Phần chuyển gen ở thực vật bậc cao chương MỞ ĐẦU

Phần 2. CHUYỂN GEN Ở THỰC VẬT BẬC CAO

Chương 1. MỞ ĐẦU

1.1. Genom ở thực vật bậc cao

1.1.1. Đặc điểm bộ máy di truyền tế bào thực vật

Về mặt hóa học, gen là 1 dãy nucleotit có số nucleotit và dãy mã tự đặc trưng, số nucleotit cấu tạo nên 1 gen, thường biểu thị theo KG (Kilobase = 1000 nucleotit). Biểu hiện trực tiếp hoạt động của gen là các protein này là các E, nhờ vậy quá trình trao đổi chất, sinh trưởng, phát triển …. của thực vật được thực hiện theo 1 chương trình xác định trong thông tin di truyền đặc trưng cho loài.

Tế bào thực vật khác xa với tế bào động vật và vi sinh vật:

1.Tế bào thực vật là một tế bào hữu nhân điển hình

Tế bào thực vật có cellulose bao bọc bên ngoài màng nguyên sinh. cellulose của các tế bào thực vật liên kết nhau bằng peclin và các dẫn xuất cellulose khác.

Vai trò của cellulose ở chỗ bảo vệ và giúp cho thực vật đứng thẳng mà còn giúp cho toàn bộ quá trình trao đổi chất.

Nếu xử lý mô thực vật bằng enzim peclinaza và celluloza, phần lớn peclin và celluloza bị phân hủy, các tế bào thực vật trần không có vỏ celluloza bao bọc được giải phóng ra môi trường được gọi là protoplast. Protoplast có thể được nuôi sống và tái tạo lại thành tế bào, mô hay cây hoàn chỉnh. Trong bất kì môi trường nào hoạt động sống của photoplase cũng bắt đầu việc tái tạo lại celluloza và khi vỏ celluloza đã được tái tạo thì tế bào mới được phân chia và tiếp tục phát triển.

Qua vỏ celluloza, các muối khoáng và nước có thể trao đổi dễ dàng, tuy vậy đối với các đại phân tử như protein, nucleic axit thì vỏ celluloza cũng thể hiện 1 sự ngăn cách nhất định. DNA có thể xâm nhập tế bào qua cả vỏ celluloza lẫn màng nguyên sinh.

Vỏ celluloza được hình thành không chỉ khi nằm trên cây hoàn chỉnh mà khi nuôi chúng riêng rẽ dưới dạng các tế bào đơn và trong trường hợp này nó mang hình thái rất đa dạng.

Khi đã mất hẳn vỏ bọc celluloza, các protoplast luôn ở dạng tròn

Lạp thể : bào quan đặc biệt của tế bào thực vật (tuy tế bào thực vật xanh)

Lục lạp : lạp chứa và diệp lục (diệp lục là chất màu xanh lục)

Bào quan : còn gọi cơ quan tử. Tế bào chất của tất cả tế bào nhân thực chứa một số cấu trúc có màng bao bọc, đảm nhiệm các chức năng chuyển hóa. Những cấu trúc này được gọi là bào quan.

Ti thể : Bào quan của các tế bào nhân thật, có kích thước tương tự tế bào vi khuẩn mỗi tế bào có hơn 1.000 ti thể.

2. Tế bào thực vật có các lạp thể đặc biệt là các lục lạp

Lục lạp có cấu trúc phân tử phức tạp, chứa toàn bộ diệp lạc và làm nhiệm vụ quang hợp. Lục lạp chứa bộ máy di truyền riêng của chúng trong một mối quan hệ chặt với bộ máy di truyền của nhân bào. Một số khả năng chống chịu ở thực vật có liên quan đến các gen nằm trong lục lạp nhiều hơn các gen nằm trong nhân hoặc ti thể.

Bình quân mỗi tế bào thực vật có thể chứa khoảng 50 lục lạp. Bằng các phương pháp công nghệ gen hiện đại, có thể chuyển lục lạp và bộ máy di truyền của lục lạp từ tế bào cây này sang tế bào loài cây khác và giúp cây mang tính trạng di truyền mới. Các nguyên nhân theo hướng này đã hình thành ngành công nghệ cơ quan tử (plastid engineezing) là nhánh quan trọng của CNSH thực vật ngày hôm nay.

3. Tế bào thực vật có tính toàn thế

Khả năng toàn thế được hiểu là khả năng tái sinh cây hoàn chỉnh từ mô hoặc tế bào đơn, thậm chí từ protoplast thực vât. Các tế bào động vật hoàn toàn không có khả năng này.

Khả năng phát sinh hình thái của tế bào thực vật là vấn đề quan trọng có tính chất quyết định đối với các ứng dụng công nghệ gen trong chọn tạo giống mới ở thực vật. Nếu sau khi chuyển gen, tế bào hoặc mô mất khả năng tái sinh, thì việc chuyển gen coi như có ý nghĩa thực tế.

Khả năng tái sinh cũng có thể hiện là sự kích hóa. Khi mới cấy mô thực vật trong điều kiện kích thích nhân tạo để tạo nên mô sẹo, ta đã thực hiện quá trình phản biệt hóa : Khi ngừng các tác động kích thích mô thực vật có khuynh hướng tự biệt hóa trở lại thành các mô có chức năng như rễ, thân, lá ……

Cuối những năm 60 đã chứng minh đầy đủ tính toàn thể của thực vật bậc cao, đồng thời đã chứng minh là mỗi tế bào thực vật đều chứa đầy đủ các thông tin di truyền của toàn bộ cơ thể.

Từ đó đến nay, khoa học cấy mô thực vật đã tiến những bước dài sự phát sinh hình thái, hoặc khả năng tái sinh cây hoàn chỉnh từ 1 tế bào, một mảng lá, một khối mã sẹo ….. đã được thực hiện trên hàng trăm loài thực vật, tập trung vào hầu hết các cây trồng quan trọng.

Các hiểu biết về di truyền phân tử ở vi sinh vật không đủ để lý giải nhiều hiện tượng di truyền ở thực vật bậc cao. Tế bào thực vật bậc cao chứa 1 lượng DNA lớn gấp nhiều lần ở vi khuẩn và nhiều trường hợp còn gấp bội so với lượng DNA ở tế bào người.

DNA thực vật khác với DNA vi sinh vật, phát hiện các dãy mã lặp đi lặp lại nhiều lần. Các gen di truyền được phân cách nhau bằng các đoạn DNA không mã hóa được gọi là introns.

Các nhóm gen ở thực vật cũng không nằm cố định trên các thể nhiễm sắc. Một số cơ thể nhảy qua lại trong quá trình của thực vật và chúng được gọi tên là gen nhảy (jumping gen)

Tóm lại sự phức tạp của bộ máy di truyền làm cho việc ứng dụng CNSH để giải quyết các mục tiêu không dễ dàng.

1.2. Sinh trưởng và sinh sản của tế bào thực vật

Giảm phân là kiểu phân bào chỉ xảy ra ở các giao tử đực và cái, chuẩn bị cho quá trình sinh sản hữu tính các thể nhiễm sắc tương đồng được gắn với nhau, sự trao đổi chéo xảy ra, hai tế bào con có số nhiễm sắc thể bằng ½ số nhiễm sắc của tế bào mẹ.

Trong giai đoạn giảm phân II, các tế bào này được phân chia theo kiểu giảm phân nghĩa là số thể nhiễm sắc không thay đổi để tạo nên 4 tế bào mới gọi là bộ bốn. Mỗi tế bào chứa ½ thể nhiễm sắc đặc trưng cho loài.

Tuy vậy, do trao đổi chéo, nội dung di truyền của 4 tế bào này không hoàn toàn giống nhau. Mức độ khác nhau về di truyền giữa các tế bào bộ bốn còn được gọi là độ dị hợp tử. Các hạt hình thành sau khi thụ tinh mang nội dung di truyền không đồng nhất, chúng tạo nên các quần thể cây không đồng nhất. Ở các cây tự thụ phấn độ dị hợp thấp hơn nhiều. Mặc dù sự trao đổi chéo vẫn xảy ra, quá trình tự thụ phấn qua nhiều thế hệ làm cho thực vật tiến đến chỗ có độ đồng hợp cao, trong nghề trồng trọt gọi là độ thuần. Ở những cây có bản chất tự thụ phấn, nhưng do gió và côn trùng vẫn có 1 tỉ lệ nhất định thụ phấn chéo, không bao giờ có thể đạt được một độ thuần tuyệt đối (đồng hợp tử tuyệt đối)

Chỉ có các cây sản sinh ra từ các dòng đơn bội kép trong công nghệ nuôi cấy hạt phấn mới thực sự là đồng hợp tuyệt đối

Thực vật sinh sản theo nhiều cách nhưng đều có thể ghép vào cách chính sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính.

• 
  Sinh sản hữu tính :
  

• 
  Sinh sản vô tính :
  

Đặc điểm của sinh sản vô tính là tạo ra các dòng thuần, có các đặc tính di truyền giống nhau, có thể so sánh với việc tạo ra hàng triệu bảng in bằng một máy photocopy. Đối với tiến hóa, sinh sản vô tính có lợi ở chỗ thực vật có thể sinh sản ngay trong các điều kiện bất lợi nhất cho sự thụ tinh. Tính không tương hợp về di truyền và tính bất thụ đặc biệt ở các tổ hợp lai xa, làm cho sự thụ tinh trở nên khó khăn, sự sinh sản hữu tính không còn là phương thức thích hợp nhất cho sự tồn tại và truyền bá của thực vật nữa. Con người biết khai thác các điểm của sinh sản vô tính để tạo ra các dòng thuần từ các cá thể chọn lọc, qua đó nâng cao dần năng suất và chất lượng của quần thể.

Chú ý : Sinh sản vô tính không làm tăng độ phong phú về di truyền của loài và có thể dẫn đến các thảm họa ở qui mô lớn nếu quần thể không có sức đề kháng với một hay nhiều loại sâu bệnh.

Quá trình nhằm giống vô tính thực vật trong điều kiện vô trùng với hệ số nhân cao được gọi là vi nhãn giống được thực hiện nhờ 1 số kỹ thuật gọi tên chung là cấy mô thực vật.

Nói chung sinh sản vô tính đưa lại các quần thể có độ thuần cao, nhưng độ thuần này cũng không tuyệt đối. Có thể có những hiện tượng sau đây làm thay đổi ngoại hình hoặc các đặc trưng bên trong của thực vật trong quá trình nhân giống vô tính.

1. Sự thoái hóa do vi sinh xâm nhiễm

Hầu hết các cây nhân giống vô tính qua nhiều thế hệ, ít nhiều đều có sự xâm nhiễm của 1 hoặc nhiều loài vi sinh gây nên thoái hóa nhân giống vô tính theo phương pháp cổ điển trong điều kiện tự nhiên (chiết, ghép, giâm cành) không thể nào khắc phục được bệnh virus.Nhờ kĩ thuật nuôi cấy mô thực vật, người ta có thể tạo ra các dòng của nhiễm virus. Kỹ thuật tạo dòng sạch bệnh có tên chung là phục trứng giống

Là sự phát sinh các tính trạng hình thái đặc biệt trên 1 cá thể trong 1 quần thể thuần, mặc dù không có sự thay đổi gì trong nội dung các thông tin di truyền, mà có thể chế là sự thay đổi trong phương thức biểu hiện của gen.

Là sự tồn tại đồng thời của các tế bào có thông tin di truyền khác nhau trong cùng 1 cá thể thực vật.

Các hiện tượng trên dẫn đến các biến dị vô tính, lợi dụng nó để tạo nên nhiều giống đặc sản phong phú.

• 
  Ưu thế lai :
  

Vi nhân giống các dòng F1 có thể giữ vĩnh viễn được ưu thế lai mà cần hàng năm phải mua giống lai F1.