ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU_CAY TRONG BIEN DOI GEN

Hiện nay việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống ngày càng phát triển. Việt Nam ta là một nước nông nghiệp nên việc ứng dụng khoa học vào trong sản xuất là rất cần thiết, một trong những kỹ thuật dó là ứng dụng công nghệ sinh học vào trong nông nghiệp. Hướng đi chính của việc ứng dụng này là giải quyết vấn đề tăng năng xuất, hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Cùng với sự phát triển của công nghệ sinh học thì công nghệ chuyển gen vào thực vật cũng ngày càng phát triển và được úng dụng rộng rãi. Nhiều cây trồng quan trọng chuyển gen ra đời như lúa, ngô, lúa, mì, khoai tây, bắp cải, … Các cây chuyển gen đã kháng được một số sâu bệnh, chịu hạn, kháng thuốc trừ sâu, thuốc trừ cỏ, … Các cây chuyển gen đã đạt được nhiều thành tựu và giải quyết được phần nào về vấn đề an ninh lương thực. Vì vậy việc ứng dụng công nghệ chuyển gen vào thực vật là một việc rất cần thiết vì nó đem lại hiệu quả kinh tế cao cho người nông dân.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP

HCM KHOA CN SINH HỌC & KT MÔI TRƯỜNG MÔN NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Hiện nay việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống ngày càng phát triển Việt Nam ta là một nước nông nghiệp nên việc ứng dụng khoa học vào trong sản xuất

là rất cần thiết, một trong những kỹ thuật dó là ứng dụng công nghệ sinh học vào trongnông nghiệp Hướng đi chính của việc ứng dụng này là giải quyết vấn đề tăng năng xuất, hiệu quả sản xuất nông nghiệp

Cùng với sự phát triển của công nghệ sinh học thì công nghệ chuyển gen vào thực vật cũng ngày càng phát triển và được úng dụng rộng rãi Nhiều cây trồng quan trọng chuyển gen ra đời như lúa, ngô, lúa, mì, khoai tây, bắp cải, … Các cây chuyển gen đã kháng được một số sâu bệnh, chịu hạn, kháng thuốc trừ sâu, thuốc trừ cỏ, … Các cây chuyển gen đã đạt được nhiều thành tựu và giải quyết được phần nào về vấn

đề an ninh lương thực

Vì vậy việc ứng dụng công nghệ chuyển gen vào thực vật là một việc rất cần thiết

vì nó đem lại hiệu quả kinh tế cao cho người nông dân

I. Khái niệm về cây trồng biến đổi gen 3

1 Thế nào là cây trồng biến đổi gen?

2 Tại sao phải tạo cây trồng biến đổi gen?

II. Các phương pháp tạo cây trồng biến đổi gen 6

III. Các bước phát triển đã đạt được của các cây trồng biến đổi gen 11

IV. Tình hình sử dụng cây trồng biến đổi gen trên Thế giới

và ở Việt Nam 16

V. Những bàn cãi về cây trồng biến đổi gen 19

NỘI DUNG

I. Khái niệm về cây trồng biến đổi gen

1. Thế nào là cây trồng biến đổi gen?

Cây trồng biến đổi gen (Genetically Modified Crop - GMC) là loại cây trồng được

lai tạo ra bằng cách sử dụng các kỹ thuật của công nghệ sinh học hiện đại, hay còn gọi

là kỹ thuật di truyền, công nghệ gene hay công nghệ DNA tái tổ hợp, bằng cáchchuyển một hoặc một số gene chọn lọc để tạo ra cây trồng mang tính trạng mongmuốn

Về mặt bản chất, các giống lai từ trước đến nay (hay còn gọi là giống truyền thống)đều là kết quả của quá trình cải biến di truyền Điểm khác biệt duy nhất giữa giống laitruyền thống và giống chuyển gen là gen (DNA) được chọn lọc một cách chính xácdựa trên khoa học công nghệ hiện đại và chuyển vào giống cây trồng để đem lại mộttính trạng mong muốn một cách có kiểm soát

2. Tại sao phải tạo cây trồng biến đổi gen?

 Thứ nhất

Theo phương pháp truyền thống, nhà tạo giống tìm cách tổ hợp lại các gen giữahai cá thể thực vật nhằm tạo ra con lai mang những tính trạng mong muốn Phươngpháp này được thực hiện bằng cách chuyển hạt phấn từ cây này sang nhụy hoa của câykhác

Tuy nhiên, phép lai chéo này bị hạn chế bởi nó chỉ có thể thực hiện được giữa

những kết quả mong muốn và thường là những đặc tính quan tâm lại không tồn tạitrong những loài có họ hàng gần.

Bên cạnh đó, kĩ thuật chuyển gen ở thực vật đã phát triển cùng với sự phát triểncủa các kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào thực vật Nó đã trở thành phương tiện quantrọng để nghiên cứu cơ bản trong sinh học thực vật Ngoài việc mở ra triển vọngchuyển các gen có ý nghĩa kinh tế vào cây trồng, các kỹ thuật này còn cho phép nghiêncứu cấu trúc và điều khiển hoạt động của gen

Kỹ thuật chuyển gen cho phép nhà tạo giống cùng lúc đưa vào một thực vậtnhững gen mong muốn từ những sinh vật sống khác nhau, không chỉ các gen từ thựcvật mà còn từ vi khuẩn, nấm, động vật hoặc con người được chuyển thành công vàothực vật Về nguyên tắc chỉ thay đổi vùng điều khiển gen, promoter và terminator Tuynhiên, trong một số trường hợp đòi hỏi những thay đổi tiếp theo như sự phù hợpcodon

Phương pháp hữu hiệu này cho phép các nhà tạo giống thực vật đưa ra giốngmới nhanh hơn và vượt qua những giới hạn của tạo giống truyền thống

 Thứ hai

Tại hội thảo mới đây về công nghệ sinh học do Bộ Nông nghiệp và Phát triểnNông thôn phối hợp với Đại sứ quán Hoa Kỳ tại Việt Nam tổ chức, nhiều ý kiến chorằng, trước áp lực của sự gia tăng dân số; tác động của biến đổi khí hậu; nguồn tàinguyên như đất, nước ngày càng khan hiếm, trong khi nhu cầu về lương thực ngàycàng tăng  đòi hỏi các quốc gia phải tìm kiếm các giải pháp về công nghệ sinh học

Việc ứng dụng cây trồng biến đổi gen trong sản xuất cây lương thực không chỉ

là công cụ phát hiện và chẩn đoán sớm sâu bệnh để giảm thiệt hại mà còn giúp cảithiện, nâng cao năng suất thông qua việc tăng tính chịu nhiệt, chịu hạn, chịu mặn cũngnhư giảm phụ thuộc vào nhiệt độ để kích thích quá trình ra hoa hoặc nảy mầm và pháttriển Các giống cây trồng biến đổi gen còn chịu được khả năng gieo trồng trongnhững điều kiện khắc nghiệt của thời tiết cũng như giải quyết những nhu cầu về lươngthực của nhân loại

Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ sinh học còn giúp giảm thiểu tác độngcủa biến đổi khí hậu, cụ thể sẽ giảm lượng khí thải CO2 thông qua việc giảm sử dụngthuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ trong canh tác

Người ta còn sử dụng thực phẩm chuyển gen nhằm tạo ra những thực phẩm cómột đặc tính dinh dưỡng ưu việt nào đó Hoặc cũng có khi là nhằm tổng hợp ra các chếphẩm sinh học hay các thuốc dùng trong điều trị bệnh

II. Các phương pháp tạo cây trồng biến đổi gen

Cây trồng biến đổi gen được tạo ra trong phòng thí nghiệm bằng cách thay đổicấu trúc gen của chúng Để làm được điều này, người ta dùng kĩ thuật di truyền thêmvào một hoặc nhiều gen trong bộ gen của cây trồng

Hai phương pháp phổ biến là phương pháp chuyển gen trực tiếp và chuyển gengián tiếp

1 Phương pháp chuyển gen trực tiếp

Các kỹ thuật chuyển gen trực tiếp như bắn gen bằng vi đạn(bombardement/gene gun), vi tiêm (microinjection), xung điện (electroporation),silicon carbide, điện di (electrophoresis), siêu âm (ultrasonic), chuyển gen qua ốngphấn (pollen tube)

a) Chuyển gen bằng kỹ thuật bắn gen bằng vi đạn

Ở phương pháp bắn gen, DNA hay RNA được đúc trong các hạt vàng hoặcvonfram nhỏ li ti (đường kính 1 - 4), sau đó được bắn vào mô hoặc tế bào thực vật đơndưới áp suất cao Các hạt ADN với tốc độ cao sẽ thâm nhập vào cả thành và màng tếbào Sau đó, ADN tách khỏi lớp vỏ kim loại và được tích hợp vào bộ gen thực vật bêntrong nhân tế bào

Phương pháp này đã được áp dụng thành công cho rất nhiều loại cây trồng, đặcbiệt là thực vật một lá mầm như lúa mì hoặc ngô

Ở những cây này phương pháp chuyển gen bằng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens thường ít hữu hiệu hơn do có thể gây ra những hư hỏng nghiêm trọng đối

với mô tế bào

b) Chuyển gen bằng kỹ thuật vi tiêm

- Đối tượng: các loài cây mà việc nuôi cấy cơ thể có thể tạo ra quần thể các tế bàotrần có tính toàn năng cao, các tế bào tiền phôi của hợp tử hay hạt phấn

- Là chuyển gen trực tiếp vào tế bào protoplast hoặc tb đơn ( chưa hình thành vỏcứng) bằng cách sử dụng vi tiêm nhỏ, kính hiển vi, máy vi nhu động và các thao tác

- Nguyên tắc của phương pháp này là một lượng nhỏ DNA được tiêm trực tiếp vàonhân tb phôi trần hoặc tế bào nguyên vẹn một cách cơ học dưới kính hiển vi

- Phương pháp này cho phép đưa gen vào đúng vị trí mong muốn ở từng tế bào vớihiệu quả tương đối cao

+ Có thể chuyển gen hầu hết các tb, mô

+Quá trình chuyển gen nhanh, đơn giản

về mặt kĩ thuật, thao tác đơn giản

+ Có thể xử lí một lượng tế bào lớn

trong thời gian ngắn

+ Các vecto mang gen tái tổ hợp đơn

giản và chỉ cần một lượng vecto nhỏ

+ Biểu hiện tạm thời của gen biến nạp có

thể quan sát thấy trong vòng vài ngày

+ Tần số biến nạp biểu hiện thấp

Ưu điểm Nhược điểm+ Có thể tối ưu lượng DNA đưa vào tế bào

+ Quyết định được đưa DNA vào loại tế

bào nào

+ Có thể đưa ra một cách chính xác thậm

chí vào tận nhân và có thể quan sát được

+ Các tế bào có cấu trúc nhỏ như hạt phấn

và tb tiền phôi mặc dù hạn chế về số

lượng cũng có thể tiêm chính xác mà các

kĩ thuật khác không thể thực hiện được

+ Có thể nuôi riêng lẻ các tế bào vi tiêm

và biến nạp vào mọi giống cây

+ Mỗi lần biến nạp chỉ đưa được DNA vào 1 tế bảo duy nhất, do vậy tốn nhiều thời gian và công sức

+ Chỉ có thể thực hiện được bởi các kĩ thuật viên có kỹ năng cao

+ Đòi hỏi thiết bị tương đối đắt tiền

c) Chuyển gen bằng kỹ thuật siêu âm

- Đối tượng: tế bào có kích thước hiển vi hoặc khi cần đưa DNA vào vị trí chính xáctrong tế bào

- Kỹ thuật này dùng sóng siêu âm để chuyển gen vào tế bào trần

- Sau khi tạo protoplast, ta tiến hành trộn protoplast với plasmid chứa gen mongmuốn tạo dung dịch huyền phù

- Tiến hành cắm đầu máy siêu âm vào dung dịch huyền phù khoảng 3mm và cho máyphát với tần số 20 kHz, thời gian 600-900 ms

- Sóng siêu âm làm cho lớp màng protoplast biến đổi tạo ra các lỗ giúp cho DNAngoại lai xâm nhập vào tế bào

+ Chuyển được lượng protoplast nhiều

+ Không độc hại đối với tế bào + Giá thành thiết bị tương đối cao+ Đòi hỏi kỹ thuật cao

2 Phương pháp chuyển gen gián tiếp

a) Chuyển gen gián tiếp nhờ vi khuẩn Agrobacterium

 Agrobacterium là kí sinh trùng thực vật tự nhiên, khả năng chuyển gen vốn

có của chúng đã góp phần cung cấp phương pháp cho sự phát triển của thực vật biến

đổi gen Để tạo ra môi trường sống thích hợp cho mình, các vi khuẩn Agrobacterium

chèn gen của chúng vào thân cây chủ, làm tăng nhanh tế bào thực vật ở gần mặt đất(tạo khối u sần sùi)

Thông tin di truyền cho sự tăng trưởng của khối u được mã hóa trên một đoạnADN vòng có khả năng nhân bản độc lập gọi là Ti-plasmid (trên Ti-plasmid có đoạn T-ADN) Khi một vi khuẩn lây nhiễm vào thân cây, nó chuyển đoạn T-ADN này đến một

vị trí ngẫu nhiên trong hệ gen của cây đó Điều này được ứng dụng trong công nghệ ditruyền bằng cách lấy đoạn gen vi khuẩn T-ADN ra khỏi các plasmid vi khuẩn và thaythế bởi các gen mong muốn bên ngoài

Các vi khuẩn Agrobacterium sau đó hoạt động như một vector chuyển tải các

gen ngoại nhập vào trong thân cây

Ưu điểm Nhược điểm+ Gen ít bị đào thải

+ Số lượng bản sao ít hơn Do đó tránh

được hiện tượng ức chế lẫn nhau và câm

lặng lẫn nhau

+ Tồn tại bền vững trong cơ thể thực vật

do sự phụ thuộc chặt chẽ vào hệ thống

protein Vir, còn ở những phương pháp

khác gen mục tiêu được tái tổ hợp chuyên

biệt nhờ 2 trình tự IS 2 đầu nhưng dễ dàng

bị tách ra ngay sau đó

+ Có phổ tấn công giới hạn+ Gây khối u cho cả cây khỏa tự và cây 2

lá mầm nhưng lại không gây khối u ở cây

1 lá mầm

b) Chuyển gen bằng gián tiếp nhờ virut

Chuyển gen nhờ virut có thể thuận lợi do virut dễ xâm nhập và lây lan trong cơthể thực vật và động vật, đồng thời virut có thể mang đoạn DNA lớn hơn nhiều so vớikhả năng của Plasmid

Tuy nhiên, virut làm plasmid phải có các tiêu chuẩn sau:

+ Hệ gen của virut phải là DNA

+ Có khả năng mang được đoạn DNA mới, sau đó chuyển gen này vào tế bào thực vật+ Có phổ kí chủ động

+ Không gây tác hại đáng kể cho thực vật

Hiện nay có 2 loại virut được dùng làm vector chuyển gen là caulimovirus vàgeminivirus Tuy nhiên việc sử dụng virut để chuyển gen ở thực vật còn ít được sửdụng vì DNA virut khó ghép nối với hệ gen của thực vật

3 Quá trình chuyển gen

Ở thực vật chuyển gen, sản phẩm cuối cùng thường không phải là tế bào biếnnạp, mà là một cơ thể biến nạp hoàn toàn Phần lớn thực vật được tái sinh dễ dàngbằng nuôi cấy mô tế bào Tuy nhiên, tái sinh cây một lá mầm như ngũ cốc và các loại

cỏ khác cũng gặp một vài khó khăn Từ một tế bào biến nạp duy nhất người ta có thểtạo ra một cây chuyển gen, trong đó mỗi tế bào mang DNA ngoại lai và tiếp tụcchuyển cho thế hệ sau sau khi nở hoa và tạo hạt

Quá trình chuyển gen được thực hiện qua các bước sau :

- Xác định gen liên quan đến tính trạng cần quan tâm

- Phân lập gen (PCR hoặc sàng lọc từ thư viện cDNA hoặc từ thư viện genomic DNA)

- Gắn gen vào vector biểu hiện (expression vector) để biến nạp

- Biến nạp vào E coli

- Tách chiết DNA plasmid

- Biến nạp vào mô hoặc tế bào thực vật bằng một trong các phương pháp khác nhau đã

kể trên

- Chọn lọc các thể biến nạp trên môi trường chọn lọc

- Tái sinh cây biến nạp

- Phân tích để xác nhận cá thể chuyển gen (PCR hoặc Southern blot) và đánh giá mức

độ biểu hiện của chúng (Northern blot, Western blot, ELISA hoặc các thử nghiệm invivo khác )

Từ năm 1980, nhờ vượt qua khó khăn kỹ thuật, chuyển gen ở thực vật đã cónhững bước tiến ngoạn mục và đã đạt đến thế hệ thứ ba

1. Cải thiện giống cây trồng

Bước phát triển đầu tiên của các thực vật chuyển gen là đưa vào các giống cây

trồng các đơn gen như kháng thuốc diệt cỏ (herbicide) và kháng bệnh.

Gần đây có các nỗ lực hướng vào sự chuyển đa gen.

Các phương pháp khác nhau được ứng dụng nhằm:

Vô hiệu hóa sự nhiễm virus vào cây trồng để có kiểu hình kháng virus tương ứng.

Cây đu đủ chuyển gen

Giống đu đủ GM kháng được bệnh đốm vòng do virus có tên là PRSVV (Papayaringspot virus) gây ra làm hại nhiều bộ phận khác nhau của đủ đủ, từ lá, quả, thân chođến cuống lá

Cây bí đỏ chuyển gen

Bí đỏ được biến đổi gen kháng virus đặc biệt là virus khảm dưa hấu (WMV) và viruskhảm vàng zucchini (ZYMV)

Tạo giống cây kháng bệnh nấm như ở thuốc lá và cải dầu (Brassica napus) kháng

Chuyển gen Bt của Bacillus thuringiensis vào cà chua, thuốc lá, bông vải giúp

kháng sâu hại, côn trùng

Tạo sắc tố ở các thực vật chuyển gen

Sắc tố của hoa chủ yếu do 3 nhóm chất: flavonoid, carotenoid và betacyanin.Nhiều gen tạo flavonoid đã được tạo dòng và đang tìm nhiều cách khác nhau cho biểuhiện ở thực vật

2. Biến đổi chất lượng thực phẩm của cây trồng

Đây là bước phát triển lớn thứ hai của thực vật chuyển gen và đã thành công

trong biến đổi hàng loạt tính chất như tăng amino acid có giá trị (lysine, methionine,cysteine), lipid tốt hơn, tăng lượng vitamin, độ ngọt, chất bột, …

 Năm 1988, 2 nhóm các nhà khoa học đã sử dụng antisense RNA làm cho cà chua chín

chậm và khó bị dập hơn khi vận chuyển.

Phương pháp antisense RNA dựa trên sự biểu hiện của phân tử RNA, bổ sung với sản phẩm phiên mã của một gen, làm cho mRNA bất hoạt và không thể dịch mã cho protein

Từ một RNA bổ sung chúng có thể tạo nên mạch kép Mạch kép RNA được phân giải rất hiệu quả bằng một số enzyme xác định tương tự RNase H của retrovirus, qua đó sự phiên mã và tổng hợp protein bị đình trệ

Khi RNA tổng hợp tồn tại với một lượng lớn hơn sản phẩm phiên mã bình thường thì sự biểu hiện của gen này bị giảm rất mạnh hoặc đình chỉ hoàn toàn Một

ứng dụng nổi tiếng của phương pháp antisense là tạo ra cà chua FlavrSaver

Trong lĩnh vực sử dụng thực vật biến đổi gen làm thực phẩm thì phương pháp antisense có một ưu điểm lớn về sự an toàn, vì không có protein ngoại lai được tạo ra trong tế bào mà chỉ có một phân tử RNA nhỏ Điều này hoàn toàn tin tưởng, vì con người hằng ngày tiếp nhận một lượng rất lớn RNA không có hại cùng với thực phẩm

 Thực vật sản xuất vaccine

Thực vật sản xuất vaccine đã thu được kết quả đầu tiên ở khoai tây, tiếp theo là

ở chuối và gần đây ở cà chua.

Người ăn chuối có vaccine sẽ khỏi

phải tiêm vào cơ thể và 1 hướng phát triển

mới hình thành là ăn trị bệnh,còn gọi là

dinh dưỡng dược (nutriceutical)

 “Lúa vàng” (Golden rice) - Giống lúa cho

hạt gạo giàu beta – carotene có màu vàng

em mắc phải căn bệnh này, lý do chính là bị thiếu vitamin A

 Ngoài ra, kỹ thuật di truyền còn có thể cải thiện thành phần protein của thực vật hay loại bỏ các độc tố của thực phẩm

Thực vật sản xuất các loại hóa chất đặc biệt

 Dầu nhờn công nghiệp

Đã tạo ra nhiều giống cải dầu (Brassica napus) chuyển gen làm biến đổi thành phần

các acid béo để có nhiều ứng dụng rộng rãi hơn

Sản phẩm hạt Ứng dụng thương mại

1. 40% Stearic acid Bơ thực vật (Margarine), bơ cocoa

2. 40% Lauric Chất tẩy rửa (Detergents)

3. 60% Lauric Chất tẩy rửa

4. 80% Oleic Thực phẩm, dầu bóng (lubricants), mực in

5. 40% Myrystate Chất tẩy rửa, xà phòng, mĩ phẩm

6. 90% Erucic Polymer, mĩ phẩm, mực in, dược phẩm

7. Ricinoic Dầu bóng, mĩ phẩm, dược phẩm, chất tạo plactic

 Chất dẻo plastic

Cây Arabidopsis mang gen vi khuẩn sản xuất chất dẻo polyhydroxybutyrate (PHB) là

chất dự trữ ở vi khuẩn

 Các protein trị liệu

Đã tạo ra các thực vật sản xuất enkaphalin ở cây cải dầu làm chất giảm đau,

serum albumin ở khoai tây để tăng máu.

Các gen của globine máu được đưa vào cây thuốc lá

Gần đây đã tạo được giống lúa biểu hiện các r – protein người là lysozyme và lactoferrin, hứa hẹn có thể sản xuất hàng tấn  Các thực vật có thể sẽ cung cấp nhiều protein quan trọng cho việc chữa trị các bệnh ở người, kể cả máu

Xu hướng hiện nay là chú trọng chuyển gen người vào thực vật do nhiều lợi điểm:

 Có thể trồng với quy mô lớn nhờ năng lượng mặt trời, ít tốn kém hơn