lượng các hoạt chất cao nhờ vào các kỹ thuật nuối cấy trong bioreactor và có bổ sung các tiền chất như acid jasmonic và dẫn chất (Bảng 3)

Bảng 3 Sản xuất hợp chất thứ cấp bằng kỹ thuật nuôi cấy mô rễ tơ từ một số loài cây thuốc

Họ thực vật Cây thuốc Hợp chất chính Tác dụng

Araliaceae Panax ginseng Các ginsenosid Bổ, tăng lực, chống

stress Apocynaceae Rauwolfia micrantha Ajmalicin, Ajmalin Hạ huyết áp

Asteraceae Saussurea medusa Jaceosidin Kháng ung thư

Cucurbitaceae Gynostemma

pentaphyllum Gypenosid (Saponin)

Một số tác dụng sinh học

Fabaceae Pueraria phaseoloides Puerarin Hạ nhiệt, co thắt, hạ áp,

chống loạn nhịp Ginkgoaceae Gingko biloba Ginkgolid Phòng chống bệnh tim

mạch và tuổi già Linaceae Linum favum Coniferin (Lignan) Kháng ung thư

Nyssaceae Camptotheca

acuminate Camptothecin

Kháng ung thư, kháng virus

Papaveraceae Papaver somniferum Morphin, sanguinarin,

Solanaceae Solanum

chrysotrichum Saponin Kháng virus

Verbenaceae Gmelina arborea Verbascosid

Phòng chống bệnh đau bao tử, sốt và bệnh ngoài da

Việc ứng dụng công nghệ sinh học thực vật đã đem lại nhiều lợi ích và có ý nghĩa lớn mà ta có thể minh họa 2 trường hợp rất gần gũi với nước ta sau đây:

Taxol

Nhu cầu hiện nay trên thế giới đạt tới 259 kg taxol/năm Taxol đã vào thị trường thuốc generic vào đầu những năm 90, giờ đây được sản xuất trên quy mô lớn từ nuôi cấy mô tế bào hoặc bằng

sự bán tổng hợp từ các tiền chất DAB và baccatin III và dễ dàng tách từ lá các loài thông đỏ Cho đến nay, mức thu được từ 140-295 mg/l taxol của tế bào nuôi cấy Thông đỏ Thái Bình Dương (Taxus baccata) được thương mại hóa trong sản xuất.

Nhân sâm (Panax ginseng)

Trồng Nhân sâm tối thiểu phải 4 năm mới thu hoạch rễ Sâm phải trồng trong điều kiện đặc biệt

về độ cao, độ ẩm, ánh sáng Ngoài ra phải giải quyết vấn đề bệnh hại và phải thường xuyên chuẩn bị các cánh đồng trồng sâm mới cho vụ mùa sau để đảm bảo chất lượng và sản lượng Cho đến nay, rất ít sự thay đổi trong kỹ thuật trồng ở đồng ruộng Vì vậy, áp dụng công nghệ sinh học được xem xét và thay thế cho sự phát triển Nhân sâm và nhân giống và sản xuất nguyên liệu làm thuốc Tại Hàn Quốc, một số công ty đang sản xuất rễ tơ Nhân sâm với bioreactor có dung tích 10.000 đến 20.000 lít Sản phẩm này được làm nguyên liệu cho các dạng thực phẩm chức năng và thực phẩm khác nhau trên thị trường.

Theo TS Võ Văn Chi, số loài cây thuốc ở Lâm Đồng có thể trên 1.000 loài Trong đó có nhiều loài quý, hiếm như Thông đỏ, Lan gấm, Thạch tùng răng,… đang bị thu hái hay triệt phá cạn kiệt

và được đưa vào Sách đỏ Việt Nam Vì vậy cần phải có việc tái điều tra tài nguyên cây thuốc trên địa bàn tỉnh, khoanh vùng bảo vệ và thu hái hợp lý các cây thuốc trong tự nhiên Tổ chức nhân giống và trồng các cây thuốc quý có tiềm năng và có giá trị kinh tế cao ở quy mô lớn Để thực hiện mục tiêu này, chúng ta có thể áp dụng kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào để bổ sung nguồn cây giống mà kỹ thuật nhân giống truyền thống bằng hạt hoặc bằng hom cành thường mất nhiều thời gian và hạn chế về số lượng Nhưng để phát triển được nguồn nguyên liệu làm thuốc bằng kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào, thì ngoài giá trị điều trị bệnh cao, phải là cây thuốc có giá trị kinh tế cao hơn giá trị của các loại cây trồng truyền thống của Đà Lạt như hoa và rau, quả Có như thế mới thu hút được sự quan tâm của các “nhà” ở các lĩnh vực: Quản lý, doanh nghiệp, nghiên cứu, nông dân, Vì vậy, trên địa bàn tỉnh có hai cây thuốc quý hội đủ yếu tố này là Thông đỏ lá dài (Taxus wallichiana) và Sâm Việt Nam (Panax vietnamensis) Trong đó Thông đỏ là nguồn nguyên liệu ưu thế tại chỗ, hiện nay đang được nhân giống vô tính bằng hom cành ở quy mô sản xuất nguyên liệu và từng bước bằng kỹ thuật nuôi cấy trong ống nghiệm Còn Sâm Việt Nam cũng từng được

di thực trồng ở Cam Ly, Langbiang và được các nhà khoa học ở trường Đại học Đà Lạt và Viện Sinh học Tây Nguyên nghiên cứu theo hướng nuôi cấy mô tế bào và dạng rễ tơ, tạo ra một triển vọng chủ động nguồn nguyên liệu làm thuốc theo 2 hướng: Một là nhân giống cây sâm hoàn chỉnh để trồng, hai là tạo rễ tơ để sử dụng như nguyên liệu cho các sản phẩm thực phẩm chức năng và mỹ phẩm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Phạm Thành Hổ Nhập môn Công nghệ sinh học NXB Giáo dục 2005.

2 K.G Ramawat and S Goyal (2009), Natural Products in Cancer Chemoprevention and Chemotherapy In: K.G Ramawat (Ed.), Herbal Drugs: Ethnomedicine to Modern Medicine Springer-Verlag Berlin Heidelberg , 153.

3 Kintzios S (2008) Secondary metabolite production from plant cell cultures: the success stories of rosmarinic acid and taxol In: Ramawat KG, Merillon JM (eds) Bioactive compounds and Medicinal Plants Springer, Berlin Heidelberg New York, 85.

4 Takeya K (2003) Plant tissue culture of taxoids In: Itokawa H, Lee K-H (eds) Taxus-The Genus Taxus Taylor & Francis, London, 134.

5 Y.E Choi (2007), Ginseng In: Biotechnology in Agriculture and Forestry, Vol 61 Transgenic Crops VI (ed by E.C Pua and M.R Davey) Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 149.

6 I Smetanska (2008), Production of Secondary Metabolites Using Plant Cell Cultures In: Adv Biochem Engin/Biotechnol Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 187.

Summary

Plant biotechnology has been developed over the last 30 years, whereas their application to agriculture dates to the last 10 or 15 years or so Controversies over the uses of biotechnology aside, this set of tools has potentially important applications, especially when used in conjunction with other technologies, for the production of food additives, nutraceuticals, and pharmaceuticals

The synthesis of phytochemicals by the cell cultures in contrast to these in medicinal plants is independent of environmental conditions and quality fluctuations In many cases, the combined research in the fields of establishment of in vitro cultures, targeting of metabolite synthesis, and development of technologies for product recovery can exploit the potential of plant cells as sources of secondary metabolites from the resources of medical herbs of Vietnam.

TS Trần Công Luận Trung tâm Sâm và Dược liệu Tp HCM - Việc Dược liệu

Nguồn: Kỷ yếu hội thảo quốc tế tháng 4/2010

3.1 Rễ cây

3.1.1 Hình thái ngoài của rễ

Rễ là cơ quan trục, cùng với thân tạo nên một trục thống nhất của cây Rễ

có khả năng phân nhánh cho ra các rễ bên làm tăng diện tích tiếp xúc với môitrường

Các rễ thường có hình trụ, không mang lá, gồm có 4 miền: miền chóp rễ,miền sinh trưởng, miền hấp thu và miền trưởng thành Trên rễ có chóp rễ cónhiệm vụ che chở cho mô phân sinh tận cùng của rễ khỏi bị hư hỏng và xây xátkhi rễ đâm vào đất

Rễ có nhiều kiểu khác nhau, có chức năng sinh lí khác nhau

- Rễ trụ (rễ cọc): đặc trưng cho các cây thuộc lớp Hai lá mầm, gồm có rễchính và các rễ bên Rễ chính phát triển từ mầm rễ, đâm thẳng xuống đất Rễchính là rễ cấp 1 phân nhánh ra rễ bên là rễ cấp 2, rễ cấp 2 phân nhánh tạo rễcấp 3…

Các rễ bên được hình thành theo thứ tự hướng ngọn, rễ non nhất phát sinh

ở gần đỉnh ngọn đẩy các rễ già về phía gốc rễ (cải, cà chua, chanh, mít, táo…)

- Rễ phụ: sinh ra từ thân, cành hoặc lá, chúng mọc từ thân gần đất ẩm củanhiều cây gỗ lâu năm hoặc trên thân rễ của các cây họ Lúa Ví dụ: cây đa, si,ngô, mía, tre…

- Rễ chùm: đặc trưng cho các cây thuộc lớp Một lá mầm, không có rễchính, gồm nhiều rễ con có hình dạng và kích thước tương đối đồng đều; không

có khả năng sinh trưởng thứ cấp Tất cả các rễ trong hệ rễ chùm được mọc ra từgốc thân sau khi rễ mầm chết sớm

Hình thái của rễ, chiều ăn sâu, lan rộng của rễ phụ thuộc vào điều kiệnsống và đặc tính di truyền của từng loài cây Chúng có thể phát triển theohướng đâm sâu vào lòng đất hay mọc ngang lan rộng ra xung quanh hoặc cả haihướng

Hình 3.1 Các kiểu rễ

A Rễ cọc; B Rễ chùm; C Rễ phụ ở Chi Ficus

Các miền của rễ

- Miền chóp rễ: có màu sẫm hơn các miền khác, gồm các tế bào có vách

ngoài hóa nhầy che chở cho mô phân sinh tận cùng khỏi bị hư hỏng và xây xátkhi rễ đâm vào đất

- Miền sinh trưởng: nằm ngay trên chóp rễ, là nhóm tế bào mô phân sinh,phân chia liên tục làm cho rễ dài ra Khi miền sinh trưởng bị gày thì rễ khôngdài ra nữa, tại đó mọc ra nhiều rễ con

- Miền hấp thụ: là miền quan trọng nhất của rễ có chức năng hấp thu nước

và muối khoáng, có mang nhiều lông hút sống và hoạt động trong thời giannhất định, chết và rụng đi

- Miền trưởng thành: có lớp biểu bì bao ngoài hóa bần, trong trụ có cácmạch dẫn làm chức năng dẫn truyền

Các bộ phận của thân: thân chính, cành

và sự phân cành

- Thân chính: thân gồm một thân chínhthường mọc theo hướng thẳng đứng, ngượchướng với rễ Khi còn non thân chính có màulục, khi già chuyển sang màu nâu hay xám Hình dạng, kích thước của thân chínhkhông giống nhau: ở phần lớn các loài cây,thân chính là một trụ hình nón với mặt cắttròn (thông, phi lao, nhãn…), có khi mặt cắt làhình 3 cạnh (cỏ gấu, cói, xương rồng ta…),hoặc hình vuông (tía tô, bạc hà…), hoặc hình

5 cạnh, nhiều cạnh (một số loại xương rồngnhư xương rồng ngọc lân), hoặc có loại thândẹt (xương rồng bà, thân cây quỳnh)

Có cây không có thân như mã đề, có câythân rất thấp bé chỉ vài cm, nhưng nhiều cây

có thân vừa cao vừa to như chò chỉ, bạch đànChâu Úc…

Các bộ phận của thân chính

+ Chồi ngọn: ở ngọn thân có chỗ hơi

phinh to ra, hình nón gọi là chồi ngọn Chồingọn gồm nhiều lá non phủ lên nhau che chởcho mô phân sinh ngọn ở phía trong Ở một sốloài cây, chồi ngọn được bảo vệ bởi các lákèm rụng sớm (búp đa ở cây đa) hoặc mộtphần lá non biến thành vảy bảo vệ chồi trongmùa đông giá rét, khi mùa xuân tới chồi nonmọc ra thì lá vảy rụng đi (các cây ở vùng ônđới)

+ Chồi nách: ở nách các lá dọc theo thân

có nhiều chồi nhỏ khác, cấu tạo giống như

chồi ngọn gọi là chồi nách Các chồi này phát

triển thành cành hoặc hoa

Giữa chồi ngọn và chồi nách có mốiquan hệ sinh lí phức tạp: chồi ngọn thườngkìm hãm sự phát triển của chồi nách, khi chồingọn chết thì chồi nách phát triển mạnh.

+ Chồi phụ: có thể mọc trên thân chính,

cành hoặc rễ bị chặt ngang, có khi ở cả trênthân rễ của nhiều loài cỏ Chồi phụ sẽ pháttriển thành thân hoặc cành mới Chồi phụ làhình thức sinh sản sinh dưỡng của thực vật cóhoa, có ý nghĩa quan trọng trong trồng trọt

+ Mấu và gióng

Mấu là chỗ lá dính vào thân phía dưới

chồi nách Khoảng cách giữa hai mấu liên tiếpgọi là gióng Các gióng ở phía ngọn có thể dài

ra thêm nhưng các gióng ở phía dưới của thânsau khi đạt mức độ nhất định sẽ không dài rathêm nữa

Sự tăng trưởng của cây do hoạt động của

mô phân sinh gióng gọi là sinh trưởng gióng.Như vậy thân dài ra nhờ sự sinh trưởng

ở đỉnh ngọn và sinh trưởng gióng

Ở các cây Một lá mầm (cỏ, lúa, ngô, mía,tre…) mấu và gióng tồn tại suốt đời, sinhtrưởng gióng kéo dài và làm cây dài ra

Ở các cây gỗ Hai lá mầm, đến thời kìsinh trưởng thứ cấp thì sự phân chia ra mấu vàgióng rất khó phân biệt

- Cành và sự phân cành

Cành phát triển từ chồi nách của thân

chính gọi là cành bên hay cành cấp 1, cành

bên có hình dạng, cấu tạo và sự sinh trưởng

giống như thân chính, có chồi ngọn và chồinách Các cành bên lại tiếp tục phát triển cho

ra các cấp cành khác nhau (cành cấp 2, 3, 4…)cuối cùng hình thành một tán cây

Các kiểu phân nhánh

+ Phân nhánh đôi (lưỡng phân): chồi

ngọn dược phân đôi thành hai đỉnh sinhtrưởng, mỗi đỉnh sẽ phát triển thành một cànhmới, các chồi cành được tiếp tục phân đôitheo kiểu lưỡng phân, thường gặp ở tế bào bậc

thấp như thông đất, quyển bá, tản một số tảo

+ Phân nhánh đơn trục (đơn phân): chồi

ngọn của thân phát triển thành trục chính vàtiếp tục sinh trưởng có khi đến suốt đời củacây Các cành bên được hình thành từ chồinách của thân chính, các cành này cũng pháttriển theo kiểu đơn phân (thân thông, mít…)

+ Phân nhánh hợp trục: chồi ngọn ngừng

sinh trưởng sớm hoặc chết đi, chồi nách pháttriển thay thế chồi ngọn, sau một thời gianchồi nách này lại ngừng sinh trưởng hoặc chết

đi và được thay thế bằng chồi nách sát đó.Phân nhánh hợp trục tạo thân chính rất ngắn

và trục dọc là tập hợp của nhiều trục của cáccấp cành bên thay thế liên tục (khoai tây, bíngô…)