Nghiên cứu chuyển gen để nâng cao năng suất hạt ở cây đậu tương Glycine max L. Merr

• Tác giả: Nguyễn Tránh Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Khuất Hữu Trung
• Trường học: Trường Đại Học Nông Lâm
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nâng Cao Năng Suất Hạt Đậu Tương Qua Nghiên Cứu Chuyển Gen
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

I. Tính cấp thiết của đề tài

Nâng cao năng suất hạt đậu tương là một trong những vấn đề cấp bách trong nông nghiệp hiện nay. Đậu tương (Glycine max) được coi là cây trồng quan trọng, đóng góp lớn vào nền kinh tế nông nghiệp. Tuy nhiên, sản lượng đậu tương tại Việt Nam đang giảm sút nghiêm trọng, từ 197.800 ha năm 2010 xuống còn 37.000 ha năm 2021. Nguyên nhân chủ yếu là do sâu bệnh và áp dụng kỹ thuật chậm. Việc nghiên cứu nghiên cứu chuyển gen nhằm cải thiện năng suất và chất lượng hạt đậu tương là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là cải thiện năng suất hạt đậu tương thông qua nghiên cứu chuyển gen. Cụ thể, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc xác định các gen có khả năng nâng cao năng suất và khả năng chống chịu của cây đậu tương. Việc áp dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo giống sẽ giúp tạo ra các giống đậu tương có năng suất cao hơn, đồng thời giảm thiểu thiệt hại do sâu bệnh. Nghiên cứu cũng sẽ đánh giá hiệu quả của các phương pháp chuyển gen hiện đại như sử dụng vi khuẩn Agrobacterium và súng bắn gen.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sẽ sử dụng các phương pháp kỹ thuật di truyền để thực hiện chuyển gen vào cây đậu tương. Các giống đậu tương sẽ được nuôi cấy in vitro để đánh giá khả năng tái sinh và tiếp nhận gen. Sau đó, các gen được chọn sẽ được tách dòng và thiết kế vector chuyển gen. Việc chuyển gen sẽ được thực hiện thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens, một phương pháp hiệu quả trong nghiên cứu chuyển gen thực vật. Kết quả sẽ được đánh giá thông qua các chỉ tiêu sinh trưởng và phát triển của cây đậu tương chuyển gen.

IV. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng tái sinh của các giống đậu tương là khả thi. Việc chuyển gen kìm hãm già hóa lá Ore1 vào cây đậu tương đã thành công, với các dòng chuyển gen thể hiện sự sinh trưởng tốt hơn so với giống đối chứng. Các chỉ tiêu như chiều cao cây, số lượng lá và năng suất hạt đều được cải thiện đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ gen có thể được áp dụng hiệu quả trong việc nâng cao năng suất hạt đậu tương. Kết quả này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc phát triển nông nghiệp bền vững.

V. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ góp phần nâng cao năng suất hạt đậu tương mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành nông nghiệp Việt Nam. Việc áp dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo giống cây trồng sẽ giúp tăng cường khả năng chống chịu với điều kiện ngoại cảnh khắc nghiệt, từ đó giảm thiểu thiệt hại do sâu bệnh. Hơn nữa, nghiên cứu cũng sẽ tạo ra các giống đậu tương có chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất khẩu. Điều này có thể giúp Việt Nam giảm thiểu tình trạng nhập khẩu đậu tương, đồng thời nâng cao giá trị kinh tế cho nông dân.

Tổng quan nghiên cứu

Đậu tương (Glycine max (L.) Merrill) là cây trồng nông nghiệp quan trọng thứ ba tại Việt Nam, sau lúa và ngô, với nhu cầu sử dụng ngày càng tăng trong công nghiệp thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và sản xuất dầu ăn. Tuy nhiên, diện tích trồng đậu tương trong nước liên tục giảm mạnh, từ khoảng 119,6 nghìn ha năm 2012 xuống còn 37,3 nghìn ha năm 2021, giảm gần 70%. Sản lượng cũng giảm từ 173,5 nghìn tấn xuống còn 60,2 nghìn tấn trong cùng giai đoạn, trong khi năng suất chỉ tăng nhẹ từ 14,5 tấn/ha lên 16,1 tấn/ha, vẫn thấp hơn khoảng 65% so với năng suất trung bình thế giới. Việt Nam hiện phải nhập khẩu khoảng 4,9 triệu tấn đậu tương mỗi năm với chi phí lên tới 2,7 tỷ USD, gây áp lực lớn cho ngành nông nghiệp.

Trước thực trạng này, việc nghiên cứu chuyển gen nhằm tạo ra các giống đậu tương có năng suất cao, chất lượng tốt và khả năng chống chịu sâu bệnh, điều kiện ngoại cảnh là rất cần thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu chuyển gen gen kìm hãm già hóa lá Atore1 vào các giống đậu tương Việt Nam nhằm kéo dài tuổi thọ bộ lá, từ đó nâng cao năng suất hạt. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2022 tại Khoa Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Nông Lâm, Thái Nguyên, với mục tiêu tạo ra các dòng đậu tương chuyển gen ổn định, có năng suất hạt tăng trên 18% so với giống đối chứng không chuyển gen.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về công nghệ chuyển gen và kỹ thuật nuôi cấy mô thực vật in vitro. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Lý thuyết chuyển gen qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens: Vi khuẩn này được sử dụng làm vector sinh học để chuyển gen Atore1 vào bộ gen đậu tương. Quá trình chuyển gen dựa trên sự xâm nhiễm của vi khuẩn vào mô thực vật qua vết thương, sau đó sợi T-DNA mang gen mục tiêu được tích hợp vào hệ gen thực vật.

• Lý thuyết tái sinh mô thực vật in vitro: Kỹ thuật nuôi cấy mô nhằm tái sinh cây hoàn chỉnh từ các mẫu mô như nốt lá mầm, trụ dưới lá mầm, phôi soma. Các yếu tố sinh trưởng thực vật như BAP, kinetin, GA3, IBA được điều chỉnh để tối ưu hóa khả năng tái sinh và phát triển cây con.

Các khái niệm chính bao gồm: gen kìm hãm già hóa lá (ORE1), vector chuyển gen pER8-Atore1, kỹ thuật PCR và Southern blot để xác định sự có mặt và biểu hiện gen chuyển, cũng như các chỉ số sinh trưởng và năng suất hạt của cây chuyển gen.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các giống đậu tương Việt Nam (30 giống, bao gồm giống canh tác phổ biến và giống địa phương) cùng hai giống mô hình Kwangan KW và William82. Nghiên cứu được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm, nhà kính và nhà lưới tại Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên từ năm 2019 đến 2022.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Kỹ thuật nuôi cấy in vitro: Sử dụng mẫu nốt lá mầm, trụ dưới lá mầm để khảo sát khả năng tái sinh chồi và rễ, tối ưu hóa môi trường nuôi cấy với các nồng độ BAP, kinetin, GA3, IBA phù hợp từng giống.

• Chuyển gen bằng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens: Thiết kế vector pER8-Atore1 mang gen kìm hãm già hóa lá Atore1, biến nạp vi khuẩn, lây nhiễm mẫu mô đậu tương, chọn lọc cây chuyển gen trên môi trường chứa kháng sinh.

• Phân tích phân tử: Xác định sự có mặt của gen chuyển bằng PCR, đánh giá biểu hiện gen bằng phân tích hình thái, Southern blot và các chỉ số sinh trưởng.

• Đánh giá sinh trưởng và năng suất: So sánh các chỉ số sinh trưởng, tuổi thọ bộ lá, hàm lượng diệp lục và năng suất hạt giữa các dòng chuyển gen và đối chứng không chuyển gen qua các thế hệ T0 đến T3.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hàng trăm mẫu mô và cây con được xử lý, chọn lọc và đánh giá theo từng giai đoạn nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng tái sinh in vitro và tiếp nhận gen của các giống đậu tương Việt Nam: Một số giống như T22, VX93, VN11, VN9, VN6, VN5, VN10, T26 có khả năng tái sinh chồi và rễ cao, phù hợp cho chuyển gen. Tỷ lệ tái sinh chồi đạt trên 75% khi sử dụng môi trường MS bổ sung 1 mg/l BAP và 0,5 mg/l 2,4-D.

2. Thiết kế và xác nhận vector chuyển gen pER8-Atore1: Vector mang gen Atore1 được thiết kế thành công, biểu hiện tốt trên cây mô hình Arabidopsis thaliana với tỷ lệ chuyển gen thành công trên 60%. Các cây chuyển gen Arabidopsis có tuổi thọ lá kéo dài hơn 15-30 ngày so với đối chứng.

3. Chuyển gen Atore1 vào đậu tương và chọn lọc dòng chuyển gen ổn định: Qua các thế hệ T0, T1, T2 và T3, đã chọn lọc được 2 dòng đậu tương đồng hợp tử mang gen Atore1 với kiểu gen ổn định. Tuổi thọ bộ lá của các dòng này kéo dài hơn 17-22 ngày so với cây đối chứng không chuyển gen.

4. Năng suất hạt tăng đáng kể: Các dòng đậu tương chuyển gen Atore1 có năng suất hạt tăng trên 18% so với giống đối chứng không chuyển gen, với hàm lượng diệp lục tăng trung bình 30%, góp phần nâng cao hiệu quả quang hợp và sinh trưởng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kéo dài tuổi thọ bộ lá thông qua chuyển gen Atore1 là hướng đi hiệu quả để nâng cao năng suất hạt đậu tương. Khả năng tái sinh in vitro và tiếp nhận gen của các giống đậu tương Việt Nam được tối ưu hóa, phù hợp với điều kiện chuyển gen bằng vi khuẩn Agrobacterium. So với các nghiên cứu trước đây trên cây Arabidopsis và lúa, việc ứng dụng gen kìm hãm già hóa lá Atore1 trên đậu tương đã thành công trong việc kéo dài thời gian sinh trưởng của lá, từ đó tăng cường quang hợp và năng suất.

Biểu đồ so sánh tuổi thọ bộ lá và năng suất hạt giữa các dòng chuyển gen và đối chứng có thể minh họa rõ ràng sự khác biệt tích cực của gen Atore1. Bảng phân tích PCR và Southern blot xác nhận sự ổn định của gen chuyển qua các thế hệ cũng củng cố tính bền vững của giống chuyển gen.

Kết quả này phù hợp với xu hướng nghiên cứu chuyển gen nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng trên thế giới, đồng thời góp phần giải quyết bài toán thiếu hụt nguồn giống đậu tương năng suất cao tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng ứng dụng chuyển gen Atore1 trên các giống đậu tương phổ biến: Thực hiện chuyển gen và chọn lọc dòng chuyển gen trên diện rộng các giống đậu tương canh tác tại các vùng sinh thái khác nhau nhằm đa dạng hóa nguồn giống năng suất cao. Thời gian thực hiện: 3-5 năm. Chủ thể: Viện nghiên cứu nông nghiệp, các trường đại học.

2. Xây dựng quy trình sản xuất giống chuyển gen quy mô công nghiệp: Phát triển quy trình nhân giống vô tính và sản xuất hạt giống chuyển gen ổn định, đảm bảo chất lượng và an toàn sinh học. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: Trung tâm giống cây trồng, doanh nghiệp công nghệ sinh học.

3. Đào tạo và chuyển giao kỹ thuật cho nông dân và cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật trồng, chăm sóc và quản lý giống đậu tương chuyển gen nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: Sở NN&PTNT, các tổ chức khuyến nông.

4. Nghiên cứu bổ sung các gen cải thiện tính chống chịu sâu bệnh và điều kiện ngoại cảnh: Kết hợp gen Atore1 với các gen kháng sâu bệnh, chịu hạn để tạo ra giống đậu tương đa tính trạng, thích ứng với biến đổi khí hậu. Thời gian: 5 năm trở lên. Chủ thể: Các viện nghiên cứu công nghệ sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên công nghệ sinh học nông nghiệp: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo về kỹ thuật chuyển gen, nuôi cấy mô và chọn tạo giống đậu tương chuyển gen.

2. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển giống cây trồng: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển giống đậu tương năng suất cao, phù hợp với điều kiện Việt Nam.

3. Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh giống cây trồng: Tham khảo quy trình chuyển gen và chọn lọc dòng chuyển gen để đầu tư sản xuất giống chuyển gen thương mại.

4. Cán bộ kỹ thuật và nông dân trồng đậu tương: Nắm bắt kiến thức về giống chuyển gen, kỹ thuật trồng và chăm sóc nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Chuyển gen Atore1 có ảnh hưởng đến chất lượng hạt đậu tương không?
   Kết quả nghiên cứu cho thấy gen Atore1 chủ yếu kéo dài tuổi thọ bộ lá, tăng cường quang hợp, từ đó nâng cao năng suất hạt mà không làm thay đổi thành phần dinh dưỡng hay chất lượng hạt. Ví dụ, hàm lượng protein và dầu trong hạt không bị ảnh hưởng tiêu cực.

2. Tỷ lệ thành công chuyển gen bằng vi khuẩn Agrobacterium là bao nhiêu?
   Tỷ lệ chuyển gen thành công trên cây mô hình Arabidopsis đạt trên 60%, còn trên đậu tương dao động từ 30-50% tùy giống và điều kiện nuôi cấy. Việc tối ưu môi trường nuôi cấy và mật độ vi khuẩn giúp nâng cao hiệu quả.

3. Các dòng đậu tương chuyển gen có ổn định qua các thế hệ không?
   Các dòng đồng hợp tử thế hệ T3 được chọn lọc có kiểu gen ổn định, biểu hiện gen Atore1 bền vững và duy trì các đặc tính kéo dài tuổi thọ lá và năng suất cao qua các thế hệ.

4. Có rủi ro nào khi sử dụng giống đậu tương chuyển gen không?
   Giống chuyển gen được kiểm soát nghiêm ngặt về an toàn sinh học, không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người. Việc tuân thủ quy trình chọn lọc và đánh giá kỹ càng giúp giảm thiểu rủi ro.

5. Liệu kỹ thuật chuyển gen này có thể áp dụng cho các cây trồng khác?
   Kỹ thuật chuyển gen và nuôi cấy mô in vitro có thể áp dụng cho nhiều loại cây trồng khác nhau, đặc biệt là các cây công nghiệp và cây lương thực có giá trị kinh tế cao, mở rộng khả năng cải thiện năng suất và chất lượng.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc chuyển gen Atore1 vào các giống đậu tương Việt Nam, kéo dài tuổi thọ bộ lá và nâng cao năng suất hạt trên 18%.
• Đã thiết kế và xác nhận vector chuyển gen pER8-Atore1, đồng thời tối ưu hóa quy trình nuôi cấy in vitro và chuyển gen bằng vi khuẩn Agrobacterium.
• Chọn lọc được các dòng đậu tương đồng hợp tử thế hệ T3 ổn định về kiểu gen và biểu hiện gen chuyển.
• Kết quả nghiên cứu góp phần quan trọng vào phát triển kỹ thuật chuyển gen và chọn tạo giống đậu tương năng suất cao tại Việt Nam.
• Đề xuất mở rộng ứng dụng chuyển gen, xây dựng quy trình sản xuất giống quy mô công nghiệp và đào tạo chuyển giao kỹ thuật cho nông dân.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý phối hợp triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tiễn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu bổ sung các gen cải thiện tính chống chịu và chất lượng đậu tương.