CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC VẬT TÓM TẮT CHƯƠNG Công nghệ sinh học thực vật đã và đang trở thành một bộ phận đóng góp quan trọng vào thành tựu của Công nghệ sinh học, cũng như mang lại những ứng dụng có ý nghĩa trong cuộc sống. Nội dung chương này đề cập đến các khái niệm cơ bản, nguyên lý cơ sở, các công nghệ, lịch sử các giai đoạn phát triển, cũng như vai trò và các ứng dụng của công nghệ sinh học thực vật trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống. Qua đó, giúp người học có cái nhìn tổng quan và hệ thống về các vấn đề cơ bản, nhận thức được tầm quan trọng của công nghệ sinh học thực vật. Một số khái niệm 1.
Công nghệ sinh học thực vật Mặc dù các hoạt động ứng dụng mang bản chất công nghệ sinh học đã xuất hiện từ rất lâu, thuật ngữ “Công nghệ sinh học” (Biotechnology) lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1919 bởi Karl Ereky - một kỹ sư nông nghiệp người Hungari, với hàm ý “ứng dụng sinh vật sống để biến các nguyên liệu thô thành sản phẩm hữu ích” (Fári và cộng sự, 2006). Trải qua hơn một thế kỉ phát triển, công nghệ sinh học đã trở thành một lĩnh vực với nhiều thành tựu nổi bật cả trong nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt đã mang lại ứng dụng thực tiễn có giá trị trong những lĩnh vực như: công nghiệp chế biến, nông nghiệp, y học, năng lượng, vật liệu và môi trường. Với sự phát triển của công nghệ sinh học, các định nghĩa về lĩnh vực này cũng có những thay đổi về phạm vi và đối tượng. Tuy nhiên, một cách tổng quát có thể xem: Công nghệ sinh học là lĩnh vực khai thác các quá trình sinh học của tế bào hoặc phân tử sinh học kết hợp với kỹ thuật để tạo ra các sản phẩm hữu ích.
Khác với các lĩnh vực sinh học ứng dụng khác, mục tiêu của công nghệ sinh học là biến các tác nhân sinh học, gồm tế bào hoặc các phân tử sinh học (như enzyme, acid nucleic), trở thành công cụ hữu ích dựa trên nền tảng hiểu biết về các quá trình sinh 3 học của chúng. Các sản phẩm công nghệ sinh học có thể ở dạng vật chất, giải pháp công nghệ, hoặc dịch vụ nhằm giải quyết các vấn đề của cuộc sống. Các tác nhân sinh học có thể được khai thác từ tất các sinh vật sống gồm cả động vật, thực vật và vi sinh vật. Theo đó, khi phân loại dựa vào đối tượng, công nghệ sinh học thực vật được coi là một nhánh của công nghệ sinh học, bên cạnh công nghệ sinh học động vật và vi sinh vật.
Như vậy, công nghệ sinh học thực vật có thể được hiểu là tập hợp các phương pháp, kỹ thuật để biến tế bào và phân tử sinh học thực vật trở thành những công cụ hoặc sản phẩm hữu ích. Mức độ can thiệp của công nghệ sinh học thực vật chủ yếu là ở cấp độ tế bào hoặc các phân tử sinh học hơn là cá thể. Các công nghệ được phát triển nhờ vào sự hiểu biết về bản chất sinh học của thực vật ở các cấp độ từ cá thể, tế bào, phân tử, kết hợp với sự hỗ trợ của các ngành khoa học và kỹ thuật khác. Những thành tựu tri thức từ các lĩnh vực khoa học sinh học như: sinh học phân tử, sinh học tế bào, sinh lý thực vật, di truyền và vi sinh vật đóng một vai trò nền tảng cho sự phát triển của công nghệ sinh học thực vật.
Các công nghệ của công nghệ sinh học thực vật Dựa vào bản chất, công nghệ sinh học thực vật bao gồm các công nghệ sau: ❖ Công nghệ nuôi cấy mô và tế bào Công nghệ này bao gồm các nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật để nuôi cấy các mô và tế bào thực vật trong điều kiện vô trùng với sự điều khiển quá trình sống của mô và tế bào theo một chủ đích nào đó. Công nghệ nuôi cấy mô và tế bào là công nghệ được ứng dụng sớm và có nhiều thành tựu nổi bật. Nhờ công nghệ nuôi cấy mô và tế bào, nhiều loài cây trồng có giá trị, khó nhân giống bằng các phương thức truyền thống, đã được nhân giống thành công. Bên cạnh đó, các kỹ thuật nuôi cấy tiên tiến cũng đã được ứng dụng như: nuôi cấy đơn bội để tạo dòng thuần, dung hợp tế bào trần (protoplast) tạo tính trạng mới hữu ích, chọn dòng biến dị soma và biến dị giao tử có khả năng chống chịu các điều kiện bất lợi, sản xuất các cây trồng sạch bệnh, bảo tồn nguồn gene in vitro.
Các nguyên lý cơ sở, quy trình kỹ thuật và ứng dụng của công nghệ này được đề cập từ Chương 2 đến Chương 7. ❖ Công nghệ chỉ thị phân tử 4 Chỉ thị phân tử (hay còn gọi là dấu phân tử) là các trình tự DNA đặc hiệu trong hệ gene của sinh vật. Sự hiện diện của các trình tự DNA đặc hiệu này và khoảng cách tương đối giữa chúng phản ánh mức độ khác biệt giữa các cá thể. Do đó, các chỉ thị phân tử được xem là công cụ cực kỳ hiệu quả để nhận biết các cá thể.
Các chỉ thị phân tử cho phép phân biệt sự sai khác về cả kiểu gene và kiểu hình giữa các cá thể, qua đó tạo thuận lợi trong việc đánh giá tính đa dạng sinh học, nhận dạng cá thể cũng như chọn tạo giống. Công nghệ chỉ thị phân tử tìm kiếm các trình tự đặc hiệu, phát triển các chỉ thị phân tử thành các công cụ phân biệt sự khác biệt di truyền giữa các cá thể. Các chỉ thị phân tử còn cho phép xác định trực tiếp kiểu gene thông qua việc xác định trình tự của gene hoặc các trình tự liên kết chặt với gene. Bằng việc phân tích trực tiếp kiểu gene, chỉ thị phân tử khắc phục được những hạn chế của công tác chọn tạo giống dựa vào sự khác biệt kiểu hình.
Các phương pháp tiếp cận nhằm tìm kiếm và phát triển các chỉ thị phân tử và kỹ thuật phân tích đang là vấn đề được quan tâm của công nghệ chỉ thị phân. Trong phạm vi của nội dung, giáo trình không đề cập chi tiết về chủ đề này; tuy nhiên, bạn đọc có thể dễ dàng tham khảo ở rất nhiều tài liệu khác. ❖ Công nghệ gene thực vật Công nghệ gene thực vật (còn gọi là kỹ thuật gene hoặc thao tác gene thực vật) là công nghệ có khả năng làm thay đổi vật chất di truyền của tế bào, qua đó tạo ra tính trạng mới theo chiều hướng mong muốn. Vật chất di truyền của tế bào được thay đổi nhờ vào việc dung hợp các gene ngoại lai vào hệ gene hoặc tiếp nhận các trình tự DNA chức năng có khả năng chỉnh sửa vật chất di truyền của tế bào.
Thay đổi vật chất di truyền ở thực vật bậc cao bằng cách đưa DNA ngoại lai vào trong các tế bào của chúng là một quá trình phức tạp. Tuy nhiên, nhờ vào việc kết hợp các công cụ như: công nghệ nuôi cấy mô và tế bào, công nghệ DNA tái tổ hợp và các kỹ thuật sinh học phân tử đã cho phép quá trình thao tác dễ dàng. Thông tin di truyền được biến nạp vào thực vật không chỉ biểu hiện ở mức độ tế bào và cơ thể mà còn di truyền cho các thế hệ sau. Ngoài việc mở ra triển vọng chuyển các gene có ý nghĩa kinh tế vào cây trồng, biến tế bào thành công cụ đa năng, công nghệ gene thực vật còn là phương tiện quan trọng cho nghiên cứu cấu trúc và hoạt động của gene.
Bên cạnh đó, 5 các vấn đề về an toàn và đạo đức trong hoạt động nghiên cứu và ứng dụng cũng là một vấn đề được các nhà khoa học và quản lí quan tâm. Các nội dung cơ bản liên quan đến công nghệ này được đề cập từ Chương 8 đến Chương 11. Tính toàn năng của tế bào Tính toàn năng là khả năng của một tế bào sinh dưỡng phát triển thành một cá thể hoàn chỉnh. Giả thuyết về nguyên lý này được đưa ra dựa trên nền tảng học thuyết tế bào và sau đó đã được chứng minh bằng thực nghiệm.
Các tế bào chuyển từ trạng thái tế bào sinh dưỡng sang trạng thái tế bào toàn năng thông qua sự tái thiết chương trình tế bào. Tính toàn năng của tế bào là nền tảng cơ sở của công nghệ nuôi cấy mô và tế bào. Tái tổ hợp DNA Sự xuất hiện của hiện tượng tái tổ hợp vật liệu di truyền trong tế bào sinh vật, ví dụ như: trao đổi chéo giữa các đoạn DNA trên các cặp nhiễm sắc thể tương đồng hoặc sự kí sinh của virus trong tế bào vật chủ, là cơ sở để hình thành ý tưởng tạo ra các phân tử DNA tái tổ hợp bằng các kỹ thuật in vitro. Công nghệ DNA tái tổ hợp ra đời với mục tiêu ứng dụng các kỹ thuật sinh học phân tử để tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp từ các nguồn di truyền khác nhau.
Các phân tử DNA tái tổ hợp được chuyển vào tế bào vật chủ với các mục đích khác nhau như: nghiên cứu chức năng của trình tự DNA, tạo dòng hoặc biểu hiện gene. Các enzyme cắt giới hạn, enzyme nối, enzyme tổng hợp DNA là những công cụ quan trọng được sử dụng để tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp. Công nghệ DNA tái tổ hợp đóng một vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghệ sinh học thực vật. Nó là công cụ cần thiết cho mục đích thay đổi nhân tạo vật chất di truyền.
Một quy trình công nghệ DNA tái tổ hợp dựa trên nền tảng hệ thống enzyme cắt giới hạn và nối bao gồm nhiều bước khác nhau. Hiện nay, công nghệ DNA tái tổ hợp được mở rộng thành kỹ thuật di truyền (genetic engineering) với sự kết hợp của các kỹ thuật phân tử và các hệ thống công cụ phân tử tạo ra sự chính xác và linh hoạt trong quá trình thao tác vật liệu di truyền trong tế bào. Biến nạp di truyền Biến nạp di truyền là hiện tượng dung hợp vật chất di truyền ngoại lai và thay đổi bản chất di truyền của tế bào nhận. Sự biến nạp di truyền xảy ra ở sinh vật lần đầu tiên được quan sát ở vi khuẩn bởi Frederick Griffith vào năm 1928.
Biến nạp di truyền cũng có khả năng xảy ra ở thực vật, điển hình như quá trình chuyển vật chất di truyền của vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens gây nốt sần vào trong tế bào cây họ đậu, hoặc xâm nhiễm của các virus gây bệnh thực vật.