Câu hỏi Mở đầu: Hãy quan sát hình 2.1 và cho biết người ta có thể nhân giống vô tính để tạo cây con từ cây trưởng thành bằng những cách nào. Công nghệ nào có thể cho phép nhân nhanh hàng loạt cây trồng mới từ một phần của lá cây hoặc chồi cây?
Trả lời:
- Người ta có thể nhân giống vô tính để tạo ra cây con từ
cây trưởng thành bằng cách:
+ Nuôi cấy hạt phấn.
+ Sử dụng phương pháp nhân giống vô tính dựa trên
hình thức sinh sản sinh dưỡng: giâm cành, chiết cành,…
+ Nuôi cấy mô tế bào.
+ Nuôi cấy và dung hợp tế bào trần.
- Có thể nhân nhanh hàng loạt cây trồng mới từ một phần của
lá cây hoặc chồi cây bằng phương pháp nuôi cấy mô tế bào: Khi môi trường
nuôi cấy mô tế bào thực vật in vitro chứa đầy đủ các thành
phần dinh dưỡng, bổ sung các chất điều hòa sinh trưởng và phát
triển, các tế bào, mô và cơ quan của thực vật sẽ duy trì, tăng sinh
và tái tạo thành cây con.
I. Tính toàn năng của tế bào
Câu hỏi: Thế nào là tính
toàn năng của tế bào? Ở thực vật, tính toàn năng của tế bào được thể hiện thông
qua khả năng tái sinh mô, cơ quan và cơ thể như thế nào? Nêu ví dụ minh họa.
Trả lời:
- Tính toàn năng của tế bào là khả năng tế bào phân chia, phát
triển thành mô, cơ quan hoặc một cơ thể hoàn chỉnh trong môi trường thích hợp.
- Đặc điểm biểu hiện tính toàn năng ở thực vật: Tế
bào phôi là những tế bào có tính toàn năng ở mức cao nhất và được gọi là các tế
bào gốc thực vật. So với tế bào động vật, khả năng tái sinh phát triển
thành cơ thể mới của thực vật cao hơn.
- Ví dụ: Tách các mẩu mô từ củ của cây cà rốt cho
nuôi cấy trên môi trường dinh dưỡng thích hợp sẽ tạo thành các mô
sẹo, kích thích các mô sẹo biệt hóa sẽ phát triển được hàng loạt
cây cà rốt con có đặc điểm di truyền giống cây ban đầu.
Tìm hiểu thêm 1: Tính toàn năng và tính mềm dẻo phát
triển của thực vật mở ra tiềm năng nào cho nhân giống cây trồng?
Trả lời:
- Khả năng tái sinh là khả năng phát triển thành cơ thể mới và phản ánh tính “mềm dẻo phát triển” của tế bào, mô hoặc cơ quan của cơ thể. So với động vật, nhìn chung thực vật có mức mềm dẻo phát triển cao hơn. Trong điều kiện nuôi cấy in vitro, khả năng tái sinh của thực vật được tăng cường nhờ bổ sung và điều chỉnh lượng hormone thực vật ngoại sinh, trong đó tỉ lệ giữa auxin và cytokinin quyết định hướng phát triển của các cơ quan được tái sinh.
II. Khái quát về công nghệ tế bào thực vật
Vận dụng 1: Vi nhân giống
có lợi ích vượt trội như thế nào so với các phương pháp nhân giống cây trồng
truyền thống (nhân giống và trồng cây ngoài đồng ruộng)?
Trả lời:
Lợi ích vượt trội của vi nhân giống so với các phương pháp
nhân giống cây trồng truyền thống:
- Hệ số nhân giống cao (từ một mẩu mô có thể tạo ra
hàng ngàn cây con trong thời gian ngắn).
- Tái sinh được các cây hoàn chỉnh từ những bộ phận khác
nhau như rễ, thân, lá,…
- Các cây con tạo ra đồng đều, sạch bệnh nên cho thu
hoạch đồng loạt, chất lượng ổn định giúp đem lại hiệu quả kinh tế
cao, dễ công nghiệp hóa.
III. Ứng dụng của công nghệ tế bào thực vật
Vận dụng 2: Vì sao sử dụng kĩ thuật nuôi cấy mô tế bào
thuận lợi hơn so với sử dụng cơ thể sống trong nghiên cứu tạo đột biến, lai
khác loài, đa bội hóa?
Trả lời:
- Dựa trên nuôi cấy mô tế bào thực vật, những nghiên cứu về phân tích bộ nhiễm sắc thể, nghiên cứu đột biến được thực hiện dễ dàng hơn (hình 2.3).
- Các nghiên cứu môi quan hệ giữa vật chủ và tác nhân gây bệnh, chẳng hạn vi khuẩn gây khối u, vật kí sinh ở thực vật,... được áp dụng trên mẫu mô tế bào nuôi cấy. Nhờ đó, nhiều cơ chế ở mức độ phân tử về sự phát sinh hình thái, các con đường hoá sinh tổng hợp các chất và đặc tính di truyền ở cây trồng đã được làm sáng tỏ. Nuôi cấy tế bào, nuôi cây mảnh mô, tái sinh cây là các kĩ thuật công nghệ tế bảo thực vật được các nhà khoa học Việt Nam sử dụng trong nghiên cứu tạo cây chuyển gene ở cây thuốc lá, đậu tương,...; nghiên cứu quá trình phát sinh cơ quan như chồi, rễ ở các cây được liệu quý như sâm ngọc linh, cây long não,...
Tìm hiểu thêm 2: Hãy tìm
thông tin về một số giống cây trồng được tạo ra nhờ kĩ thuật vi nhân giống ở Việt
Nam và trên thế giới.
Trả lời:
Một số giống cây trồng được tạo ra nhờ kĩ thuật vi nhân giống:
- Giống ngô chuyển gene có tính kháng độc tố T của nấm Helminthosporium
maydis gây bệnh đốm ở ngô.
- Giống bông kháng côn trùng ăn lá bông.
- Giống lúa vàng được chuyển gene sản sinh ra tiền
chất tạo vitamin A vốn chưa từng có ở lúa tự nhiên.
- Giống đậu tương được chuyển gene Roundup Ready cho
năng suất cao, kháng sâu bệnh; giống ngô kháng thuốc diệt cỏ.
Tìm hiểu thêm 3: Nêu những hiểu biết của em về vaccine
ăn được. Hãy tìm hiểu về sẩn xuất vaccine ăn được bằng công nghệ tế bào thực vật.
Trả lời:
- Công nghệ phát triển vacxin có nguồn gốc từ thực vật:
+ Một số loại cây trồng như thuốc lá, lúa gạo, ngô,
khoai tây, cà chua, cà rốt, lạc và đậu tương đã được đề xuất để sản
xuất vaccine thực vật. Đây đều là những đối tượng nghiên cứu phổ
biến, đã nắm rõ thông tin di truyền (hệ gen nhân và hệ gen tế bào
chất), quy trình chuyển gen cũng như phương pháp nuôi cấy tế bào, không
chứa độc tố, dễ tìm và trồng tại địa phương. Hơn nữa, để tạo ra
thực vật sản xuất protein tái tổ hợp (vaccine), các gen tái tổ hợp cần
phải có mức độ biểu hiện cao, đảm bảo tính an toàn của protein tái tổ hợp
để sử dụng ở người hoặc động vật. Sản xuất vaccine có nguồn gốc thực
vật chủ yếu dựa trên việc đưa gen kháng nguyên vào thực vật thông qua
các công cụ ADN tái tổ hợp, như biến nạp gen nhân
nhờ Agrobacterium, chuyển gen vào lục lạp, biểu hiện tạm thời.
* Ưu nhược điểm của Vaccine có nguồn gốc thực vật
- Ưu điểm:
+ Có khả năng cung ứng lớn, hiệu suất tổng hợp cao.
+ Có thể phát triển thành dạng vaccine “ăn được” hoặc “uống được”,
giảm bớt việc tiêm phòng.
+ An toàn hơn vaccine truyền thống vì các protein này không chứa
các tác nhân gây bệnh “sống”.
+ Chi phí sản xuất thấp.
+ Kỹ thuật chiết tách dễ dàng hơn so với chiết tách trên động
vật, do đó phù hợp với các nước có nền kinh tế thấp.
- Nhược điểm:
+ Có thể không sử dụng được cho các trẻ sơ sinh.
+ Liều lượng của vaccine thực vật trong cây (năng suất biểu hiện
kháng nguyên) có thể thay đổi theo độ tuổi của cây, kích thước sản phẩm).
+ Nếu kiểm soát không tốt có thể xảy ra vấn đề môi trường do
phát tán nguồn gen.
+ Vaccine thực vật có thể bị ô nhiễm bởi thuốc từ bệnh hại
trên cây.
+ Vaccin ngừa Covid 19 có nguồn gốc thực vật
Luyện tập 1: Vì sao
không thể áp dụng công nghệ tế bào động vật hay công nghệ vi sinh vật để sản xuất
một số chất chuyển hóa thứ cấp có hoạt tính sinh học nhất định?
Trả lời:
- Không thể áp dụng công nghệ tế bào động vật hay công nghệ vi sinh vật để sản xuất một số chất chuyển hóa thứ cấp có hoạt tính sinh học nhất định vì: Một số chất chuyển hóa thứ cấp thuộc nhóm alkaloid, anthocyanin, terpenoid chỉ có thể sản xuất ở tế bào thực vật.
Luyện tập 2: Vì sao nuôi cấy tế bào gốc thực vật được ứng
dụng trong sản xuất dược phẩm và mĩ phẩm?
Trả lời:
- Bằng công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật, các thuốc có nguồn
gốc thực vật có thể sản xuất ở dạng tinh khiết với lượng lớn. Dịch chiết tế bào
thực vật dễ dàng được chuẩn hoá đáp ứng các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt trong
quá trình sản xuất dược, mỹ phẩm.
- Thông thường, các tế bào gốc nguồn gốc thực vật có trong các
loại mỹ phẩm thường được chiết xuất từ một số loại cây nhất định. Thường là:
táo, nho, dưa hoặc lilac, … hoặc các loại hoa khác nhau như: hoa cúc, hoa sen,
trà xanh, nhân sâm, … Đây là những loại thực vật có tác dụng trẻ hóa và bảo vệ
da khỏi các tác động có hại từ môi trường. Ưu điểm của các sản phẩm này là
không gây phản ứng phụ, không đào thải và cũng không gây kích ứng da.
- Các sản phẩm là dung dịch nuôi cấy tế bào gốc từ thực vật, khi được thẩm thấu vào da sẽ giúp bổ sung dưỡng chất cho các tế bào gốc trên cơ thể người. Các tế bào da khi được bổ sung vitamin cũng như hoạt chất sẽ khỏe mạnh, làm sản sinh ra các tế bào mới. Điều này giúp làn da được cải thiện, các tế bào bị hư hại sẽ được thay mới bằng những tế bào trẻ khỏe với chức năng đầy đủ và vững mạnh.
Vận dụng 3: Vì những lí
do nào mà việc sử dụng mô tế bào thực vật thuận lợi hơn so với sử dụng tế bào
vi khuẩn và tế bào động vật trong công nghệ sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp
và protein trị liệu?
Trả lời:
Sử dụng mô tế bào thực vật thuận tiện hơn so với sử dụng tế
bào vi khuẩn và tế bào động vật trong công nghệ sản xuất các chất chuyển hóa thứ
cấp và protein trị liệu vì:
- Một số chất chuyển hóa thứ cấp thuộc nhóm alkaloid,
anthocyanin, terpenoid chỉ có thể sản xuất ở tế bào thực vật.
- Dịch chiết tế bào gốc của thực vật dễ dàng được chuẩn hóa
và đáp ứng được các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt.
- Tế bào thực vật có thể tránh được sự lây nhiễm virus và các tác nhân gây bệnh khác tốt hơn so với tế bào động vật và vi khuẩn.
Vận dụng 4: Tại sao công nghệ tế bào thường được phối hợp
với công nghệ gene trong quy trình nghiên cứu, sản xuất các dược phẩm có bản chất
là protein?
Trả lời:
- Công nghệ tế bào thường được phối hợp với công nghệ gene trong quy trình nghiên cứu, sản xuất các dược phẩm có bản chất là protein vì để sản xuất protein tái tổ hợp từ tế bảo thực vật, các dòng tế bào, mô nuôi cây được sử dụng làm nguồn tế bào nhận gene ngoại lai. Nhiều protein được sản xuất bằng kĩ thuật này như vaccine, cytokine và các protein trị liệu. Sản xuất thuốc và các sản phẩm từ công nghệ DNA tái tổ hợp kết hợp nuôi cấy mô tế bào được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y học, công nghệ thực phẩm.
Vận dụng 5: Tìm hiểu một
số sản phẩm sinh dược được sản xuất nhờ công nghệ tế bào thực vật.
Trả lời:
Một số sản phẩm sinh dược được sản xuất nhờ công nghệ tế bào
thực vật:
- Sản xuất thuốc điều trị ung thư từ thực vật
(Paclitaxel) bằng cách nuôi cấy mô tế bào cây thông đỏ (Taxus wallichiana Zucc.)
- Công ty dược phẩm GlaxoSmithKline GSK và nhà sản xuất
vaccine Canada Medicago đã báo cáo kết quả đầy hứa hẹn từ thử nghiệm lâm sàng
giai đoạn 2 đối với vaccine ngừa Covid có nguồn gốc từ thực vật. Nghiên cứu cho
thấy những người tham gia có lượng kháng thể nhiều hơn 10 lần so với những bệnh
nhân đã hồi phục sau Covid-19.
- Sản xuất GM-CSF người bằng công nghệ tế bào thực
vật để ứng dụng lâm sàng trong điều trị bệnh giảm bạch cầu trung tính
(neutropenia) và bệnh thiếu máu không tái tạo (aplastic anemia).