Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp đại học ngành Công nghệ sinh học của tác giả Phạm Thị Hiệng, thực hiện tại Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên (năm 2015) dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Ngô Xuân Bình và ThS. Nguyễn Thị Tình, tập trung vào đề tài: "Nghiên cứu khả năng nhân giống cây Giảo cổ lam (Gynostemma pentaphyllum) bằng phương pháp in vitro".

Giảo cổ lam (Gynostemma pentaphyllum (Thunb.) Makino) thuộc họ Bầu bí (Cucurbitaceae), là loài dược liệu quý chứa hơn 100 loại saponin (nhiều loại có cấu trúc tương tự ginsenoside trong nhân sâm và tam thất) cùng hàm lượng cao flavonoid. Dược liệu này có tác dụng hạ mỡ máu, ổn định huyết áp, hạ đường huyết, chống oxy hóa, hỗ trợ điều trị bệnh tim mạch và hạn chế sự phát triển của một số dòng tế bào khối u. Nhu cầu khai thác thương mại để làm trà, thuốc đông dược và thực phẩm chức năng ngày càng tăng khiến các quần thể Giảo cổ lam tự nhiên tại vùng núi đá vôi phía Bắc (Lào Cai, Cao Bằng, Bắc Kạn...) bị suy giảm nghiêm trọng. Loài cây này đã được đưa vào Sách đỏ Việt Nam (phân hạng IUCN 1994: EN A1a,c,d). Phương pháp nhân giống truyền thống bằng hạt bị hạn chế bởi tính phân ly di truyền, hạt nhanh mất sức nảy mầm và thời gian ngủ nghỉ kéo dài; trong khi phương pháp giâm cành hom thông thường dễ tích lũy và lây truyền mầm bệnh qua các thế hệ. Kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào thực vật (in vitro) là giải pháp tối ưu nhằm sản xuất số lượng lớn cây giống đồng đều, sạch nấm khuẩn và bảo tồn nguồn gen quý.

Mục tiêu chung của nghiên cứu là tìm ra quy trình nhân nhanh giống Giảo cổ lam bằng phương pháp in vitro. Cụ thể, tác giả xác định 4 nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Xác định ảnh hưởng của thời gian khử trùng bằng dung dịch HgCl2 0,1% đến khả năng tạo vật liệu sạch nấm, vi khuẩn cây Giảo cổ lam.
  2. Xác định ảnh hưởng của hàm lượng môi trường MS đến khả năng tái sinh chồi cây Giảo cổ lam.
  3. Xác định ảnh hưởng của hàm lượng một số chất kích thích sinh trưởng (Kinetin, BA, NAA) đến khả năng nhân nhanh chồi Giảo cổ lam.
  4. Xác định ảnh hưởng của hàm lượng auxin (IBA) đến khả năng ra rễ cây Giảo cổ lam.

Đối tượng nghiên cứu là loài Giảo cổ lam 5 lá (Gynostemma pentaphyllum (Thunb.) Makino) thu thập tại tỉnh Bắc Kạn và Thái Nguyên, sau đó trồng tại vườn lan thuộc Khoa Công nghệ Sinh học – Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên. Mẫu vật liệu cấy ban đầu là các đoạn thân non mang mắt ngủ ở nách lá. Không gian thực nghiệm diễn ra tại Phòng nuôi cấy mô tế bào thực vật của Khoa, thời gian thực hiện từ tháng 12/2014 đến tháng 05/2015.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nguyên lý tính toàn năng của tế bào thực vật (Murashige & Skoog, 1962), cơ chế phân hóa và phản phân hóa tế bào dưới sự điều tiết của các nhóm phytohormone ngoại sinh. Tác giả vận dụng quy luật tương quan nồng độ giữa nhóm cytokinin (Kinetin, 6-Benzylaminopurine - BA) và auxin (α-Naphthalene acetic acid - NAA, Indole-3-butyric acid - IBA) để định hướng phát sinh hình thái chồi bất định và hình thành rễ.

Môi trường dinh dưỡng cơ bản được sử dụng xuyên suốt là Murashige & Skoog (MS, 1962), chứa đầy đủ khoáng đa lượng, vi lượng, vitamin nhóm B (B1, B3, B6), bổ sung myo-inositol 100 mg/l, đường saccharose 30 g/l và agar 5 g/l để làm đông môi trường. Độ pH được chuẩn hóa ở mức 5,6 - 5,8 trước khi hấp khử trùng ở 121°C trong 20 phút. Điều kiện phòng nuôi cấy được kiểm soát ổn định: nhiệt độ 25 ± 2°C, chu kỳ chiếu sáng 16 giờ sáng và 8 giờ tối, cường độ chiếu sáng 2000 - 2500 lux, độ ẩm phòng nuôi 60 - 65%.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế theo khối ngẫu nhiên hoàn toàn (CRD):

  • Khử trùng mẫu: Mẫu mắt ngủ được làm sạch sơ bộ bằng xà phòng loãng, tráng nước sạch, xử lý bề mặt bằng cồn 70° trong 45 giây trong tủ cấy vô trùng cấp II, rửa 3 - 4 lần bằng nước cất khử trùng, sau đó ngâm dung dịch HgCl2 0,1% theo các mốc thời gian 0 (đối chứng), 5, 7, và 10 phút, rồi tráng lại 5 - 7 lần bằng nước cất vô trùng.
  • Tái sinh và cảm ứng chồi: So sánh môi trường dinh dưỡng MS nguyên nồng độ và 1/2 MS. Khảo sát bổ sung Kinetin đơn lẻ ở các dải nồng độ 0,0; 0,2; 0,4; 0,5; 1,5 mg/l (theo dõi sau 20 ngày nuôi cấy).
  • Nhân nhanh chồi: Bổ sung tổ hợp Kinetin (nồng độ tối ưu 0,5 mg/l) kết hợp với BA (0,0; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0 mg/l) hoặc kết hợp với NAA (0,0; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 mg/l), theo dõi sau 30 ngày nuôi cấy.
  • Kích thích tạo rễ in vitro: Bổ sung IBA ở các mức 0,0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 mg/l (hoặc dải kiểm tra lên tới 1,0 mg/l), theo dõi sau 30 ngày nuôi cấy.

Mỗi công thức thí nghiệm được lặp lại 3 lần, mỗi lần từ 10 đến 15 mẫu. Số liệu định lượng được tổng hợp bằng Microsoft Excel 2007 và xử lý thống kê bằng phần mềm IRRISTART 4.0; phân tích sai khác giữa các giá trị trung bình bằng phép thử LSD (Least Significant Difference) ở mức ý nghĩa p = 0,05 (độ tin cậy 95%) cùng hệ số biến động CV%.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Mở đầu

Phần này trình bày lý do chọn đề tài dựa trên hiện trạng cạn kiệt nguồn tài nguyên Giảo cổ lam ngoài tự nhiên và nhu cầu nguyên liệu sạch bệnh cho ngành dược phẩm. Tác giả xác định mục tiêu xây dựng quy trình nhân giống vô tính in vitro từ đoạn thân non mang mắt ngủ, phân kỳ thành 4 nội dung kỹ thuật tương ứng với 4 giai đoạn sinh trưởng mô tế bào, đồng thời khẳng định ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình.

Phần 2: Tổng quan tài liệu

Tác giả hệ thống hóa các tư liệu khoa học về cây Giảo cổ lam: vị trí phân loại học (ngành Ngọc lan, lớp Ngọc lan, họ Bầu bí Cucurbitaceae, chi Gynostemma, loài G. pentaphyllum), đặc điểm hình thái thân thảo leo có tua cuốn, lá kép chân vịt 5 lá chét, hoa đơn tính khác gốc và quả mọng hình cầu. Tổng quan nêu bật các nghiên cứu hóa thực vật xác định 15 nguyên tố vô cơ và hơn 100 loại saponin dammaran (gypenoside, phanoside) có hoạt tính kích thích giải phóng insulin, hạ cholesterol, bảo vệ cơ tim và ức chế tế bào ung thư. Phần này cũng phân tích cơ sở sinh lý nuôi cấy mô (tính toàn năng, phân hóa tế bào, vai trò của auxin và cytokinin ngoại sinh) và tổng kết các công trình nhân giống Giảo cổ lam trong và ngoài nước của Zhang (1989), Anchalee Jale (2012), Phạm Thanh Kỳ (2000, 2007) và Viện Dược liệu.

Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung chương mô tả chi tiết nguồn gốc vật liệu thực vật (Bắc Kạn, Thái Nguyên), thông số kỹ thuật của trang thiết bị thí nghiệm (tủ cấy Airtech, máy đo pH Hanna HI2210, nồi hấp ALP, cân phân tích Olhous-Vietlabcu, tủ sấy Memmert). Chương này cung cấp công thức tính toán tường minh cho các chỉ tiêu theo dõi: tỷ lệ mẫu chết (%), tỷ lệ mẫu nhiễm vi khuẩn/nấm (%), tỷ lệ mẫu sống không nhiễm (%), tỷ lệ tái sinh chồi (%), hệ số nhân chồi (số chồi thu được trên tổng số mẫu cấy), số rễ trung bình trên cây và tiêu chí định tính phân loại chất lượng chồi (tốt, trung bình, kém) cùng chất lượng rễ (tốt, trung bình, kém).

Phần 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 là phần nội dung thực nghiệm trọng tâm, trình bày dữ liệu đo đạc cụ thể qua 5 thí nghiệm riêng biệt:

  1. Hiệu quả khử trùng mẫu vật liệu bằng HgCl2 0,1% (sau 10 ngày): Đối chứng không xử lý HgCl2 có tỷ lệ nhiễm đạt 100%. Khi xử lý HgCl2 0,1% trong 5 phút, tỷ lệ mẫu sống không nhiễm đạt cao nhất là 86,67% (tỷ lệ chết 6,67%, tỷ lệ nhiễm 6,67%). Khi kéo dài thời gian khử trùng lên 7 phút và 10 phút, độc tính của thủy ngân clorua làm tăng tỷ lệ mẫu chết lên tương ứng 8,89% và 77,05%, khiến tỷ lệ mẫu sống không nhiễm giảm mạnh xuống 20,00% và 17,77%.
Công thức Thời gian ngâm HgCl2 0,1% (phút) Tổng số mẫu (mẫu) Tỷ lệ mẫu chết (%) Tỷ lệ mẫu nhiễm (%) Tỷ lệ mẫu sống không nhiễm (%)
CT1 (Đ/C) 0 45 0,00 100,00 0,00
CT2 5 45 6,67 6,67 86,67
CT3 7 45 8,89 71,11 20,00
CT4 10 45 77,05 5,12 17,77
  1. Ảnh hưởng của môi trường MS và 1/2 MS đến khả năng tái sinh chồi (sau 20 ngày): Môi trường MS nguyên nồng độ khoáng cho tỷ lệ tái sinh chồi đạt 86,67% (26/30 mẫu), chồi sinh trưởng mập và có màu xanh đậm. Môi trường giảm nồng độ khoáng 1/2 MS chỉ đạt tỷ lệ tái sinh 70,00% (21/30 mẫu). Sự sai khác giữa hai môi trường có ý nghĩa thống kê ở mức p = 0,05 (LSD0.05 = 9,23; CV = 5,2%).

  2. Ảnh hưởng của nồng độ Kinetin đến cảm ứng tạo chồi (sau 20 ngày): Bổ sung Kinetin thúc đẩy mạnh mẽ khả năng bật chồi nách so với đối chứng không bổ sung (76,67%). Nồng độ Kinetin 0,5 mg/l cho tỷ lệ bật chồi đạt tuyệt đối 100% (30/30 mẫu), tuy nhiên chồi mảnh và nhỏ. Ở nồng độ Kinetin 0,4 mg/l, tỷ lệ bật chồi đạt 86,67% và chồi có hình thái mập, xanh đậm. Khi tăng nồng độ lên 1,5 mg/l, tỷ lệ bật chồi giảm xuống 90,00%. Nồng độ 0,5 mg/l Kinetin được lựa chọn làm môi trường nền (ký hiệu A) cho các thí nghiệm nhân nhanh kế tiếp.

Công thức Hàm lượng Kinetin (mg/l) Số mẫu nuôi cấy Số mẫu bật chồi Tỷ lệ bật chồi (%) Chất lượng chồi
CT1 (Đ/C) 0,0 30 23 76,67 Mập, xanh
CT2 0,2 30 25 83,33 Mập, xanh
CT3 0,4 30 26 86,67 Mập, xanh
CT4 0,5 30 30 100,00 Nhỏ, xanh
CT5 1,5 30 27 90,00 Nhỏ, xanh
  1. Ảnh hưởng của tổ hợp chất điều hòa sinh trưởng đến khả năng nhân nhanh chồi (sau 30 ngày):
    • Tổ hợp MS + Kinetin 0,5 mg/l + BA: Hệ số nhân chồi tăng tỷ lệ thuận với nồng độ BA từ 0,1 đến 0,5 mg/l. Nồng độ BA 0,5 mg/l cho hệ số nhân cao nhất đạt 4,36 lần (thu được 131 chồi/30 mẫu ban đầu), chồi có kích thước nhỏ. Ở nồng độ BA 0,3 mg/l, hệ số nhân đạt 2,93 lần (88 chồi) với chất lượng chồi mập và xanh tốt. Khi tăng BA lên 1,0 mg/l, hệ số nhân giảm còn 3,93 lần (LSD0.05 = 0,25; CV = 4,7%).
    • Tổ hợp MS + Kinetin 0,5 mg/l + NAA: Nồng độ NAA 0,2 mg/l cho hệ số nhân chồi đạt đỉnh ở mức 3,33 lần (thu 100 chồi/30 mẫu), chồi nhỏ và xanh. Ở nồng độ NAA 0,05 mg/l, hệ số nhân đạt 1,86 lần nhưng chồi đạt phẩm chất mập khỏe. Khi tăng NAA lên 0,5 mg/l, hệ số nhân giảm xuống 2,90 lần (LSD0.05 = 0,16; CV = 4,1%).
Công thức Kinetin (mg/l) BA (mg/l) Hệ số nhân BA (lần) NAA (mg/l) Hệ số nhân NAA (lần)
CT1 (Đ/C) 0,5 0,00 1,00 0,00 1,00
CT2 0,5 0,10 2,20 0,05 1,86
CT3 0,5 0,30 2,93 0,10 2,26
CT4 0,5 0,50 4,36 0,20 3,33
CT5 0,5 1,00 3,93 0,50 2,90
  1. Ảnh hưởng của hàm lượng IBA đến khả năng kích thích ra rễ (sau 30 ngày): Đối chứng không bổ sung auxin chỉ tạo trung bình 1,1 rễ/cây với đặc điểm rễ mảnh ngắn. Bổ sung auxin IBA kích thích mạnh mẽ sự hình thành rễ bất định. Công thức MS bổ sung IBA 0,1 mg/l đạt số rễ trung bình cao nhất là 4,16 rễ/cây, hệ rễ phát triển dài và khỏe mạnh. Khi tăng nồng độ IBA lên 0,2 mg/l, số rễ đạt 3,86 rễ/cây (rễ khỏe, dài); ở nồng độ 0,3 mg/l rễ ngắn lại; và ở 0,4 mg/l số rễ tiếp tục giảm xuống 3,10 rễ/cây với chất lượng rễ nhỏ và ngắn (CV = 4,23%).

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã xác lập các thông số kỹ thuật cho từng công đoạn nhân giống in vitro cây Giảo cổ lam 5 lá:

  • Khử trùng bề mặt đoạn thân chứa mắt ngủ: Xử lý cồn 70° trong 45 giây kết hợp dung dịch HgCl2 0,1% trong thời gian 5 phút cho tỷ lệ tạo mẫu sạch nấm khuẩn đạt 86,67%.
  • Môi trường tái sinh và cảm ứng tạo chồi: Môi trường MS cơ bản bổ sung 0,5 mg/l Kinetin cho tỷ lệ tạo chồi đạt 100%. Nếu ưu tiên phẩm chất chồi mập xanh, nồng độ Kinetin 0,4 mg/l cho tỷ lệ đạt 86,67%.
  • Môi trường nhân nhanh chồi: Bổ sung tổ hợp 0,5 mg/l Kinetin và 0,5 mg/l BA cho hệ số nhân cao nhất đạt 4,36 lần sau 30 ngày nuôi cấy; hoặc bổ sung 0,5 mg/l Kinetin kết hợp 0,2 mg/l NAA cho hệ số nhân đạt 3,33 lần.
  • Môi trường tạo rễ tạo cây hoàn chỉnh: Môi trường MS bổ sung 0,1 mg/l IBA kích thích chồi ra rễ đạt 4,16 rễ/cây, rễ dài và sinh trưởng khỏe mạnh.

Về mặt đóng góp khoa học, kết quả nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng mối tương quan giữa cytokinin và auxin trên đối tượng Giảo cổ lam xuất xứ vùng miền núi phía Bắc. Công trình khẳng định sự phối hợp giữa Kinetin và BA có hiệu lực gia tăng hệ số nhân chồi vượt trội so với phối hợp Kinetin với NAA. Về mặt thực tiễn, quy trình kỹ thuật này cung cấp cơ sở để chủ động nhân nhanh số lượng lớn cây giống sạch virus và vi sinh vật gây hại, giảm bớt áp lực khai thác cạn kiệt từ các quần thể tự nhiên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận hoàn thành mục tiêu xây dựng các giai đoạn in vitro trong phòng thí nghiệm, song vẫn tồn tại một số hạn chế gắn liền với phạm vi nghiên cứu:

  • Đề tài chỉ dừng lại ở bước tạo cây con hoàn chỉnh có rễ trong bình tam giác thủy tinh, chưa tiến hành thử nghiệm giai đoạn huấn luyện (ra ngôi) cây con ngoài vườn ươm, chưa xác định tỷ lệ sống sót của cây giống khi chuyển giao sang các loại giá thể đất thực tế.
  • Khóa luận chưa tiến hành định lượng hàm lượng hoạt chất đặc trưng (saponin toàn phần, flavonoid) của cây con tái sinh in vitro để so sánh đối chứng với cây mẹ thu hái ngoài tự nhiên.
  • Các hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung: thử nghiệm công thức giá thể (xơ dừa, mùn, đất cát) và chế độ che sáng, độ ẩm thích hợp cho giai đoạn thuần dưỡng cây giống ngoài tự nhiên; đồng thời phân tích hóa học đánh giá sự ổn định hàm lượng gypenoside của các thế hệ nhân giống vô tính.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành trực tiếp cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các ngành Công nghệ sinh học, Nông học, Dược liệu học và Lâm nghiệp.

Các phần có giá trị trích dẫn và ứng dụng cao trong tài liệu bao gồm:

  • Quy trình khử trùng mô thực vật dạng dây leo thân thảo tiếp xúc sát mặt đất bằng HgCl2 0,1% với mốc thời gian chuẩn hóa 5 phút.
  • Dải nồng độ chất điều hòa sinh trưởng chi tiết (Kinetin, BA, NAA, IBA) phục vụ xây dựng môi trường dinh dưỡng nuôi cấy mô các loài thuộc chi Gynostemma hoặc họ Bầu bí (Cucurbitaceae).
  • Phương pháp bố trí thí nghiệm ngẫu nhiên hoàn toàn (CRD), hệ thống công thức tính chỉ tiêu hình thái in vitro và quy trình xử lý phương sai thống kê nông học thông qua phần mềm IRRISTART 4.0.

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu vật liệu khởi đầu được sử dụng trong nghiên cứu là bộ phận nào và thu thập từ đâu? Mẫu khởi đầu là các đoạn thân non mang mắt ngủ ở nách lá của cây Giảo cổ lam 5 lá (Gynostemma pentaphyllum (Thunb.) Makino), được thu thập tại hai tỉnh Bắc Kạn và Thái Nguyên, sau đó trồng lưu giữ tại vườn lan thuộc Khoa Công nghệ Sinh học – Công nghệ Thực phẩm, Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.

2. Tại sao tác giả chọn mốc thời gian 5 phút khi khử trùng bằng HgCl2 0,1%? Thực nghiệm sau 10 ngày cho thấy ngâm mẫu trong HgCl2 0,1% trong 5 phút đạt tỷ lệ mẫu sống không nhiễm cao nhất (86,67%), tỷ lệ chết và nhiễm đều ở mức thấp (6,67%). Nếu tăng thời gian ngâm lên 7 phút hoặc 10 phút, hóa chất gây độc tế bào thực vật làm tỷ lệ chết tăng vọt lên lần lượt 8,89% và 77,05%, khiến tỷ lệ mẫu sạch sống sót giảm chỉ còn 20,00% và 17,77%.

3. Công thức dinh dưỡng nào cho hệ số nhân chồi Giảo cổ lam cao nhất trong các thí nghiệm? Công thức môi trường nền MS bổ sung 0,5 mg/l Kinetin kết hợp với 0,5 mg/l BA mang lại hệ số nhân chồi cao nhất, đạt 4,36 lần sau 30 ngày nuôi cấy (tạo ra 131 chồi từ 30 mẫu ban đầu), vượt trội hơn so với công thức phối hợp Kinetin với NAA (chỉ đạt tối đa 3,33 lần ở mức 0,2 mg/l NAA).

4. Yếu tố nào quyết định đến tỷ lệ và chất lượng ra rễ của chồi in vitro? Chất kích thích sinh trưởng nhóm auxin là IBA đóng vai trò quyết định. Bổ sung IBA ở nồng độ thấp 0,1 mg/l trên nền môi trường MS cho số rễ trung bình cao nhất đạt 4,16 rễ/cây với chất lượng rễ mập khỏe, dài; trong khi đối chứng không có auxin chỉ đạt 1,1 rễ/cây và rễ ngắn, mảnh.

5. Khóa luận sử dụng công cụ thống kê nào để kiểm chứng độ tin cậy của các số liệu thực nghiệm? Tác giả sử dụng bảng tính Microsoft Excel 2007 để tổng hợp số liệu thô và chương trình phần mềm chuyên dụng IRRISTART 4.0 để phân tích phương sai, so sánh sai khác có ý nghĩa thống kê giữa các giá trị trung bình bằng phép thử LSD ở mức ý nghĩa 95% (p = 0,05) cùng hệ số biến động CV%.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Phạm Thị Hiệng đã nghiên cứu thành công quy trình nhân giống vô tính in vitro cây Giảo cổ lam 5 lá (Gynostemma pentaphyllum), xác định chuẩn xác các thông số từ khử trùng mẫu mắt ngủ bằng HgCl2 0,1% trong 5 phút, tái sinh chồi trên môi trường MS bổ sung 0,5 mg/l Kinetin, đến nhân nhanh chồi bằng tổ hợp Kinetin 0,5 mg/l phối hợp BA 0,5 mg/l đạt hệ số nhân 4,36 lần và tạo rễ hoàn chỉnh với 0,1 mg/l IBA đạt 4,16 rễ/cây. Toàn bộ các kết luận đều dựa trên số liệu thực nghiệm định lượng được xử lý thống kê chặt chẽ bằng phần mềm IRRISTART 4.0. Đề tài mở ra tiềm năng ứng dụng công nghệ sinh học trong việc bảo tồn nguồn gen dược liệu bản địa có nguy cơ tuyệt chủng và cung ứng cây giống sạch bệnh phục vụ sản xuất.