Ứng dụng công nghệ ADN tái tổ hợp trong nông nghiệp

Ứng dụng trong nông nghiệp Có thể nói nông nghiệp là một lĩnh vực được ứng dụng rộng rãi nhất của công nghệ ADN tái tổ hợp vì nó không hội, xóa đói giảm nghèo, đảm bảo an ninh lương thực

ViỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Đề tài: Ứng dụng công nghệ ADN tái tổ

hợp trong nông nghiệp

Nội dung

1 Khái niệm về ADN tái tổ hợp

2 Ứng dụng của công nghệ ADN tái tổ

hợp trong nông nghiệp

3 Kết luận

1.Khái niệm chung

● Công nghệ ADN tái tổ hợp là tập hợp các kỹ thuật tạo nên các phân tử ADN tái tổ hợp để nhằm đưa các gen mong muốn vào các tế bào hoặc cơ thể sống

● Công nghệ ADN tái tổ hợp bao gồm 3 bước chính:

* Tạo ADN tái tổ hợp

* Chuyển ADN tái tổ hợp vào tế bào nhận

* Tách dòng chứa ADN tái tổ hợp

2 Ứng dụng trong nông nghiệp

Có thể nói nông nghiệp là

một lĩnh vực được ứng dụng

rộng rãi nhất của công nghệ

ADN tái tổ hợp vì nó không

hội, xóa đói giảm nghèo, đảm

bảo an ninh lương

thực,…trong nước cũng như

trên thế giới

chín muộn

2.1.Tạo cây trồng tăng hàm lượng protein

● Chuyển gen mã hóa cho các

enzym chuyển hóa pyrophosphat

thành β- caroten  Gạo có hàm

lượng β- caroten giải quyết vấn

đề thiếu VITAMIN A cho con

người

● Chuyển gen mã hóa protein

chứa nhiều methionin vào đậu

tương và ngô  Tăng loại

protein giầu methionin lên hơn 8

% trong tổng số protein có trong

hạt

HÌNH HẠT GẠO TM (phải)

2.2.Chuyển gen tạo cây sản xuất protein động vật

● Gen tổng hợp Lactoferrin là một protein có trong

sữa người, được chuyển vào khoai tây, lúa và thu được

cây khoai tây, lúa có khả năng tổng hợp lactoferrin

HÌNH ẢNH KHOAI TÂY GIÀU PROTEIN

● Chuyển nhiều gen tổng hợp

các protein có tác dụng như

các kháng nguyên vào các đối

tượng như rau, đậu, cây ăn

quả Do vậy các cây này tạo ra

các VACXIN

 Sản xuất ra các “ THỰC

PHẨM CHỨC NĂNG”

THỰC PHẨM CHỨC NĂNG

 Màu sắc hoa, đặc biệt là hoa có những màu xanh, nhung đen rất có giá trị Trong mô của cánh hoa, nhất là các tế bào biểu bì thường

chứa các sắc tố tạo màu sắc hoa

 Có 3 nhóm anthocyanin cơ bản được phát hiện là dẫn xuất của các chất pelargonidin, cyanidin và delphinidin

 Các sắc tố là dẫn xuất của

◦ Pelargonidin: thường có màu da cam, hồng và đỏ

◦ Cyanindin: có màu đỏ hoặc màu hoa cà

◦ Delphinidin: có màu tía, màu xanh và màu xanh đen

 Sự phối hợp của 3 nhóm althocyanin này tạo ra phổ màu sắc hoa rất rộng Trên cơ sở biết các gen mã hóa cho các enzym tham gia vào biến đổi sắc tố, người ta đã chuyển gen mã hóa, or gen ức chế hoạt động của các enzym nhằm điều khiển hướng chuyển hóa sắc tố, từ

đó tạo ra hoa có màu sắc khác nhau

Hoa hồng chấm bi

Nhóm nghiên cứu trồng hoa dưới sự dẫn

dắt của giáo sư Winston Davies – một

chuyên gia danh tiếng trong ngành vi

sinh vật và hóa sinh học thực vật – đã

phát triển một giống hoa hoàn toàn mới:

hoa hồng trắng chấm bi hồng

Bí quyết của sự diệu kì này là làm sao

để các ADN của thực vật có thể sản sinh ra nhiều mảng màu sắc mà chúng

ta chưa từng thấy trong tự nhiên Điều

đó phụ thuộc vào việc sử dụng công nghệ tái tổ hợp, trong đó các phân tử ADN từ các nguồn khác nhau được kết hợp lại thành một phân tử để tạo ra một bộ gen mới hoàn toàn

Hoa hồng… bảy sắc cầu vồng

Giống hoa hồng bảy sắc cầu vồng này

đã được nuôi cấy và phát triển ở

“Vương quốc hoa hồng” Hà Lan

 Giống hoa hồng xanh đầu tiên của Tập đoàn Florigene, Australia được tạo ra nhờ công nghệ gen, chuyển gen quy định sắc tố xanh Delphinidin của hoa violet sang hoa hồng và loại bỏ các sắc tố đỏ và cam

 Gen Delphinidin không tồn tại ở hoa hồng tự nhiên Hoa hồng xanh được phát triển thành công lần đầu tiên vào năm 2004 (kết quả sau

20 năm nghiên cứu )

Chuyển gen mã hóa

chalcone synthase (CHS)

flavonoid-3',5'-hydroxylase (F3'5'H) dihydoflavonol-4-reductase (DFR) flavanon-3-hydroxylase (F3H)

Người ta đã dùng vi khuẩn

Bacillus thutingiensis (Bt)

sản xuất ra protein chống

côn trùng Vi khuẩn này đã

làm chết hàng loạt sâu tơ,

sâu róm

 Gen độc tố Bt

 Quá trình xâm nhập và gây độc

của Bacillus thuringiensis

Các ứng dụng của Bacillus

thuringiensis với cây trồng

+ Viện sinh học nhiệt đới đã

"cấy" thành công gen độc tố

Bt vào cây lúa, giúp lúa

kháng lại sâu đục thân màu vàng

 Các nhà khoa học đã sàng lọc một cách mở rộng đối với những dòng Bt tự nhiên

 Họ đã chọn được một dòng dẫn ra một gen-gen đó có hiệu quả chống lại loài gián cánh cứng khoai tây

colorado

 Chuyển gen chịu lạnh

Một loai gen chống giá rét lấy từ cá nước lạnh đã được cấy vào một số cây trồng

 Cây trồng có thể chịu được nhiệt độ thấp

Bông chuyển gen

chống lạnh

Walworth đã phân lập được gen kích hoạt sự thể hiện của những gen khác liên quan đến chống chịu lạnh và giá rét từ giống Bluecrop Gen được phân lập này (BB-CBF) được chuyển nạp vào giống Legacy (nhiễm lạnh) nhờ phương pháp chuyển nạp thông qua vi khuẩn

Agrobacterium-mediated transformation

 Một nhóm khoa học gia Trung Quốc, đã phát triển thành công giống thuốc lá biến đổi gen chống chịu lạnh biểu hiện tốt

protein đông giá( AFP) của bọ cánh cứng

 Tạo ra cây trồng có khả năng chịu thời kì hạn hán dài ngày hoặc lượng muối cao trong đất và nước ngầm sẽ giúp ích rất nhiều cho nông dân

Lúa biến đổi gen trồng trên đất mặn cho năng suất cao

=> Tạo ra những giống cây có khả năng sinh trưởng tốt nhờ chống được các loại sâu hại hay ở vùng đất khô hạn, độ mặn cao hay khí hậu lạnh giá đã giúp tăng năng suất cây

trồng

• Cỏ dại cạnh tranh với cây trồng lấy nước, chất dinh dưỡng, ánh sáng , nơi cư trú côn trùng sâu bọ

• Để kiểm soát cỏ dại bằng cách cầy sới, nhổ cỏ, phun thuốc trừ sâu

• Tuy nhiên nó làm xói mòn lớp đất bề mặt, ô nhiễm nước ngầm, chết VSV và ảnh hưởng sức khỏe con người

• Tạo giống cây trồng kháng thuốc diệt cỏ là một biện pháp hữu hiệu

 Ngăn cản không cho cây hấp thu thuốc diệt cỏ

 Vô hiệu hóa các enzym kích hoạt của thuốc diệt cỏ

 Ức chế tác động của thuốc diệt cỏ đối với các protein mục tiêu trong cây trồng

 Kích thích protein mục tiêu kháng lại thuốc diệt cỏ của cây trồng

• Đưa vào cây trồng một loại gen

của khuẩn đất tạo ra EPSPS

chịu được glyphosate hoặc gen

khuẩn đất làm suy biến

glyphosate

• Glufosinate chứa thành phần kích hoạt phosphinothrcin tiêu diệt thực vật bằng cách phong toả enzim chịu trách nhiệm trong quá trình chuyển hoá nitơ và giải phóng chất độc amoniac, một dẫn xuất của quá trình chuyển hoá của thực vật

• Cây trồng được biến đổi gen chịu được glufosinate có chứa một gen vi khuẩn tạo ra loại enzim giải phóng chất phosphinothrcin và ngăn chặn chúng không bị phá huỷ

• Chủ yếu giống thuộc nhóm này được áp dụng ở đậu tương, ngô, bông

 Chất L-PPT ngăn cản men glutamine syntherase tổng hợp glutamine, dẫn đến tích lũy ammonia quá nhiều gây ngộ độc cho cây

 Chuyển gen kháng PPT vô hiệu hóa men chất L-PPT giúp cây sống khi phun thuốc

 Đối với lúa, IRRI đã thành công trong việc

chuyển gene PPT để tạo giống lúa kháng thuốc trừ cỏ

 Tại Việt Nam, đã sử dụng vi khuẩn

Agrobacterium tumefaciens dòng LBA 4404

chuyển gen PPT sang giống Nàng Thơm Chợ Đào, Một Bụi kháng thuốc trừ cỏ Basta TM

(Nguyễn Hữu Hổ, 2005)

 Kỹ thuật chuyển gen dựa trên RNAi (RNA can thiệp)

 Các bước chính:

1. Thiết kế các vector chuyển gen mang cấu trúc RNAi

2. Biến nạp vector chuyển gen mang cấu trúc RNAi vào

cây trồng thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens để làm bất hoạt các mRNA của virus gây bệnh

3. Sàng lọc các cây chuyển gen mang cấu trúc RNAi và

kiểm tra tính kháng thuốc của các cây chuyển gen

Đu đủ chuyển gen kháng virus gây

bệnh đốm vòng

(papaya ringspot virus- PRST)

Ớt , cà chua chuyển gen kháng cucumber mosaic virus

Ở Việt Nam tạo đc cây thuốc lá kháng virus

khảm dưa chuột (CMV), kháng virus khảm

thuốc lá (TMV)

• Thí nghiệm chuyển gen được thực hiện

theo phương pháp Topping có cải tiến

• Sử dụng 30 mảnh lá thuốc lá biến nạp

tương ứng mỗi cấu trúc của CMV và TMV

• Sau các giai đoạn nuôi cấy và chọn lọc đc

48 dòng cây sống sót để đánh giá tính

kháng virus

• Kết quả 31/48 dòng cây kháng CMV hoàn

toàn, 42/48 dòng cây kháng TMV hoàn

toàn

 Ngoài ra còn rất nhiều các loại cây trồng chuyển gen kháng virus khác đang trong giai đoạn khảo nghiệm để công nhận giống cây trồng thương mại như:

• Ngô chuyển gen kháng Mastrevirus

• Lúa chuyển gen kháng Tungrovirus

• Khoai lang chuyển gen kháng potyvirus

• Khoai tây kháng Begomovirus

Chín là một giai đoạn bình thường trong quá trình trưởng thành của rau và quả Quá trình chỉ xảy ra

mạnh mẽ vài ngày trước khi rau và quả có thể ăn

được Sự chín không thể tránh khỏi này gây thiệt hại không nhỏ cho cả nông dân và người tiêu dùng

Các nhà khoa học đã nghiên cứu để tìm ra phương pháp làm chậm quá trình chín của quả giúp nông

dân có thể chủ động tiêu thụ nông sản và đảm bảo cho người tiêu dùng có thể sử dụng những sản

phẩm còn tươi

 Ethylene: là một hormone thực vật tự nhiên liên quan đến quá trình sinh trưởng, phát triển, chín và sự lão hóa của thực vật

Người ta cho rằng phytohormone này thúc đẩy quá trình chín của rất nhiều loài quả như: chuối, dứa, cà chua, xoài, dưa hấu và đu

đủ Nó được tạo ra ở nhiều nồng độ khác nhau phụ thuộc vào

nhiều loại quả Nhưng khi nồng độ ethylene đạt từ 0,1 đến 1,0 ppm (Phần triệu) thì bắt đầu xảy ra quá trình chín của quả vùng nhiệt đới Quả vùng nhiệt đới thường được thu hoạch một lần khi chúng đạt được đọ trưởng thành nhất định, và sau đó chúng chín rất nhanh trong khi vận chuyển và bảo quản Các loại quả nhiệt đới quan trọng như: chuối, xoài, dứa, đu đủ và ổi là những

ví dụ Các loại quả không thuộc vùng nhiệt đới thì không chín

ngay sau khi thu hoạch Do đó, để đạt được độ chín và hương vị của quả, thì những quả như: dâu tây và cam thường được thu hoạch một lần sau khi chúng đã chín hoàn toàn

 Ở cà chua, mất khoảng 45 đến 55 ngày để quả trưởng thành hoàn toàn, sau đó nó bắt đầu quá trình chín Sản phẩm

ethylene trong quả là tín hiệu cho hoạt động của nhiều loại

enzyme khác nhau dẫn đến những thay đổi sinh lý như: quả thay đổi màu sắc từ xanh sang đỏ, mềm và có mùi vị khác

nhau

vận chuyển đến những nơi cần thiết, rau quả được làm chín bằng phương pháp phun khí ethylene Đối với những chuyến hàng vận chuyển dài ngày, rau quả được làm lạnh để giảm

thiệt hại và làm chậm quá trình chín

Tuy nhiên, trên thực tế, có một vài trở ngại sau khi thu hoạch

lượng và quả được vận chuyển trong thời gian dài dưới điều kiện bảo quản lạnh cũng có khuynh hướng giảm chất lượng

 Các nhà khoa học có thể sử dụng một vài phương pháp

để điều khiển quá trình chín chậm bằng công nghệ biến đổi gen

Điều khiển sự tổng hợp ethylene:

Lượng ethylene tạo ra có thể được điều khiển bằng

cách “đóng” hoặc làm giảm sự tạo ethylene trong quả, theo một số cách sau đây:

 a Ức chế sự biểu hiện của gen ACC synthase ACC (1-aminocyclopropane-1-carbonxylic

acid) synthase là enzyme chịu trách nhiệm

chuyển hóa S-adenosylmethiomine (SAM)

thành ACC; từ bước thứ hai tới bước cuối

cùng trong quá trình sinh tổng hợp

ethylene Sự biểu hiện của enzyme bị cản trở khi một antisense (“ảnh trong gương”) hoặc một đoạn của bản sao gen synthase được

chuyển vào trong genome của thực vật

 b Chuyển gen ACC diaminase Gen mã hóa cho enzyme này nhận được từ một vi khuẩn đất (Pseudomonas chlororaphis) không gây bệnh Vi khuẩn này có khả năng chuyển hóa ACC thành một phân tử khác, nhờ vậy làm giảm lượng ACC có thể nhận được để tạo ethylene

 c Chuyển gen SAM hydrolase Phương pháp này cũng tương tự như ACC diaminase, bằng cách giảm tiền chất của ethylene Trong

trường hợp này, SAM được chuyển hóa thành homoserine Gen mã hóa cho enzyme này

được phân lập từ thể thực khuẩn E Coli T3

 d Ức chế sự biểu hiện của gen ACC oxidase ACC oxidase là enzyme xúc tác cho sự oxi hóa ACC thành ethylene, bước cuối cùng

trong con đường sinh tổng hợp ethylene

Thông qua công nghệ anti-sense, giảm sự điều khiển gen ACC oxidase dẫn đến ức chế

sự hình thành ethylene, do đó làm chậm sự chín của quả

Điều khiển việc nhận ethylene:

 Khi ethylene có tín hiệu bắt đầu cho việc chín quả, việc làm chậm quá trình chín có thể đạt được bằng cách biến đổi thụ thể của ethylene Gen ETR1 là một ví dụ, nó mã hóa cho protein liên kết ethylene Ở thực vật ETR1 là một ví

dụ, nó mã hóa cho protein liên kết ethylene

Ở thực vật ETR1 được biến đổi thì mất khả

năng phản ứng với ethylene

 Enzyme polygalatuonae (PG) chịu trách nhiệm cho việc phân giải pectin, chất duy trì độ

cứng cho thành tế bào thực vật Việc phân

giải pectin xảy ra lúc bắt đầu quá trình chín, làm cho mềm quả Để tạo ra quả DR bằng

phương pháp này, các nhà khoa học đã

chuyển gen antisene hoặc một đoạn bản sao của gen PG vào trong geome của thực vật dẫn đến sự ức chế tạo ra enzyme PG

 -Thời hạn sử dụng sản phẩm tăng lên mang lại lợi ích cho

cả người sản xuất và người tiêu dùng

 - Bảo đảm về chất lượng rau quả trên thị trường Giờ đây, nông dân có thể chờ rau quả trưởng thành đầy đủ mới thu hoạch Người tiêu dùng có thể mua được hàng hóa tốt với giá tiền phù hợp

 - Nông dân yên tâm khi vận chuyển sản phẩm của mình trong một khoảng thời gian dài mà không cần phải bảo quản lạnh

 - Giảm thiệt hại sau thu hoạch Quả DR có độ cứng cao hơn quả thông thường do đó nó không bị bầm dập trong quá trình vận chuyển và thời gian lưu thông trên thị

trường lâu hơn

 - Kéo dài thời hạn sử dụng nhưng rau quả vẫn tươi ngon

 Cây trồng GM lần đầu tiên được chấp nhận trên thị trường là cây cà chua

Flavr-Savr TM được tạo ra bởi công ty Calgene, Hoa Kỳ vào năm 1994 Sau khi tiến hành nghiên cứu công nghệ DR và các sản phẩm của nó, các

cơ quan quản lý của Hoa Kỳ đã kết luận rằng

côngnghệ DR là an toàn, cà chua rạo ra nhờ

công nghệ này có thành phần dinh dưỡng giống như cà chua thông thường và không có sự sai

khác về mức độ dị ứng cũng như độc tố so với

quả bình thường Ngoài ra, các thử nghiệm đồng ruộng cho thấy cà chua DR không gây ra bất kỳ một sự đe dọa nào tới những thực vật và những sinh vật có ích khác

 Sau đó, những cây cà chua DR khác cũng được châp snhận ở Hoa Kỳ, Canada và Mexico Năm 1996, các nhà quản lý an toàn thực phẩm ở Anh đã đưa ra lời tuyên bố đồng ý cho triển khai cà chua DR của công

ty Zeneca Seeds, nhưng hiện nay sản phẩm này

không được bán trên thị trường

Sản phẩm chuyển gen được thương mại hóa lần đầu tiên tại Châu Âu Ngày 5 tháng 2 năm 1996, các chi nhánh của siêu thị Safeway và Sainsbury ở Anh đã bắt đầu bán cà chua pureé được tạo ra bằng công nghệ biến đổi gen Đó là lần đầu tiên thức ăn biến đổi gen được bán ở Châu Âu

Nhãn hiệu trên đồ hộp đã chỉ rõ đây là sản phẩm

được tạo ra từ cà chua biến đổi gen Mặc dù không

có một yêu cầu pháp lý nào phải dãn nhãn sản

phẩm, nhưng ca 2 siêu thị này đều đã thực hiện

chính sách thông tin mở Vì sự hiếu kỳ của khách hàng nên các thông tin về sản phẩm, lợi ích của nó tới môi trường và người tiêu dùng, côngnghệ và các quá trình kiểm soát sản phẩm đã được lan rộng

 Theo các siêu thị này, 80 cửa hàng bán sản phẩm là

sự khởi đầu tốt đẹp Theo tính toán cho thấy người mau rất ưa thích sản phẩm và ngày càng quay lại

nhiều hơn Tháng 11 năm 1997, cửa hàng của

Safeway đã thống báo rằng họ đã bán được ¾ triệu hộp sản phẩm, trung bình mỗi cửa hàng đã bán số sản phẩm GM vượt quá lượng sản phẩm truyền

thống Một lý do có thể do giá cả: sản phẩm purée mới giá 29 cent cho 170gam trong khi sản phẩm

truyền thống giá 29 cent cho 142 gam

 Cả hai hệ thống siêu thị này tin rằng sản phẩm mới

có thể luôn luôn được bán cùng với các sản phẩm truyền thống Điều này có thể làm tăng lượng khách

sử dụng sản phẩm purée, sản phẩm là an toàn và

người tiêu dùng có thể đưa ra nhiều sự lựa chọn

Tuy nhiên, các sức ép thương mại được tạo ra bởi lo ngại về tính an toàn của thức ăn GM đầu năm 1999, làm cho Sainbury thông báo rằng nó sẽ ngừng bán các sản phẩm này Và các kho dự trữ đã cạn kiệt

trước tháng 7 năm 1999