Câu hỏi mở đầu: Hiện nay nhiều loài cây dược liệu (sâm vũ diệp, sâm đương quy, sâm Việt Nam,...) đang trong tình trạng nguy cấp do bị khai thác quá mức để làm nguyên liệu sản xuất số lượng lớn thuốc chữa bệnh. Đây là một trong những nguyên nhân gây nên sự suy giảm đa dạng sinh học. Bằng phương pháp nào người ta có thể sản xuất số lượng lớn các chế phẩm sinh học hay chất có hoạt tính sinh học để chữa bệnh nhưng vẫn hạn chế được tình trạng khai thác quá mức các loài dược liệu quý hiếm?
Trả lời:
- Các nhà khoa học đãn sử dụng phương pháp công nghệ tế bào để có thể sản xuất số lượng lớn các chế phẩm sinh học hay chất có hoạt tính sinh học để chữa bệnh.
I. Các giai đoạn chung của công nghệ tế bào thực vật
Câu hỏi 1: Quy trình công nghệ tế bào thực vật gồm những giai đoạn nào?
Trả lời:
Quy trình công nghệ tế bào thực vật gồm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 - Chuẩn bị: Chuẩn bị mẫu nuôi, thiết bị, dụng
cụ, hóa chất và môi trường nuôi cấy.
- Giai đoạn 2 - Nuôi cấy: Ở giai đoạn này, có thể sử
dụng nhiều phương pháp nuôi cấy khác nhau tùy theo mục đích như nuôi cấy
huyền phù tế bào, nuôi cấy hạt phấn, nuôi cấy và dung hợp tế bào trần, nuôi cấy
mô sẹo.
- Giai đoạn 3 – Thu nhận: Thu nhận sản phẩm có thể là
cây con hoặc sinh khối tế bào.
Câu hỏi 2: Cần lưu ý điều gì khi chuẩn bị thiết bị, dụng
cụ nuôi cấy mô tế bào?
Trả lời:
- Khi chuẩn bị thiết bị, dụng cụ nuôi cấy mô tế bào cần phải đảm bảo điều kiện vô trùng để mẫu nuôi không bị nhiễm khuẩn trong quá trình nuôi cấy.
Câu hỏi 3: Trong các kĩ thuật nuôi cấy mô, kĩ thuật nào tạo được giống mới và kĩ
thuật nào tạo được các dòng thuần chủng? Giải thích.
Trả lời:
- Trong kĩ thuật nuôi cấy mô, kĩ thuật tạo được giống mới là
nuôi cấy và dung hợp tế bào trần vì tế bào lai mang bộ nhiễm sắc thể của
hai loài khác nhau.
- Kĩ thuật tạo được các dòng thuần chủng là nuôi cấy hạt phấn vì nuôi cấy hạt phấn tạo những cây đơn bội, sau đó, tiến hành lưỡng bội hóa cây đơn bội để thu được cây thuần chủng hữu thụ.
Câu hỏi 4: Có thể thu được những sản phẩm gì khi nuôi cấy
mô tế bào? Các sản phẩm đó được dùng để làm gì?
Trả lời:
- Tùy theo mục đích nuôi cấy mà sản phẩm thu được có thể là
sinh khối tế bào hoặc cây con.
- Cây con tiếp tục được nuôi trong môi trường nuôi cấy cho đến
khi đạt được kích thước nhất định. Sau đó, các cây này sẽ được đem trồng trong
điều kiện ngoại cảnh để cây phát triển tự nhiên.
- Sinh khối tế bào sau khi được thu nhận sẽ tiếp tục tiến hành xử lí, tinh chế để thu nhận các chất cần thiết.
II. Ứng dụng công nghệ tế bào thực vật
Câu hỏi 5: Tại sao phương pháp nuôi cấy mô tế bào thực vật in vitro lại cho các
cây con được sinh ra giống hệt cây mẹ về mặt di truyền?
Trả lời:
- Phương pháp nuôi cấy mô tế bào thực vật in vitro tạo
các cây con giống hệt mẹ về mặt di truyền vì: Trong nuôi cấy mô tế bào thực vật in
vitro, các cây con được sinh ra từ các mẩu mô của cây mẹ thông qua quá
trình nguyên phân.
Câu hỏi 6: Nuôi cấy mô tế bào thực vật in vitro có những
ưu điểm và hạn chế gì?
Trả lời:
- Ưu điểm: Nhân nhanh và tạo ra số lượng lớn các giống cây trồng
có năng suất cao, chất lượng tốt, thích nghi với điều kiện sinh thái nhất định,
chống chịu tốt với nhiều loại sâu bệnh, ...
- Rủi ro của phương pháp nuôi cấy mô tế bào cây trồng chính là việc các cây con được tạo ra đề đồng nhất về mặt di truyền (không có tính đa dạng) nên khi gặp một điều kiện bất lợi như bệnh do virus, sâu hại … thì tất cả các cây con có thể không chống chọi được và chết hết.
Câu hỏi 7: Tại sao cần phải tiến hành chọn lọc các dòng tế bào trước khi nuôi cấy?
Trả lời:
- Cần tiến hành chọn lọc các dòng tế bào trước khi nuôi cấy vì: Trong nuôi cấy hạt phấn, các hạt phấn riêng lẻ có thể mọc trên môi trường nhân tạo và hình thành các dòng đơn bội. Các dòng tế bào này mang các kiểu gene khác nhau do kết quả của quá trình tạo giao tử. Do đó, cần tiến hành chọn lọc các dòng tế bào mang các kiểu gene quy định các tính trạng mong muốn rồi mới tiến hành nuôi cấy.
Câu hỏi 8: Việc chọn lọc các dòng tế bào đơn bội hay lưỡng
bội sẽ có ưu thế hơn? Giải thích.
Trả lời:
- Chọn lọc các dòng tế bào đơn bội sẽ có ưu thế hơn. Vì các
dòng tế bào đơn bội có bộ gen gồm các allele không tồn tại thành từng cặp nên tế
bào mang allele lặn vẫn biểu hiện thành kiểu hình, điều này tạo điều kiện thuận
lợi cho việc chọn lọc in vitro ở mức tế bào để thu được các dòng có những đặc
tính mong muốn
Câu hỏi 9: Colchicine gây lưỡng bội hóa bằng cách nào?
Trả lời:
- Colchicine gây lưỡng bội hóa bằng cách ức chế sự hình thành thoi phân bào dẫn đến các nhiễm sắc thể đã nhân đôi nhưng không phân li. Do đó, từ bộ nhiễm sắc thể n tạo thành bộ nhiễm sắc thể 2n.
Câu hỏi 10: Các cây non được tạo ra bằng phương pháp
nuôi cấy hạt phấn có đặc điểm gì? Đặc điểm này có lợi ích gì trong thực tiễn?
Trả lời:
- Cây lưỡng bội được tạo ra bằng phương pháp này đều thuần chủng về tất cả các gene nên tính trạng chọn lọc được sẽ rất ổn định.
Câu hỏi 11: Phương pháp nuôi cấy và dung hợp tế bào trần có ưu thế gì hơn so với
các phương pháp tạo giống khác?
Trả lời:
- Phương pháp nuôi cấy và dung hợp tế bào trần có ưu thế là tạo
được giống mới mang đặc điểm của hai loài mà các phương pháp tạo
giống thông thường khác không tạo ra được.
Câu hỏi 12: Tại sao cần phải loại bỏ thành cellulose
trước khi tiến hành dung hợp tế bào?
Trả lời:
- Thành Cellulose có cấu tạo vững chắc nên không thể dung hợp
lại với nhau. Khi loại bỏ thành cellulose thì tế bào chỉ còn màng sinh chất bao
bọc. Lúc này, do tính chất của màng nên các tế bào trần dễ dung hợp với nhau.
Câu hỏi 13: Tại sao khi nhân của hai tế bào ban đầu không dung hợp thì tế bào lai
không thể tiếp tục phát triển?
Trả lời:
- Khi nhân của hai tế bào ban đầu không dung hợp thì tế bào
lai không thể tiếp tục phát triển vì: Khi nhân của hai tế bào không
dung hợp thì trong tế bào sẽ xảy ra hiện tượng đào thải chọn
lọc nhiễm sắc thể; nhân tế bào không điều khiển được quá trình sinh
trưởng và phân chia tế bào.
Luyện tập: Tại sao trong quy trình ứng dụng công nghệ tế bào không thể thiếu bước chọn lọc các dòng tế bào?
Trả lời:
- Trong quá trình thu nhận tế bào hoặc nuôi cấy tế bào sẽ có nhiều dạng tế bào khác nhau (do kết quả của quá trình tạo giao tử hoặc do nhiễm khuẩn,...).Vì vậy, bước chọn lọc có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ tế bào, bước này giúp chọn lọc có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ tế bào, bước này giúp chọn lọc các dòng tế bào mang những đặc tính mong muốn và đem nuôi cấy để thu nhận sản phẩm.
Vận dụng: Hãy tìm hiểu
và trình bày về quy trình nhân giống hoặc tạo giống một loài thực vật bằng công
nghệ tế bào đã được tiến hành thành công. Đánh giá vai trò thực tiễn của việc
nhân giống hoặc tạo giống loài thực vật đó.
Lời giải:
- Học sinh tìm hiểu và trình bày theo các nội dung
sau:
+ Đối tượng: Loài thực vật được nhân giống hoặc tạo
giống (cây lương thực, cây dược liệu,...).
+ Vai trò của loài thực vật đó đối với con người
(cho biết tại sao phải nhân giống hoặc tạo giống loài thực vật đó).
+ Quy trình nhân giống hoặc tạo giống, sản phẩm tạo
thành có đặc điểm gì.
+ Đánh giá vai trò thực tiễn của việc nhân giống
hoặc tạo giống loài thực vật đó (hiệu quả mang lại, chi phí sản
xuất,...).
- Ví dụ: Quy trình nhân giống mía bằng nuôi cấy mô của Viện Di truyền Nông nghiệp.
Việc nhân giống mía bằng nuôi cấy mô giúp
cung cấp nhanh nguồn mía giống sạch bệnh để mở rộng diện tích trồng
mía, đáp ứng nhu cầu nguyên liệu cho lĩnh vực sản xuất mía đường.
III. Thành tựu của công nghệ tế bào thực vật
Câu hỏi 14: Trong cá thành tựu của công nghệ tế bào thực
vật, em đặc biệt quan tâm đến thành tựu nào? Tại sao?
Trả lời:
- Trong các thành tựu tạo ra giống cây cà chua lai khoai tây
(pomato).
+ Khoai tây là cây lương thực quan trọng thứ tư trên thế giới
(sau lúa, lúa mì và ngô). Còn cà chua có tầm quan trọng toàn cầu với sản lượng
hàng năm là 170 triệu tấn.
+ Cây cà chua lai khoai tây giúp sản xuất lương thực hiệu quả
hơn, vì chúng tối đa hóa lượng cây trồng có thể được sản xuất trên một mảnh đất
hoặc trong một môi trường đô thị nhỏ như sân thượng hay ban công của một nhà.
- Ngoài ra, cây lai ghép có thể cải thiện khả năng kháng vi khuẩn, kháng vi rút và nấm, thu hút một nhóm động vật thụ phấn đa dạng hơn và cung cấp một dạng cây cảnh tinh tế.
Bài tập
Bài tập 1: Bằng cách nào
chúng ta có thể phân biệt được một giống cây ăn quả được nhân bản bằng phương
pháp nuôi cấy mô tế bào hay được tạo ra bằng phương pháp lai hữu tính thông thường.
Trả lời:
Để phân biệt được một giống cây ăn quả được nhân bản bằng
phương pháp nuôi cấy mô tế bào hay được tạo ra bằng phương pháp lai hữu tính
thông thường có thể dựa vào các đặc điểm:
- Cây được nhân bản bằng phương pháp nuôi cấy
mô được tạo ra do quá trình nguyên phân nên sẽcó đặc điểm giống
nhau.
- Cây tạo ra bằng phương pháp lai hữu tínhsẽ có nhiều đặc điểm
khác nhaudo có sự tái tổ hợp lại vật chất di truyền của bố và
mẹ, tạo ra nhiều biến dị tổ hợp.
Bài tập 2: Trong công nghệ tế bào thực vật, tại sao người
ta thường nuôi cấy hạt phấn mà không nuôi cấy noãn? Việc nuôi cấy hạt phấn
có lợi thế gì hơn so với tạo giống thực vật bằng phương pháp lai hữu tính thông
thường?
Trả lời:
- Trong công nghệ tế bào thực vật, người ta thường nuôi cấy hạt
phấn mà không nuôi cấy noãn vì số lượng hạt phấn được tạo ra trên một hoa rất
nhiều nên sẽ cho hiệu quả nuôi cấy cao, trong khi đó, mỗi hoa thường chỉ có một
noãn.
- Việc nuôi cấy hạt phấn có lợi thế hơn vì các cây con tạo ra đều thuần chủng về tất cả các gene nên tính trạng chọn lọc được sẽ ổn định nhất.
Bài tập 3: Có ý kiến cho rằng:
"Việc ứng dụng công nghệ tế bào thực vật luôn tạo ra được các giống mới nhằm
phục vụ cho nhu cầu của con người". Em có đồng ý không? Giải thích.
Trả lời:
- Em không đồng ý với ý kiến trên. Vì không phải ứng dụng công
nghệ tế bào thực vật luôn tạo ra giống mới, mà có những phương pháp không
tạo ra được giống cây trồng mới mà chỉ giúp nhân nhanh các giống cây
mang các đặc tính tốt như như nuôi cấy in vitro, nuôi cấy hạt
phấn.
Bài tập 4: Hãy đề xuất một ý tưởng tạo ra một giống cây
trồng mới bằng công nghệ tế bào. Nêu khái quát cơ sở khoa học, quy trình và lợi
ích mà giống thực vật đó mang lại.
Trả lời:
* Tạo giống cây mới vừa cho quả đỗ khế (đậu rồng) vừa cho củ đậu
(củ sắn) bằng phương pháp công nghệ tế bào - Dung hợp tế bào trần
* Cơ sở khoa học:
- Tạo ra các cây lai khác loài mang đặc điểm của cả 2 loài
nhưng không cần phải trải qua sinh sản hữu tính, tránh hiện tượng bất thụ
của con lai.
- Quy trình tạo giống mới bằng phương pháp dung hợp tế bào trần:
Lợi ích:
- Tăng hiệu suất và sản phẩm thu được trên cùng một diện
tích đất canh tác.
- Mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người nông đân.
Bài tập 5: Một bạn học sinh đã đề xuất quy trình chưa hoàn chỉnh trong nuôi cấy rễ tơ từ cây ké hoa đào (Urena lobata) để thu nhận chất có hoạt tính sinh học dùng chữa bệnh tiểu đường type II. Quy trình được mô tả như Hình 2.9.
a. Cho biết quy trình trên đã chính xác chưa? Nếu chưa, hãy
sửa lại cho chính xác.
b. Hãy tìm hiểu và hoàn thiện quy trình bằng cách bổ sung
chú thích hai giai đoạn (1) và (2). Cho biết ý nghĩa của hai giai đoạn này?
c. Có ý kiến cho rằng: "Có thể tạo vết thương và cho vi
khuẩn xâm nhiễm ở gốc rễ thay vì ở lá". Ý kiến này có đúng không? Giải
thích.
d. Trong thực tế, người ta có thể thay thế phương pháp ở
giai đoạn (2) bằng phương pháp nào?
Trả lời:
a. Quy trình trên chưa chính xác. Ở bước cho xâm nhiễm vi
khuẩn vào lá, phải tạo vết thương ở lá trước rồi mới tiến hành cho vi khuẩn xâm
nhiễm vào.
b.
- Bổ sung chú thích hai giai đoạn (1) và (2):
(1) – Kiểm tra sự có mặt của gene chuyển
(2) –Nuôi cấy rễ tơ in vitro
- Ý nghĩa của hai giai đoạn trên:
(1) – Việc kiểm tra sự có mặt của gene
chuyển nhằm đảm bảo sự có mặt của các gene mong muốn trong các tế bào thực
vật, chọn lọc các tế bào có chứa gene chuyển đem nuôi cấy.
(2) – Việc nuôi cấy rễ tơ in vitro giúp tăng
số lượng tế bào và tăng sinh khối.
c. Ý kiến này đúng vì người ta có thể tiến hành nuôi cấy các
cơ quan khác nhau ở thực vật.
d. Trong thực tế, người ta có thể thay giai đoạn (2) bằng
phương pháp nuôi cấy rễ tơ bằng hệ thống khí canh hoặc thủy canh.