Chuyên đề Công nghệ sinh học hiện đại và ứng dụng trong cải tạo giống cây trồng

C«ng nghÖ sinh häc hiÖn ®¹i vµ øng dông trong c¶i t¹o gièng c©y trång Chuyªn ®Ò C¸c lo¹i gen sö dông trong c¶i tiÕn gièng c©y trång Gen kh¸ng bÖnh h¹i c©y trång: - Gen kh¸ng virus: gen m· hãa protein vá virus ; gen t¹o c¸c ribosyme; gen ®èi b¶n (antisen); - Gen kh¸ng nÊm g©y bÖnh - Gen kh¸ng vi khuÈn g©y bÖnh: Xa21 m· ho¸ protein kinase Gen kh¸ng s©u h¹i: nhiÒu lo¹i gen m· hãa cho c¸c protein cã ho¹t tÝnh diÖt c«n trïng cña Bt - C¸c gen cryI (A,B,C); Cry II; cryIII, cry IV; cryV Gen vip: vip1, vip2, vip3 (phæ t¸c dông m¹nh h¬n cry) Gen m· ho¸ chÊt øc chÕ proteinase; α-amylase; lectin vµ chitinase Gen kh¸ng chÊt diÖt cá Kh¸ng Glyphosate: gen EPSPS ph©n lËp tõ vi khuÈn Agrobacterium chñng CP4 gen EPSPS c¶i biªn ph©n lËp tõ ng« gen GOX ph©n lËp tõ vi khuÈn ®Êt Achromobacter chñng LBAA Kh¸ng Gluphosinate: - pat: ph©n lËp tõ Streptomyces viridochromogenes - bar: t¸ch tõ S. hygroscopicus Gen bÊt dôc ®ùc - Gen barnase m· hãa enyzme ph©n gi¶i RNA, ph©n lËp tõ Bacillus amyloliquefaciens, g¾n víi Promoter TA29 chØ ho¹t ®éng ë vïng h¹t phÊn (g©y bÊt dôc ®ùc) - Gen barstar g¾n víi promoter TA29 (kh«i phôc tÝnh h÷u thô) Gen chèng chÝn nhòn vµ lµm chÝn chËm, t¹o s¾c tè hoa - Gen m· ho¸ cho enzym polygalacturonase (PG) Gen liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh sinh tæng hîp ethylen (ACC) Gen liªn quan qu¸ tr×nh sinh tæng hîp flavonoid (CHS) Ph¶n gen cña CHS, ACC ®­îc sö dông ®Ó h¹n chÕ ho¹t tÝnh cña enzym vµ lµm thay ®æi mµu hoa Gen t¨ng c­êng kh¶ n¨ng miÔn dÞch, s¶n xuÊt protein ®éng vËt vµ c¸c chÊt cã ho¹t tÝnh sinh häc Gen VP2 tæng hîp protein vá cña virus Gumboro; Protein CD14 miÔn dÞch cña ng­êi Gen WBLRP; S-VSPa; S-VSPb m· ho¸ cho protein giµu Lysin ph©n lËp tõ h¹t ®Ëu Gen m· ho¸ cho hai enzym sinh tæng hîp Lys lµ aspartokinase (AK) vµ dihydrodipicolinate synthase (DHPS), ph©n lËp tõ E. coli; enzym sinh tæng hîp Trp lµ anthranilate synthase (AS); Gen sinh tæng hîp beta-carotene: psy (phytoene synthase) vµ lyc (lycopene cyclase) ph©n lËp tõ c©y hoa thuû tiªn; Gen crt1 ®­îc ph©n lËp tõ vi khuÈn ®Êt Erwinia uredovora Gen c¶i thiÖn chÊt l­îng dinh d­ìng cña protein thùc vËt, hµm l­îng tinh bét  Gen chÞu l¹nh: ph©n lËp ®­îc hai nhãm gen cor vµ cas tõ c©y cá ba l¸  Gen chÞu h¹n: nhãm LEA cña c©y lóa m¹ch vµ nhãm RAB cña c©y lóa n­íc. - Nhãm LEA: m· ho¸ nh÷ng protein b¶o vÖ ph«i trong qu¸ tr×nh ngñ vµ chÞu h¹n cña ph«i trong h¹t kh« - Nhãm RAB liªn quan ®Õn t¸c ®éng øc chÕ sinh tr­ëng tÕ bµo cña ABA khi thùc vËt gÆp ®iÒu kiÖn bÊt lîi. C¸c gen RAB ph¶n øng víi ABA ngo¹i sinh vµ néi sinh, t¹o ra nh÷ng protein cã chøc n¨ng øc chÕ vµ b¶o vÖ.  Gen chÞu mÆn: gen ornithine aminotransferase (OAT) cã vai trß trong sinh tæng hîp proline. Gen liªn quan ®Õn tÝnh chèng chÞu c¸c ®iÒu kiÖn bÊt lîi C¸c h­íng chÝnh trong t¹o gièng b»ng biÕn n¹p di truyÒn Kh¸ng thuèc diÖt cá - TÝnh kh¸ng ®èi víi c¸c lo¹i thuèc diÖt cá glyphosate, glufosinate ®· ®­îc chuyÓn vµo: c¶i dÇu, ®Ëu t­¬ng, b«ng, ng«, cñ c¶i ®­êng, lóa mú, xóp l¬, rau diÕp. - DiÖn tÝch trång c¸c c©y trång chuyÓn gen kh¸ng thuèc diÖt cá ®· ®­îc th­¬ng m¹i ho¸ chiÕm 71% tæng diÖn tÝch c¸c c©y chuyÓn gen. Kh¸ng c«n trïng - Gen cry1A(c) , gen øc chÕ proteinase II d­íi sù ®iÒu khiÓn cña Ubi-P ®· ®­îc chuyÓn vµo lóa - C¸c gen m· ho¸ chitinase, kinase ®­îc chuyÓn vµo c¸c c©y ngò cèc. - Gen Xa21 ®­îc chuyÓn vµo c©y lóa, biÓu hiÖn kh¶ n¨ng kh¸ng vi khuÈn b¹c l¸. C¸c h­íng chÝnh trong t¹o gièng b»ng biÕn n¹p di truyÒn Kh¸ng virus ChuyÓn c¸c gen m· hãa protein vá nhiÒu lo¹i virus vµo c©y trång. T¹o ra gièng c©y trång kh¸ng virus: ®u ®ñ kh¸ng bÖnh virus ®èm vßng PRSV, c¸c c©y chèng chÞu virus kh¶m alfalfa (AMV), virus kh¶m d­a chuét (CMV), c©y khoai t©y kh¸ng virus X. T¨ng c­êng kh¶ n¨ng chèng chÞu c¸c ®iÒu kiÖn bÊt lîi ChuyÓn gen ABF4 d­íi sù ®iÒu khiÓn cña promoter 35S vµo Arabidopsis, biÓu hiÖn ë cuèng l¸ vµ chiÒu cao c©y thÊp h¬n, l¸ nhá h¬n, thêi gian ra hoa chËm l¹i, tû lÖ khÝ khæng ®ãng cao h¬n, gi¶m tho¸t h¬i n­íc vµ cã kh¶ n¨ng chèng chÞu kh« h¹n. - Mét sè gen chÞu l¹nh ph©n lËp tõ c¸ ®· ®­îc chuyÓn vµo khoai t©y, biÓu hiÖn cña c¸c gen nµy lµm cho l¸ khoai t©y chèng chÞu tèt h¬n ë nhiÖt ®é lanh. C¶i thiÖn protein thùc vËt, hµm l­îng tinh bét vµ chÊt l­îng h¹t ngò cèc Gen WBLRP ®· ®­îc chuyÓn vµ biÓu hiÖn ë h¹t Arabidopsis, lóa. Gen S-VSPa vµ S-VSPb m· ho¸ cho c¸c protein dù tr÷ cã hµm l­îng Lys cao ®· ®­îc chuyÓn vµ biÓu hiÖn ë thuèc l¸ - §ét biÕn DHPS m· ho¸ cho enzym sinh tæng hîp Lys ®· ®­îc biÓu hiÖn ë ®Ëu t­¬ng, c¶i dÇu, lóa m¹ch, lóa, vµ Arabidopsis. - §ét biÕn ASA2 cña gen m· ho¸ cho enzym sinh tæng hîp Trp ®· ®­îc chuyÓn vµ biÓu hiÖn trong c¸c c©y rau. - ChuyÓn gen OASA1 vµo lóa vµ ®· thu nhËn ®­îc l¸ lóa cã hµm l­îng Trp t¨ng. Gen m· ho¸ cho enzyme phytase ph©n gi¶i c¸c phøc phytat s¾t (ferritin) ®· ®­îc chuyÓn vµo lóa nh»m t¹o ra c¸c gièng lóa cã hµm l­îng s¾t cao. ChuyÓn gen crt1 sinh tæng hîp beta-carotene vµo lóa, t¹o gièng lóa vµng (SGR1). KÕt hîp chuyÓn gen psy ph©n lËp tõ ng« víi gen crt1, t¹o gièng lóa vµng SGR2. ChuyÓn gen antisense CYP79D1 vµ CYP79D2 vµo c©y s¾n lµm gi¶m hµm l­îng cyanogen ë rÔ. Gen m· ho¸ protein dù tr÷ ASP1 ®· ®­îc chuyÓn vµ biÓu hiÖn ë l¸ vµ rÔ c©y s¾n chuyÓn gen. - Gen glgC ®· ®­îc chuyÓn vµ biÓu hiÖn tèt ë c©y khoai t©y, s¾n, lµm t¨ng hµm l­îng tinh bét ë rÔ. C¶i thiÖn protein thùc vËt, hµm l­îng tinh bét vµ chÊt l­îng h¹t ngò cèc T¹o gièng hoa cã kiÓu vµ mµu s¾c míi - ChuyÓn gen t¹o anthocynin ph©n lËp tõ h¹t ng« vµo c©y hoa Petunia; - Gen ACC synthase antisense - kh¸ng etylen vµo c©y hoa ®Ó kÐo dµi tuæi thä cña hoa. T¨ng c­êng kh¶ n¨ng miÔn dÞch, s¶n xuÊt protein ®éng vËt vµ vaccin ¨n tõ thùc vËt - Gen m· ho¸ protein CD14 cña ng­êi d­íi sù ®iÒu khiÓn cña promoter glutelin ®· ®­îc chuyÓn vµ biÓu hiÖn trong néi nhò cña h¹t thuèc l¸. - Gen tæng hîp lactoferrin còng ®· ®­îc chuyÓn vµo c©y khoai t©y vµ c©y thuèc l¸ - Cá Linh l¨ng ®­îc chuyÓn gen tæng hîp polyprotein P1 vµ protease 3C cña virus g©y bÖnh lë måm long mãng ®· g©y miÔn dÞch cho chuét. - ChuyÓn gen tæng hîp c¸c vaccine vµo thùc vËt: lóa, thuèc l¸, khoai t©y, rau diÕp, chuèi, ng«. Mét sè ®Æc tÝnh ®· ®­îc chuyÓn vµo c©y ng« b»ng kü thuËt di truyÒn Kh¸ng thuèc diÖt cá - Gen EPSPS, PAT ®· ®­îc chuyÓn vµo c©y ng«. - C¸c gièng ng« chuyÓn gen kh¸ng thuèc diÖt cá glufosinate (Liberty), Roundup, vµ imidazoline ®· ®­îc t¹o ra vµ th­¬ng m¹i ho¸. §Æc tÝnh chÞu l¹nh Gen betA ph©n lËp tõ E. coli m· ho¸ cho enzym choline dehydrogenase ®· ®­îc chuyÓn vµo dßng ng« DH4866 th«ng qua Agrobacterium. C¸c dßng ng« chuyÓn gen cã kh¶ n¨ng tÝch luü glycinebetaine cao h¬n vµ tèc ®é sinh tr­ëng nhanh h¬n so víi c©y ng« kh«ng ®­îc chuyÓn gen. - C¸c gen chÞu l¹nh 4F4, IIIE9 ph©n lËp tõ c¸c dßng ng« «n ®íi chÞu l¹nh ®ang ®­îc nghiªn cøu chuyÓn vµo ng«. Kh¸ng c«n trïng - C«n trïng h¹i rÔ ng« lµ nhãm c«n trïng cã h¹i nhÊt. - Gen cry1A(b) ®· ®­îc chuyÓn vµo gièng ng« lai gi÷a gièng CML139 vµ CML 167 biÓu hiÖn kh¶ n¨ng kh¸ng s©u ®ôc th©n. - Gièng ng« lai CBH351 chuyÓn gen mang gen Cry9C ®· ®­îc t¹o ra vµ trång thö nghiÖm trªn ®ång ruéng. - C¸c gièng ng« kh¸ng c«n trïng lµ mét trong nh÷ng c©y trång biÕn ®æi di truyÒn ®Çu tiªn ®­îc th­¬ng m¹i ho¸ vµ ®­îc trång trªn diÖn tÝch 8,9 triÖu ha vµo n¨m 1999. - HÇu hÕt c¸c gièng ng« chuyÓn gen kh¸ng s©u ®· ®­îc th­¬ng m¹i ho¸ ®Òu mang gen cry1Ab. - bvDßng ng« chuyÓn gen MON 88017 cã kh¶ n¨ng kh¸ng c«n trïng vµ kh¸ng thuèc trõ cá glyphosate. Kh¸ng c«n trïng Hai gen cry3Bb1 vµ cpepsps ®· ®­îc chuyÓn vµo dßng ng« LH198 chuyÓn 3 gen cry34Ab1, cry35Ab1 vµ gen pat vµo ng« lai Hi-II Hai gen cry34Ab1, cry35Ab1 vµ gen pat ®­îc chuyÓn vµo dßng ng« lai Hi-II gen CryIA(b) vµ gen m· ho¸ cho enzym PAT ®· ®­îc chuyÓn vµo dßng ng« BT11 §Æc tÝnh chÝn sím Gen FPF1 t¸ch chiÕt tõ Sinapis alba ®· ®­îc chuyÓn vµo c©y ng« nh»m rót ng¾n thêi gian sinh tr­ëng cña c©y. C¸c gen chÝn sím Zmm4/ZAP1 ph©n lËp tõ c¸c dßng ng« «n ®íi ®ang ®­îc nghiªn cøu chuyÓn vµo ng«. - C¶i thiÖn thµnh phÇn h¹t: tinh bét, protein dù tr÷; polysaccarit, kho¸ng vµ vitamin. - Gen sacB m· ho¸ cho enzym sinh tæng hîp fructose ®· ®­îc chuyÓn vµo c¸c dßng ng« cã kh¶ n¨ng t¸i sinh cao A188, B73. C¸c c©y chuyÓn gen nhËn ®­îc cã kh¶ n¨ng tÝch luü fructose trong h¹t. - Dßng ng« lai HiII cã kh¶ n¨ng tÝch luü aprotinin cao ®· nhËn ®­îc khi chuyÓn gen m· ho¸ cho sinh tæng hîp aprotinin vµo ph«i non b»ng sóng b¾n gen; - §ét biÕn DHPS m· ho¸ cho enzym sinh tæng hîp Lys ®· ®­îc chuyÓn vµ biÓu hiÖn ë ng« d­íi sù ®iÒu khiÓn cña ®o¹n gen khëi ®éng ®Æc hiÖu h¹t hoÆc c¸c ®o¹n khëi ®éng c¬ ®Þnh. Gièng ng« cã hµm l­îng lysin cao ®· ®­îc ®­a vµo s¶n xuÊt. C¶i thiÖn chÊt l­îng h¹t T×nh h×nh nghiªn cøu vµ th­¬ng m¹i ho¸ c©y trång biÕn ®æi gen trªn thÕ giíi Mét sè mèc quan träng trong sù ph¸t triÓn cña kü thuËt chuyÓn gen ë thùc vËt N¨m Thµnh tùu quan träng 1980 LÇn ®Çu tiªn chuyÓn DNA cña vi khuÈn vµo c©y nhê A. tumefacie 1983 T¹o c¸c gen chØ thÞ chän läc, thiÕt kÕ l¹i Ti plasmid 1984 BiÕn n¹p vµo tÕ bµo trÇn 1985 T¹o gièng kh¸ng thuèc diÖt cá 1986 T¹o gièng kh¸ng virus, ®­a c©y chuyÓn gen ra thö nghiÖm ®ång ruéng 1987 ChuyÓn gen kh¸ng c«n trïng nhê sóng b¾n gen 1988 T¹o gièng cµ chua ®iÒu khiÓn ®­îc qu¸ tr×nh chÝn 1990 ChuyÓn gen bÊt dôc ®ùc vµo ng« b»ng sóng b¾n gen S¶n phÈm chuyÓn gen ®Çu tiªn ®­îc th­¬ng m¹i ho¸: gièng cµ chua Flavor Save LÇn ®Çu tiªn chuyÓn thµnh c«ng ®ång thêi 10 gen vµo mét c©y. Toµn cÇu cã 48 gièng c©y chuyÓn gen ®­îc phÐp th­¬ng m¹i ho¸ 1999 T¹o gièng lóa chuyÓn gen cã gi¸ trÞ dinh d­ìng cao (Lóa vµng) 2005 T¹o gièng ng« cã hµm l­îng lysin cao T×nh h×nh nghiªn cøu vµ th­¬ng m¹i ho¸ c©y trång biÕn ®æi gen trªn thÕ giíi  Tõ 1996, diÖn tÝch GMC th­¬ng m¹i b¾t ®Çu t¨ng liªn tôc vµ æn ®Þnh.  1996-2005: diÖn tÝch trång c©y GMC t¨ng h¬n 50 lÇn (tæng diÖn tÝch 475 triÖu ha).  2005: ph¸t triÓn v­ît bËc, diÖn tÝch trång c©y GMC ®¹t h¬n 90 triÖu ha, t¹i 21 n­íc.  Mü: diÖn tÝch trång c©y GMC lín nhÊt thÕ giíi, ®¹t 49,8 triÖu ha, (55%).  C©y ng« chuyÓn gen mang 3 gen lÇn ®Çu tiªn ®· xuÊt hiÖn ë Mü.  Trong c¸c lo¹i c©y GMC, ng« chuyÓn gen cã diÖn tÝch trång lín thø hai (21,2 triÖu ha) sau ®Ëu t­¬ng (54,4 triÖu ha).  C¸c c©y chuyÓn gen mang tõ hai gen trë lªn ®ang lµ môc tiªu quan träng. ¶nh h­ëng cña c©y trång GMC ®Õn m«i tr­êng vµ cuéc sèng con ng­êi Lîi Ých chÝnh cña c©y trång GMC T¨ng n¨ng suÊt c©y trång tõ 5 ®Õn 40% Gi¶m chi phÝ s¶n xuÊt. T¨ng lîi nhuËn n«ng nghiÖp - C¶i thiÖn m«i tr­êng, b¶o vÖ ®a d¹ng sinh häc L­¬ng thùc, thùc phÈm tõ c©y chuyÓn gen cã thÓ g©y c¸c ph¶n øng dÞ øng hoÆc t¸c dông phô v× s¶n phÈm cña gen lµ c¸c protein l¹. - Cã thÓ g©y ra t¸c ®éng ®Õn m«i tr­êng sinh th¸i do sù xuÊt hiÖn nh÷ng sinh vËt l¹, hoÆc diÖt ®i nh÷ng thiªn ®Þch quý; cã thÓ t¹o ra nh÷ng loµi c©y míi ... T×nh h×nh nghiªn cøu c©y trång biÕn ®æi gen ë ViÖt Nam  Nghiªn cøu chuyÓn gen vµo c©y trång ®ang ®­îc tiÕp cËn, ®Çu t­ vµ triÓn khai nghiªn cøu, øng dông chñ yÕu t¹i c¸c phßng thÝ nghiÖm cña ViÖn C«ng nghÖ Sinh häc, ViÖn Di truyÒn N«ng nghiÖp, ViÖn Sinh häc nhiÖt ®íi vµ ViÖn nghiªn cøu Lóa ®ång b»ng s«ng Cöu Long. ViÖn C«ng nghÖ Sinh häc: + ChuyÓn gen Xa21 kh¸ng bÖnh b¹c l¸ vµ gen cry kh¸ng c«n trïng vµo lóa. + Ph©n lËp gen chÞu l¹nh, t¨ng c­êng tÝnh chÞu h¹n vµ chÞu mÆn ë c©y lóa; gen cry, gen RIP, gen m· ho¸ α-amylase ë ®Ëu c« ve, gen kh¸ng bä hµ khoai lang, gen m· ho¸ protein vá cña virus g©y bÖnh ®èm vßng ë c©y ®u ®ñ.  ViÖn Di truyÒn N«ng nghiÖp: - Nghiªn cøu chuyÓn gen vµo mét sè c©y trång quan träng, nh»m môc ®Ých x©y dùng quy tr×nh, t¹o c¬ së cho b­íc chuyÓn c¸c gen cã gi¸ trÞ. - NhiÒu ph­¬ng ph¸p chuyÓn gen kh¸c nhau ®· ®­îc nghiªn cøu vµ ¸p dông thµnh c«ng ®Ó ®­a c¸c gen cã gi¸ trÞ vµo lóa, cµ chua, khoai t©y, c¶i b¾p, c¶i dÇu, xóp l¬. - Ph©n lËp vµ thiÕt kÕ vect¬ mang gen tæng hîp insulin ®Ó chuyÓn vµo c©y lóa m×; thiÕt kÕ vect¬ vµ chuyÓn gen cryIA(c) vµo c©y c¶i b¾p. - C¸c nghiªn cøu vÒ biÕn n¹p gen ë c©y ng«; ViÖn Sinh häc nhiÖt ®íi - §· t¹o ®­îc c©y thuèc l¸, ®Ëu xanh, lóa, xóp l¬, c¶i xanh vµ c©y cµ tÝm mang gen cry kh¸ng c«n trïng, gen kh¸ng thuèc diÖt cá; - §ang thùc hiÖn chuyÓn gen cry, gen bar vµo c©y h«ng. KÕt luËn ThÕ hÖ c©y chuyÓn gen ®Çu tiªn ®­îc t¹o ra víi nh÷ng ®Æc tÝnh n«ng häc ®­îc quy ®Þnh bëi 1 gen. Trong vµi n¨m gÇn ®©y, nh÷ng biÕn ®æi di truyÒn nhËn ®­îc trong c¸c gièng c©y trång míi phøc t¹p h¬n víi nhiÒu gen liªn quan. C©y trång biÕn ®æi di truyÒn mang nhiÒu gen ®­îc chuyÓn n¹p ®ang lµ xu h­íng nghiªn cøu quan träng vµ sÏ ngµy cµng t¨ng trong t­¬ng lai. Víi nh÷ng thµnh tùu thu ®­îc trong thËp kû ®Çu tiªn c©y trång GMC ®­îc ®­a vµo canh t¸c, c©y trång GMC sÏ tiÕp tôc t¨ng tr­ëng m¹nh. C©y trång GMC víi viÖc sö dông c¸c ph­¬ng ph¸p canh t¸c tèt, sÏ tiÕp tôc gi÷ vai trß quan träng vµ then chèt trong thËp niªn tíi.