Nghiên cứu thành tựu và triển vọng chủ yếu trong tạo giống cây trồng chuyển gen

38 1,324 5
  • Loading ...
1/38 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 01/04/2013, 14:47

Nghiên cứu thành tựu,triển vọng chủ yếu, tạo giống cây trồng chuyển gen Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng MỤC LỤC A. MỞ ĐẦU . Error: Reference source not found B. NỘI DUNG . Error: Reference source not found 1. Các nguyên tắc sinh học của kỹ thuật chuyển gen . Error: Reference source not found 2. Các bước trong kỹ thuật chuyển gen . Error: Reference source not found 3. Một số phương pháp chuyển gen ở thực vật . Error: Reference source not found 3.1. Các phương pháp chuyển gen gián tiếp Error: Reference source not found 3.1.1. Chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium tumefaciens . Error: Reference source not found 3.1.2. Chuyển gen gián tiếp nhờ virus Error: Reference source not found 3.2. Các phương pháp chuyển gen trực tiếp Error: Reference source not found 3.2.1. Chuyển gen bằng súng bắn gen (gene gun) Error: Reference source not found 3.2.2. Chuyển gen bằng xung điện (electroporation) . Error: Reference source not found 3.2.3. Chuyển gen bằng vi tiêm (microinjection) Error: Reference source not found 3.2.4. Chuyển gen nhờ kỹ thuật siêu âm . Error: Reference source not found 3.2.5. Chuyển gen bằng phương pháp hóa học Error: Reference source not found 3.2.6. Chuyển gen trực tiếp qua ống phấn (pollen tube) Error: Reference source not found 4. Lợi ích nguy cơ của cây trồng chuyển gen Error: Reference source not found 4.1. Lợi ích Error: Reference source not found 4.2. Nguy cơ tiềm ẩn . Error: Reference source not found Thủy Hồng 1 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng 5. Những thành tựu, triển vọng chủ yếu trong tạo giống cây trồng chuyển gen . Error: Reference source not found 6. Các hướng chính trong tạo cây trồng chuyển gen Error: Reference source not found 6.1. Chuyển gen kháng sâu Error: Reference source not found 6.2. Chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ . Error: Reference source not found 6.3. Chuyển gen tạo cây kháng virus gây bệnh . Error: Reference source not found 6.4. Chuyển gen tạo cây sản xuất protein động vật Error: Reference source not found 6.5. Chuyển gen thay đổi hàm lượng chất lượng các chất dinh dưỡng của cây Error: Reference source not found 6.6. Chuyển gen tạo giống hoa có nhiều màu sắc Error: Reference source not found 7. Quy trình tạo hoa hồng xanh bằng kỹ thuật RNA interference (RNAi) Error: Reference source not found C. KẾT LUẬN Error: Reference source not found TÀI LIỆU THAM KHẢO . Error: Reference source not found A. MỞ ĐẦU Một trong các kỹ thuật của công nghệ tế bào thực vật là kỹ thuật chuyển gen. 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 cơ thể 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 cá 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 Thủy Hồng 2 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng thông thường những tính trạng quan tâm lại không tồn tại trong những loài có họ hàng gần nhau. Kể từ năm 1984, là lúc người ta bắt đầu tạo được cây trồng chuyển gen đến nay đã có những bước tiến lớn. Nhiều cây trồng quan trọng chuyển gen ra đời như lúa, ngô, lúa mì, đậu tương, bông, khoai tây, cà chua, cải dầu, đậu Hà Lan, bắp cải… Các gen được chuyểngen kháng vi sinh vật, virus gây bệnh, kháng côn trùng phá hại, gen có khả năng sản xuất những loại protein mới, gen chịu hạn, gen kháng thuốc diệt cỏ… Kỹ thuật 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. Phương pháp hữu hiệu này cho phép các nhà tạo giống thực vật thu được giống mới nhanh hơn vượt qua những giới hạn của kỹ thuật tạo giống truyền thống. Kỹ thuật chuyển gen, ghép gen là kỹ thuật đưa một gen lạ (một đoạn ADN, ARN) vào tế bào vật chủ làm cho gen lạ tồn tại ở các plasmid trong tế bào chủ hoặc gắn bộ gen tế bào chủ, tồn tại tái bản cùng với bộ gen của tế bào chủ. Gen lạ trong tế bào chủ hoạt động tổng hợp các protein đặc hiệu, gây biến đổi các đặc điểm đã có hoặc làm xuất hiện những đặc điểm mới của những cơ thể chuyển gen. Nhìn chung, việc ứng dụng cây chuyển gen đã có những lợi ích rõ rệt như sau: - Tăng sản lượng - Giảm chi phí sản xuất - Tăng lợi nhuận nông nghiệp - Cải thiện môi trường Thủy Hồng 3 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng Những cây chuyển gen “thế hệ thứ nhất” đã giúp giảm chi phí sản xuất. Ngày nay, các nhà khoa học đang hướng đến việc tạo ra những cây chuyển gen “thế hệ thứ hai” nhằm tăng các giá trị dinh dưỡng hoặc có những đặc điểm thích hợp cho công nghiệp chế biến. Lợi ích của những cây trồng này hướng trực tiếp hơn vào người tiêu dùng. Chẳng hạn như: - Lúa gạo giàu vitamin A sắt - Khoai tây tăng hàm lượng tinh bột - Vacxin thực phẩm (edible vaccine) ở ngô khoai tây - Những giống ngô có thể trồng được trong điều kiện nghèo dinh dưỡng - Dầu ăn có lợi cho sức khỏe hơn từ đậu nành cải dầu Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm cũng có những nguy cơ tiềm ẩn trong việc phát triển những kỹ thuật mới. Bao gồm: - Mối nguy hiểm trong việc vô tình đưa những chất gây dị ứng hoặc làm giảm dinh dưỡng vào thực phẩm - Khả năng phát tán những gen biến nạp trong cây trồng sang họ hoang dại - Sâu bệnh có nguy cơ tăng cường tính kháng với các chất độc tiết ra từ cây chuyển gen - Nguy cơ những chất độc này tác động tới các sinh vật không phải là loại sinh vật cần diệt, vì thế có thể làm mất cân bằng sinh thái Nhìn chung, mặc dù còn những điểm còn chưa rõ ràng về cây chuyển gen nhưng với khả năng tạo ra những giống cây trồng mới có giá trị kinh tế, công nghệ này có vai trò không thể phủ nhận được. Tuy vậy, vẫn còn một số vấn đề đáng lo ngại. Để giải quyết những vấn đề này thì những kết luận thu được phải dựa trên những thông tin tin cậy có cơ sở khoa học. Thủy Hồng 4 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng Triển vọng của công nghệ chuyển gen thực vật là rất lớn, cho phép tạo ra các giống cây trồng mang đặc tính di truyền hoàn toàn mới, có lợi cho con người mà trong chọn giống thông thường phải trông chờ vào đột biến tự nhiên, không thể luôn luôn có được. Đối với sự phát triển của công nghệ sinh học trong thế kỷ XXI thì công nghệ chuyển gen sẽ có một vị trí đặc biệt quan trọng. Có thể nói công nghệ chuyển gen là một hướng công nghệ cao của công nghệ sinh học hiện đại phục vụ sản xuất đời sống. B. NỘI DUNG 1. Các nguyên tắc sinh học của kỹ thuật chuyển gen Khi đặt ra mục đích 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 khả năng thu nhận gen biến nạp vào genome Thủy Hồng 5 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng - 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 tái sinh cây. Ở các tế bào khác 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 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 cơ quan. - Thành tế bào ngăn cản sự xâm nhập của ADN ngoại lai. Vì thế, cho đến nay chỉ có thể chuyển gen vào tế bào có thành cellulose thông qua Agrobacterium, virus bắn gen hoặc phải phá bỏ thành tế bào để chuyển gen bằng phương pháp xung điện, siêu âm vi tiêm. - Khả năng xâm nhập ổn định của gen vào genome không tỷ lệ với sự biểu hiện tạm thời của gen - Các ADN (trừ virus) khi xâm nhập vào genome của tế bào vật chủ chưa đảm bảo là đã liên kết ổn định với genome - Các ADN (trừ virus) không chuyển từ tế bào này sang tế bào kia, nó chỉ ở nơi mà nó được đưa vào - Trong khi đó, ADN 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 (meristem). 2. Các bước trong kỹ thuật chuyển gen Từ khi người ta khám phá ra rằng các thí nghiệm chuyển gen có thể thực hiện nhờ một loại vi khuẩn đất Agrobacterium tumefaciens, thì các nhà khoa học tin rằng Agrobacterium có thể chuyển gen vào tất cả các cây trồng. Nhưng sau đó kết quả thực tế cho thấy chuyển gen bằng Agrobacterium không thể thực hiện được trên cây ngũ cốc (một lá mầm) vì thế mà hàng loạt các kỹ thuật chuyển gen khác đã được phát triển đó là các kỹ thuật chuyển Thủy Hồng 6 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng 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 ống phấn (pollen tube) . Đến nay, nhờ cải tiến các vector chuyển gen nên kỹ thuật chuyển gen bằng A. tumefaciens đã thành công cả ở cây ngũ cốc đặc biệt là lúa. Kỹ thuật này trở nên một kỹ thuật đầy triển vọng đối với cây chuyển gen ở thực vật. 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 cADN hoặc từ thư viện genomic ADN) - Gắn gen vào vector biểu hiện (expression vector) để biến nạp - Biến nạp vào E. coli - Tách chiết ADN 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) 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 rẽ, các mô hoặc cây hoàn chỉnh. Cản trở lớn nhất của sự tiếp nhận ADN ở phần lớn sinh vật là thành tế bào. Muốn làm mất thành tế bào thực vật người ta thường sử dụng enzym dưới những điều kiện thích hợp người ta có thể tạo ra tế bào trần, tế bào trần tiếp nhận ADN nói chung dễ dàng. Sau khi biến nạp người ta tách những enzym phân giải để cho tế bào phát triển, thành tế bào mới được tạo Thủy Hồng 7 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng thành. Các tế bào biến nạp này được nuôi cấy trên các môi trường nhân tạo thích hợp cùng với các chất kích thích sinh trưởng để tạo thành cây hoàn chỉnh. Sau đó bằng các phương pháp phân tích genome như PCR, Southern blot, Northern blot được thực hiện để tìm ra chính xác những cây biến đổi gen. 3. Một số phương pháp chuyển gen ở thực vật Có hai hình thức chuyển gen chủ yếuchuyển gen trực tiếp chuyển gen gián tiếp. 3.1. Các phương pháp chuyển gen gián tiếp 3.1.1. Chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium tumefaciens * Nguyên lý chung Sử dụng vi sinh vật đất Agrobacterium (là vi khuẩn Gram âm) để chuyển gen ở thực vật là phương pháp hiệu quả phổ biến nhất hiện nay nhờ vào khả năng gắn gen ngoại lai vào hệ gen thực vật một cách chính xác ổn định. Sự chuyển gen ở thực vật dùng A. tumefaciens dựa trên nguyên lý như hình sau Thủy Hồng 8 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng Hình1. Agrobacterium mang plasmid gây khối u ở thực vật (tumour inducing plasmid- Ti plasmid), plasmid này chứa các gen vir vùng gen cần chuyển (T-DNA). Gen quan tâm được chèn vào vùng T-DNA. Các tế bào tổn thương thực vật tiết ra hợp chất bảo Thủy Hồng 9 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng vệ, hợp chất này kích thích sự biểu hiện gen vir ở Agrobacterium. Vir protein tạo ra T- strand từ vùng T-DNA trên Ti-plasmid. Sau đó vi khuẩn gắn vào tế bào thực vật, T-strand một số protein vir chuyển vào tế bào thực vật qua kênh vận chuyển. Trong tế bào thực vật, các protein vir tương tác với T-strand tạo ra phức hệ (T- complex). Phức hệ này vào nhân tế bào thực vật, T-DNA chèn vào bộ gen thực vật biểu hiện gen quan tâm. Hình 2. Vi khuẩn A.tumefaciens Cụ thể như sau: Phương pháp này sử dụng Ti plasmid của A.tumefaciens hoặc Ti plasmid của Arhizogenes làm vectơ đưa ADN vào tế bào. Ti plamid gồm hai thành phần: T- DNA vùng Vir. T- DNA có thể chuyển từ Agrobacterium vào tế bào thực vật, chính nhờ vậy mà có thể gắn gen muốn chuyển vào T- DNA để đưa vào tế bào. T- DNA chứa gen điều hoà sinh trưởng cục bộ (auxin, cytokinie), gen tổng hợp các chất Opine gen gây khối u. Đoạn cuối có 25 cặp bazơ lặp lại, bất kì đoạn nào trong vùng này cũng có thể xâm nhập vào phân tử ADN thực vật. Trong plasmid vị trí của T- DNA được giới hạn bởi bờ trái bờ phải. Vùng Vir phụ trách khả năng lây nhiễm. Chúng gồm 6 nhóm từ VirA đến VirG VirE có tác dụng làm tăng tần số biến nạp. Thủy Hồng 10 Bộ gen của vi khuẩn Ti plasmid [...]... quy định rằng mọi cánh đồng trồng cây chuyển gen kháng côn trùng phải có cả cây không chuyển gen để côn trùng phát triển mà không bị chọn lọc đối với những giống kháng sâu Những biện pháp quản lý tính kháng khác cũng đang được các nhà khoa học trên khắp thế giới xây dựng 5 Những thành tựu, triển vọng chủ yếu trong tạo giống cây trồng chuyển gen Công nghệ chuyển gen vào cây trồng hiện nay không còn là... (loại bỏ gen gây khối u, cài gen mong muốn vào plasmid Ti) Năm 1984: Thực hiện chuyển gen trực tiếp gián tiếp vào tế bào protoplast Năm 1985: Tạo các giống cây trồng kháng virus, đưa cây chuyển gen ra đồng ruộng Năm 1987: Chuyển gen kháng sâu bằng súng bắn gen Năm 1988: Tạo khoai tây chống nấm, cà chua chín chậm Năm 1990: Chuyển gen bất dục đực cho ngô vào phôi nuôi cấy vô tính Năm 1992: Chuyển gen cho... 1994: Thương mại hóa cà chua chuyển gen Đây là sản phẩm chuyển gen đầu tiên được thương mại hóa Năm 1998: Toàn thế giới có 48 giống cây trồng chuyển gen được thương mại hóa Năm 1999: Chuyển gen tạo giống lúa có giá trị dinh dưỡng hàm lượng vitamin A cao Từ năm 2000 đến nay, cây trồng chuyển gen không ngừng phát triển Năm 2000, toàn thế giới có 44,2 triệu ha trồng cây chuyển gen thì đến năm 2003 tăng... một trong những sản phẩm được tạo ra từ việc ứng dụng kỹ thuật RNAi Đây là một trong hàng loạt ứng dụng của RNAi trong nghiên cứu y sinh là công cụ rất hữu ích cho việc tìm hiểu khám phá các chức năng bí ẩn của các gen trong thời đại nghiên cứu hậu genome (post- genomic era) Thủy Hồng 31 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng C KẾT LUẬN Công nghệ tạo cây trồng chuyển gen ngày càng phát triển. .. nguyên vào các đối tượng cây trồng như rau, đậu, cây ăn quả Do vậy các cây này tạo ra các vacxin Nhờ đó có thể ăn rau, đậu, hoa, quả Thủy Hồng 25 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng của cây trồng được chuyển gen tạo vacxin này để thay thế cho việc tiêm vacxin phòng bệnh Hình 8 Thực phẩm chức năng 6.5 Chuyển gen thay đổi hàm lượng chất lượng các chất dinh dưỡng của cây Đã nghiên cứu chuyển gen mã... sinh vật cần diệt trong môi trường đó Thủy Hồng 19 Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng Cây chuyển gen có tồn tại trong môi trường lâu hơn bình thường hoặc xâm chiếm những nơi cư ngụ mới không? Khả năng gen phát tán ngoài ý muốn từ cây chuyển gen sang loài khác những hậu quả có thể * Cây chuyển gen, những rủi ro có thể Khả năng xẩy ra lai chéo xa của gen được chuyển vào với các cây cỏ họ hàng,... xuyên vào tế bào Sau khi bắn, tách các mô, tế bào nuôi cấy invitro để tái sinh cây Các gen cần chuyển có thể tái tổ hợp vào hệ gen của cây, từ đó tạo thành cây chuyển gen Chỉ có một tỷ lệ nào đó của tế bào mang gen chuyển do vậy cần phải chọn lọc Người ta thường dùng khí nén là helium áp lực cao để bắn gen Hình 4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của súng bắn gen * Ưu điểm Thủy Hồng 14 Kỹ thuật chuyển gen. .. các giống cây trồng chuyển gen có thể đem lại lợi nhuận đáng kể cho các nước đang phát triển “Thế hệ đầu tiên” của những giống cây này đã chứng minh được khả năng tăng năng suất cây trồng, giảm giá thành sản phẩm, tăng lợi nhuận nông nghiệp góp phần bảo vệ môi trường Hiện nay, các nghiên cứu đang hướng đến các cây trồng biến đổi gen “thế hệ thứ hai”, tập trung vào việc tăng chất lượng dinh dưỡng và. .. Chuyển gen tạo cây kháng virus gây bệnh Có nhiều cách tạo cây kháng virus, chuyển gen mã hóa protein vỏ của virus, chuyển gen tạo enzym phân giải virus (ví dụ enzym ribozyme), hoặc chuyển gen có trình tự đối bản (antisens) với ARN của virus Các đối bản này sẽ khóa lại sự sao chép sự phiên mã của ARN virus Kỹ thuật chuyển gen mã hóa vỏ protein của virus thường được sử dụng phổ biến Virus có cấu tạo. .. chuyển gen qua ống phấn là phương pháp chuyển gen không qua nuôi cấy mô invitro Nguyên tắc của phương pháp này là ADN ngoại lai chuyển vào cây theo đầu ống phấn, chui vào bầu nhụy cái Thời gian chuyển gen vào lúc hạt phấn mọc qua vòi nhụy lúc bắt đầu đưa tinh tử vào thụ tinh, tốt nhất là sự chuyển gen xảy ra đúng khi quá trình thụ tinh ở noãn cho tế bào hợp tử chưa phân chia Như vậy, sự chuyển gen . Kỹ thuật chuyển gen thực vật & ứng dụng 5. Những thành tựu, triển vọng chủ yếu trong tạo giống cây trồng chuyển gen . xác những cây biến đổi gen. 3. Một số phương pháp chuyển gen ở thực vật Có hai hình thức chuyển gen chủ yếu là chuyển gen trực tiếp và chuyển gen gián
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu thành tựu và triển vọng chủ yếu trong tạo giống cây trồng chuyển gen, Nghiên cứu thành tựu và triển vọng chủ yếu trong tạo giống cây trồng chuyển gen, Nghiên cứu thành tựu và triển vọng chủ yếu trong tạo giống cây trồng chuyển gen, Các bước trong kỹ thuật chuyển gen, Các phương pháp chuyển gen gián tiếp, Các phương pháp chuyển gen trực tiếp, Nguy cơ tiềm ẩn, Chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ Chuyển gen tạo cây kháng virus gây bệnh Chuyển gen tạo cây sản xuất protein động vật, Những thành tựu, triển vọng chủ yếu trong tạo giống cây trồng chuyển gen Quy trình tạo hoa hồng xanh bằng kỹ thuật RNA interference RNAi

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn