Đang tải... (xem toàn văn)
công nghệ biến đổi gen ở thực vật -ứng dụng của thực vật biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm
MỤC LỤC 1. Giới thiệu chung Trước đây, để tạo một giống mới các nhà tạo giống thường sử dụng phương pháp truyền thống để tổ hợp lại các gen giữa hai cá thể thực vật tạo ra con lai mang những tính trạng mong muốn. Phương pháp này được thực hiện bằng cách chuyển hạt phấn từ cây này sang nhụy hoa của cây khác. Tuy nhiên, phép lai chéo này bị hạn chế bởi nó chỉ có thể thực hiện được giữa các cá thể cùng loài (lai gần), lai giữa những các thể khác loài (lai xa) thường bị bất thụ do đó không thể tạo ra con lai được. Tuy nhiên, lai gần cũng phải mất nhiều thời gian mới thu được những kết quả mong muốn và thông thường những tính trạng quan tâm lại không tồn tại trong những loài có họ hàng gần nhau. Ngày nay, công nghệ chuyển gen cho phép nhà tạo giống cùng lúc đưa vào một loài cây trồng những gen mong muốn có nguồn gốc từ những cơ thể sống khác nhau, không chỉ giữa các loài có họ gần nhau mà còn ở những loài rất xa nhau. Đó là cây trồng biến đổi gen (cây trồng chuyển gen). TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ BIẾN ĐỔI GEN Ở THỰC VẬT ỨNG DỤNG CỦA THỰC VẬT BIẾN ĐỔI GEN TRONG LĨNH VỰC THỰC PHẨM Giảng viên hướng dẫn: TS. TRẦN BÍCH LAM Học viên thực hiện: ĐỖ THỊ THANH LOAN 13111015 NGUYỄN THỊ VINH 13111035 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2014 MÔN: HÓA SINH THỰC PHẨM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm 2. Các khái niệm 2.1 Khái niệm thực vật biến đổi gen (thực vật chuyển gen) Thực vật biến đổi gen là là thực vật mà vật liệu di truyền của nó được biến đổi theo ý muốn chủ quan của con người. Nó mang một tổ hợp nguyên liệu di truyền mới tạo ra nhờ công nghệ biến đổi gen (công nghệ chuyển gen). Thực vật biến đổi gen được đưa vào một hay nhiều gen. Những gen được đưa vào (gen chuyển) có thể được phân lập từ những loài có quan hệ họ hàng hay từ những loài khác biệt hoàn toàn. 2.2 Công nghệ biến đổi gen Công nghệ biến đổi gen là công nghệ chuyển gen theo kỹ thuật DNA tái tổ hợp với những công cụ và kỹ thuật phân tử, thông qua việc phân lập những gen có ích từ sinh vật cho rồi chuyển trực tiếp vào sinh vật nhận, để tạo ra những sinh vật biến đổi gen. Quá trình này hoàn toàn mang tính nhân tạo và không thấy trong tự nhiên. 3. Kỹ thuật chuyển gen 3.1 Nguyên tắc sinh học của kỹ thuật chuyển gen Khi đặt ra mục đích và thực hiện thí nghiệm chuyển gen cần chú ý một số vấn đề sinh học ảnh hưởng đến quá trình chuyển gen như sau: - Không phải toàn bộ tế bào đều thể hiện tính toàn năng (totipotency). - Các cây khác nhau có phản ứng không giống nhau với sự xâm nhập của một gen ngoại lai. - Cây biến nạp chỉ có thể tái sinh từ các tế bào có khả năng tái sinh và khả năng thu nhận gen biến nạp vào genome. - Mô thực vật là hỗn hợp các quần thể tế bào có khả năng khác nhau. Cần xem xét một số vấn đề như: chỉ có một số ít tế bào có khả năng biến nạp và tái sinh cây. Ở các tế bào khác 2 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm có hai trường hợp có thể xảy ra: một số tế bào nếu được tạo điều kiện phù hợp thì trở nên có khả năng, một số khác hoàn toàn không có khả năng biến nạp và tái sinh cây. - Thành phần của các quần thể tế bào được xác định bởi loài, kiểu gen, từng cơ quan, từng giai đoạn phát triển của mô và cơ quan. - Thành tế bào ngăn cản sự xâm nhập của DNA ngoại lai. Vì thế, cho đến nay chỉ có thể chuyển gen vào tế bào có thành cellulose thông qua Agrobacterium, virus và bắn gen hoặc phải phá bỏ thành tế bào để chuyển gen bằng phương pháp xung điện, siêu âm và vi tiêm. - Khả năng xâm nhập ổn định của gen vào genome không tỷ lệ với sự biểu hiện tạm thời của gen. - Các DNA (trừ virus) khi xâm nhập vào genome của tế bào vật chủ chưa đảm bảo là đã liên kết ổn định với genome. - Các DNA (trừ virus) không chuyển từ tế bào này sang tế bào kia, nó chỉ ở nơi mà nó được đưa vào. Trong khi đó, DNA của virus khi xâm nhập vào genom cây chủ lại không liên kết với genome mà chuyển từ tế bào này sang tế bào khác ngoại trừ mô phân sinh. 3.2 Các bước trong kỹ thuật chuyển gen Quá trình chuyển gen ở thực vật 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. 3 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm - 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 in vivo khác ). Nguyên liệu để thực hiện sự biến nạp là các tế bào thực vật riêng lẽ, các mô hoặc cây hoàn chỉnh. 4. Các phương pháp chuyển gen ở thực vật 4.1 Các phương pháp chuyển gen gián tiếp 4.1.1 chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium tunefaciens Nguyên lý: Agrobacterium tumefaciens và A. rhizogenes là hai loài vi khuẩn sống trong đất gây ra bệnh khối u hình chóp (crown gall) và bệnh lông rễ (hairy root) ở các vị trí tổn thương của thực vật hai lá mầm. Trong đó A.tumefaciences được sử dụng phổ biến cho chuyển gen vào thực vật. Agrobacterium có khả năng xâm nhiễm tế bào thực vật bằng cách chuyển một đoạn DNA của nó vào tế bào thực vật. Khi DNA vi khuẩn được hợp nhất với nhiễm sắc thể thực vật, nó sẽ tấn công vào hệ thống tổ chức của tế bào một cách có hiệu quả và sử dụng nó để đảm bảo cho sự sinh sôi của quần thể vi khuẩn. Sự lây nhiễm xảy ra khi tế bào thực vật bị tổn thương. Vi khuẩn không xâm nhập vào tế bào thực vật mà chuyển vào một plasmid đặc hiệu gây ra hình thành khối u và được gọi là Ti plasmid. Đây là plasmid lớn, có kích thước từ 140-235 kb và đã được xác định trình tự. Trong quá trình lây nhiễm của vi khuẩn, một phần nhỏ của Ti-plasmid (15-30kb) gọi là T- DNA được chuyển vào và gắn với DNA của nhân tế bào thực vật (chủ yếu là thực vật hai lá mầm). Theo ccachs này T-DNA được duy trì ổn định trong bộ gen mà nó chuyển vào. Trên Ti plasmid, T-ADN được giới hạn bằng bờ phải và bờ trái, nó mang các gen chịu trách nhiệm hình thành khối u và tổng hợp các aminoaxit hiếm như octopin, nopalin và được gọi chung là opin. Ngoài T-ADN, Ti palsmid còn có các vùng mã hóa cho việc tái sinh plasmid, khả năng lây nhiễm (các vir gen), chuyển nạp và chuyển hóa opin. 4 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Kích thước của các Ti plasmid là quá lớn khi sử dụng làm vector, vì vậy các gen hình thành khối u đã bị cắt bỏ, chỉ còn lại vùng vir và T-ADN nhỏ có điểm ghép gen. Các tế bào thực vật nhận những vector này sẽ không phát triển thành khối u và do đó dễ dàng hơn để tái sinh thành cây con bằng kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào. Hình 1 Tạo thực vật chuyển gen bằng phương pháp chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium Các plasmid của Agrobacterium được sử dụng trong công nghệ gen thực vật gồm có hai loại: vector liên hợp và vector nhị thể. • Vector liên hợp: dựa trên sự tái tổ hợp của hai plasmid. Một vector liên hợp gồm có: vị trí để ghép các gen quan tâm, thường vị trí này có nguồn gốc từ plasmid vi khuẩn E.coli. Gen chỉ thị kháng kháng sinh giúp cho chọn lọc trong vi khuẩn E.coli, Agrobacterium và gen chọn lọc hoạt động được ở tế bào thực vật. Như vậy vector liên hợp được hình thành từ: một plasmid mang trình tự ADN mong muốn và plasmid kia có chứa vùng vir gen và vùng bờ lặp lại của T-ADN. Sau tái tổ hợp, một vector liên hợp được tạo ra và dùng cho chuyển gen vào thực vật. • Vector nhị thể: là hệ thống dùng hai plasmid riêng biệt: một cung cấp T-ADN đã mất độc tính gây khối u, plasmid kia là Ti plasmid có khả năng thâm nhập vào tế bào thực vật (mang các gen vir). Plasmid thứ nhất mang gen chọn lọc ở thực vật và gen sẽ được ghép vào bộ gen thực vật. Khi plasmid này được đưa vào chủng 5 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Agrobacterium có chứa Ti plasmid, những sản phẩm mang gen vir có thể đưa T- ADN vào tế bào thực vật, mặc dù T-ADN nằm trên phân tử ADN khác. Ưu điểm: có thể áp dụng với hầu hết các loại mô, tế bào, nhanh, đơn giản về mặt kỹ thuật. Có thể xử lý 1 lượng lớn mẫu trong thời gian ngắn Biểu hiện tạm thời của gen biến nạp có thể quan sát trong vòng vài ngày sau biến nạp Nhược điểm: Phương pháp này hiệu quả ở cây hai lá mầm nhưng không hiệu quả ở cây một lá mầm. 4.1.2 Chuyển gen gián tiếp nhờ virus Bên cạnh vi khuẩn Agrobacterium còn có các hệ thống dùng virus làm vector chuyển gen vào thực vật. Về nguyên tắc, bất kỳ loại virus nào cũng có thể được sử dụng làm vector để chuyển vật liệu di truyền vào trong tế bào. Nhiều nhóm trong số đó, các papovavirus, adenovirus, retrovirus được sử dụng vào những mục đích chuyên biệt. Ðể sử dụng làm vector, các phần khác nhau của genome virus được thay thế bằng gen cấu trúc quan tâm. Virus có thể được sử dụng để lây nhiễm vào tế bào giai đoạn sớm của phôi trước khi được chuyển ghép vào cây mẹ. Gen chuyển với vector retrovirus xâm nhập một cách hiệu quả vào hệ gen của vật chủ nhưng virus sử dụng phải là virus an toàn, không gây bệnh. Ưu điểm: Chúng dễ xâm nhập và lây lan nhanh trong cơ thể thực vật. Có thể mang đoạn DNA lớn hơn so với khả năng của các plasmid. Nhược điểm: Các acid nucleic của virus không ghép nối với bộ gen của thực vật, bởi vậy AND tái tổ hợp không di truyền được cho các thế hệ sau thông qua hạt. Do đó nhân giống các gen phải qua con đường vô tính. Sự lây nhiễm virus thường làm yếu tế bào thực vật ở các mức độ khác nhau. 6 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm 4.2 Các phương pháp chuyển gen trực tiếp 4.2.1 Chuyển gen bằng súng bắn gen Nguyên lý của phương pháp: Dùng các viên đạn có kích thước nhỏ mang ADN để bắn vào tế bào thực vật. Ngâm những viên đạn nhỏ (vi đạn) bằng hạt vàng hoặc tungsten có kích thước cực nhỏ, đường kính khoảng 0.5 – 1.5 µm với dung dịch có chứa đạn DNA ngoại lai cần chuyển vào tế bào thực vật. Các vi đạn này được làm khô trên một đĩa kim loại mỏng có kích thước 0.5 – 0.9 cm. Đĩa kim loại này gắn vào đầu một viên đạn lớn ( macroprojectile) bằng nhựa, hoặc vật liệu nhẹ. Viên đạn có kích thước vừa khít đầu nòng súng bắn gen. Khi bắn, áp suất hơi sẽ đẩy viên đạn đi với tốc độ cao. Tới đầu nóng súng, viên đạn lớn sẽ bị cản lại bởi một lưới thép mịn, còn các viên đạn nhỏ (vi đạn) vẫn tiếp tục di chuyển với tốc độ lớn tới 1300 m/ giây đến đối tượng bắn rồi xuyên vào tế bào. Sau khi bắn, tách các mô, tế bào nuôi cấy invitro để tái sinh cây, từ đó tạo thành cây chuyển gen. Chỉ có một tỉ lệ nào đó của tế bào mang gen chuyển do vậy cần phải chọn lọc. Nười ta thường dùng khí nén là helium áp lực cao để bắn gen. Hình 2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của súng bắn gen 7 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Ưu điểm: - Thao tác dễ dàng - Có thể chuyển gen vào nhiều loại tế bào. - Mô, các tế bào được biến nạp có tỉ lệ sống sót cao. - Cho phép đưa các gen vào tế bào ở vị trí mong muốn. Nhược điểm: - Nhiều bản sao của gen biến nạp có thể được chuyển vào tế bào cùng lúc, khó khăn trong phân tích biểu hiện của gen. - Hiệu quả chuyển gen thấp - Thiết bị đắt tiền. 8 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Hình 3: Chuyển gen thực vật nhờ vi khuẩn Agrobaccterium 4.2.2 Chuyển gen bằng kỹ thuật xung điện Nguyên lý của kỹ thuật xung điện: 9 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Trong công nghệ di truyền thực vật, người ta sử dụng phương pháp xung điện để chuyển gen vào protoplast thực vật. Ở điện thế cao, trong thời gian ngắn có thể tạo ra các lỗ trên màng tế bào trần (protoplast) làm cho ADN bên ngoài môi trường có thể xâm nhập vào bên trong tế bào. Hình 4: Sơ đồ plasmid chứa DNA ngoại lai đi qua các lỗ tạm thời trên màng bào chất Người ta chuẩn bị protoplast với các plasmid tái tổ hợp đã mang gen mong muốn cần chuyển vào thực vật. Dùng thiết bị xung điện tạo điện thế cao (200 – 400 V/cm) trong khoảng thời gian 4 – 5 phần nghìn giây. Kết quả làm màng tế bào trần xuất hiện các lỗ thủng tạm thời giúp cho plasmid có thể xâm nhập và gắn vào hệ gen thực vật. Quá trình này được thực hiện trong cuvet chuyên dụng. Sau quá trình xung điện, đem protoplast nuôi cấy trong môi trường thích hợp, môi trường chọn lọc để tách các protoplast đã được biến nạp. Tiếp theo là nuôi cấy invitro, tái sinh cây và chọn lọc cây chuyển gen. Ưu điểm: Hiệu quả chuyển gen cao, ổn định, đặc biệt là đối với các gen đơn. Nhược điểm: - Tỷ lệ các tế bào được chuyển gen còn thấp. - Sức sống của tế bào giảm đột ngột khi bị sốc điện. - Việc tái sinh ở một số loài rất khó khăn. - Mặc dù còn hạn chế như trên nhưng phương pháp chuyển gen bằng xung điện đã được sử dụng trong chuyển gen ở một số loài thực vật một lá mầm bao gồm ngô, lúa 10 [...]... mì Nhược điểm: 14 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Việc tạo protoplast cũng như tái sinh cây từ protoplast không đơn giản, tốn nhiều công sức, bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường 5 Lợi ích, nguy cơ của và hiện trạng sử dụng của cây trồng biến đổi gen 5.1 Những lợi ích của cây trồng biến đổi gen Cây trồng biến đổi gen đã có những đóng... thurigenis giúp kháng sâu bệnh và thuốc trừ sâu biến đổi gen cho năng suất cao hơn ngô bình thường 23 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Hình 7:So sánh ngô không biến đổi gen (trái) và ngô –Bt (phải) Có rất nhiều sản phẩm làm từ ngô biến đổi gen như: Khoai tây chiên Tortilla, syrup ngô có hàm lượng fructose cao được sử dụng như 1 chất ngọt trong. .. biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Bông biến đổi gen được chủ yếu để sản xuất dầu bông Dầu từ bông biến đổi gen dùng để chiên và nấu ăn như dầu bình thường Hình 9: Dầu từ bông biến đổi gen 7.4 Đu đủ Đu đủ là một loại cây trồng quan trọng ở khu vực Đông Nam Á, được dùng làm thức ăn phổ biến trong các hộ nông dân sản xuất nhỏ và gia đình của họ Cây đu đủ ở Hawaii... dụng, đặc biệt trong lĩnh vực thực phẩm – ngành mà nguồn nguyên liệu chiếm đa số là từ thực vật Tuy nhiên việc sử dụng cây trồng biến đổi gen còn gây nhiều tranh cãi Vì vậy, chúng ta cần cân nhắc việc sử dụng một cách hiệu quả 36 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm TÀI LIỆU KHAM KHẢO [1] Công nghệ sinh học tập 2 (công nghệ sinh học tế bào)- Vũ Văn... đủ làm tăng năng suất và hạ giá thành 26 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Hình 10: Đu đủ biến đổi gen Hawaii 7.5 Cây lúa Mục đích biến đổi gen: Chuyển gen ở cây lúa đang được tập trung vào tính trạng chống chịu thuốc diệt cỏ và sản xuất vitamin A (giống lúa vàng) Kết quả tái sinh của cây lúa biến nạp gen bằng xung điện hoặc PEG thông qua nuôi... với thời tiết ấm áp thế nên nó thường được trồng vào vụ hè Mục đích biến đổi gen: Cà chua được biến đổi gen mang các tính trạng như khả năng chịu thuốc diệt cỏ, kháng vật ký sinh và làm chậm quá trình chín của quả 32 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Hình 16:Cà chua biến đổi gen (phải) Các nhà khoa học Anh vừa tạo ra giống cà chua màu tím chứa... bị lây nhiễm Vì vậy, các nhà khoa học đã tìm cách giải trình tự của các gen mã hóa cho protein động vật đó, thiết kế lại và chuyển vào thực vật, biến thực vật thành cơ thể sản xuất protein động vật 21 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Ví dụ: gen tổng hợp lactoferin là 1 protein có trong sữa người, được chuyển vào khoai tây, lúa và thu được cây... nành biến đổi gen 24 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Mục đích biến đổi gen: Đậu tương được biến đổi gen để mang các tính trạng như khả năng chống chịu thuốc diệt cỏ và có hàm lượng oleic acid cao Đậu tương là loại cây chứa dầu đem lại lợi ích kinh tế to lớn nhất trên thế giới Hạt đậu tương có chứa tỷ lệ amino acid không thay thế nhiều hơn ở cả... dầu biến đổi gen để sản xuất mật ong Tiến sĩ Martina từ Trung tâm nghiên cứu sinh học liên bang Nông nghiệp và Lâm nghiệp (BBA) đã phát hiện ra rằng những con ong không phân biệt giữa phấn hoa từ cây trồng biến đổi gen và thông thường 29 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Hình 13: Dầu Canola 7.7 Khoai tây Mục đích biến đổi gen: Khoai tây được biến. .. gen từ thực phẩm biến đổi gen vào tế bào cơ thể con người hay vào vi trùng trong đường ruột cơ thể người là mối quan tâm thực sự, nếu như sự chuyển đổi này tác động xấu tới sức khỏe con người Đối với đa dạng sinh học 17 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Nguy cơ GMC có thể phát tán những gen biến đổi sang họ hàng hoang dã của chúng, sang sâu bệnh . đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm 2. Các khái niệm 2.1 Khái niệm thực vật biến đổi gen (thực vật chuyển gen) Thực vật biến đổi gen là là thực vật mà vật. Chuyển gen bằng kỹ thuật xung điện Nguyên lý của kỹ thuật xung điện: 9 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm Trong công nghệ di truyền thực vật, . đã được sử dụng trong chuyển gen ở một số loài thực vật một lá mầm bao gồm ngô, lúa 10 Công nghệ biến đổi gen ở thực vật. Ứng dụng thực phẩm biến đổi gen trong lĩnh vực thực phẩm 4.2.3 Chuyển gen bằng