Tiểu luận Dịch thuật Chuyên đề vi nhân giống quang tự dưỡng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ˜ oOo ™ Đề tài: DỊCH THUẬT CHUYÊN ĐỀ VI NHÂN GIỐNG QUANG TỰ DƯỠNG BÀI TIỂU LUẬN NHÓM Môn: CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC VẬT Giảng viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Thúy TP. HCM, Tháng 4 năm 2016 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ˜ oOo ™ Đề tài: DỊCH THUẬT CHUYÊN ĐỀ VI NHÂN GIỐNG QUANG TỰ DƯỠNG BÀI TIỂU LUẬN NHÓM Môn: CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC VẬT Giảng viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Thúy Thành viên thực hiện: Huỳnh Ngọc Quang 3008140018 Bùi Văn Sự 3008140170 Mai Thị Cẩm Tiên 3008140249 Nguyễn Thị Thúy Vi 3008140074 Nguyễn Hải Đăng 3008140205 Lê Thị Bích Ngọc 3008140111 TP. HCM, Tháng 4 năm 2016 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội, nhu cầu về các giống các loại cây trồng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng tăng nhanh hơn bao giờ hết. Khi sản xuất được mở rộng, nhu cầu về giống cũng tăng theo, và phương pháp nhân giống cũng không ngừng cải tiến. Các loài thực vật được nhân giống chủ yếu bằng phương pháp vô tính qua phương pháp giâm cành, chiết cành hay gieo hạt truyền thống. Nhiều năm qua, thực tế cho thấy những phương pháp này không đáp ứng kịp nhu cầu giống, mặt khác còn mang nguy cơ làm lây lan bệnh hại và làm thoái hóa giống. Vì vậy trong sản xuất số lượng lớn cây giống sạch bệnh với tốc độ nhanh, chất lượng đồng đều và đồng nhất về mặt di truyền, phương pháp nhân giống vô tính in vitro rất hiệu quả. Tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho thấy phương pháp nuôi cấy mô truyền thống thường không quan tâm nhiều đến các yếu tố môi trường và thường dựa quá nhiều vào những ứng dụng các chất điều hòa tăng trưởng thực vật ngoại sinh. Bên cạnh đó, việc bổ sung đường, agar và vitamin vào môi trường nuôi cấy, cùng với việc sử dụng hệ thống nuôi cấy kín dẫn đến nhu cầu đòi hỏi sự vô trùng tuyệt đối. Điều này làm tăng chi phí sản xuất; gây ra sự mất mát một số lượng lớn cây con do nhiễm nấm khuẩn trong quá trình nuôi cấy; cảm ứng sự biến dị về hình thái, sinh lý cây nuôi cấy; đặc biệt là hiện tượng thủy tinh thể (vitrification) thường xuất hiện. Chính vì vậy mà tỷ lệ sống của cây in vitro trong giai đoạn thuần hóa sau ống nghiệm thấp. Chí vì vậy mà Chieri Kubota một giáo sư người Nhật Bản đã tìm ra một phương pháp vi nhân giống khác mà ở đó ta không cần bỏ sung đường, vitamin,những thứ làm tăng giá thành sản xuất gây ra những ảnh hưởng xấu vì thế “Phương pháp vi nhân giống quang tự dưỡng” ra đời. Công trình nghiên cứu này đã được đăng tải trên nhiều tạp chí khoa học nổi tiếng trên thế giới. Do đó, những nội dụng được công bố đều là tiếng Anh đòi hỏi người đọc phải có một trình độ ngoại ngữ nhất định. Chính vì lẽ đó mà nhóm đã được giao dịch thuật bài nghiên cứu này nhằm trao dồi vốn kiến thức Anh ngữ cũng như kiến thức tinh hoa của nhân loại trong lĩnh vực Công nghệ sinh học . Phần dịch thuật của nhóm chia ra làm 4 phần chính và được trình bày cơ bản như sau: Phần 1: Nguyên gốc: Trong phần này nhóm sẽ trích dẫn toàn văn bài nghiên cuu7a của giáo sư Chieri Kubota. Phần 2: Dịch tổng thể: Ở phần này nhóm sẽ dịch hoàn toàn bài nghiên cứu trên. Phần 3: Dịch tóm tắt: Nhóm sẽ tóm tắc sơ lược lại “Phương pháp vi nhân giống quang tự dưỡng” mà bài nghiên cứu đề cập đến. Phần cuối cùng: Nhận xét Trong quá trình dịch vốn kiến thức cũng như trình độ anh ngữ còn hạn chế. Đa phần dựa vào các công cụ dịch thuật phổ biến nên không tránh khỏi việc dịch ra tiếng Việt có những chỗ không được chính xác đối với những từ ngữ chuyên nghành. Rất mong Ths. Lê Thị Thúy và các thầy cô các bạn trong Khoa thông cảm và góp ý nhiều hơn để những bài dịch thuật sau nảy ngảy càng hoàn thiện hơn. Cuối cùng, xin chúc Ths. Lê Thị Thúy và quý thầy cô trong Khoa thật dồi dào sức khỏe và luôn thành công trong công việc cũng như trong cuộc sống. Xin trân thành cảm ơn ! NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN Nguyên gốc PHOTOAUTOTROPHIC MICROPROPAGATION: IMPORTANCE OF CONTOLLED ENVIROMENT IN PLANT TISSUE CULTURE. Chieri Kubota Department of Plant Sciences, The University of Arizona, Tucson, Arizona 85721-0036 Micropropagation is a method to produce genetically identical plantlets by using tissue culture techniques. Photoautotrophic micropropagation refers to micropropagation with no exogenous organic components (sugar, vitamins, etc.added to the medium, and it has been developed along with the development otechniques of in vitro environmental control. CO2 concentration, photosynthetic photon flux, relative humidity, and air speed in the vessel are some of the mostimportant environmental factors affecting plantlet growth and development;controlling these factors requires knowledge and techniques of greenhouse and horticultural engineering as well as the knowledge of physiology of in vitro plantlets. Photoautotrophic micropropagation has many advantages with respect to improvement of plantlet physiology (biological aspect) and operation/management in the production process (engineering aspect), and it results in reduction of production costs and improvement in quality of plantlets. INTRODUCTION Micropropagation, an in vitro vegetative propagation method using pathogen-free propagules, has been considered signifi cant in agriculture and forestry for producing pathogen-free stock plants or genetically superior clones that cannot be propagated by seeds or whose propagation effi ciency is low in conventional vegetative propagation. However, the widespread use of micropropagated transplants is still limitedby high production costs, mostly attributed to a low growth rate, a signifi cant lossof plants in vitro due to microbial contamination, poor rooting, low percent survival at the ex vitro acclimatization stage and high labor costs. Recent research, however, has revealed that most chlorophyllous explants/plants in vitro have the ability to grow photoautotrophically (without sugar in the culture medium), and that the low CO2 concentration in the air-tight culture vessel during the photoperiod is the main cause of the low net photosynthetic and growth rates of plants in vitro. ENVIRONMENTAL CONTROL IN MICROPROPAGATION Most of the factors that bring about the high production costs are directly or indirectly related to the heterotrophic or photomixotrophic characteristics of plant growth in vitro in conventional, heterotrophic or photomixotrophic micropropagation. In conventional micropropagation, sugar in the culture medium is the main or sole source of carbon and energy for plant growth in vitro. The supply of sugar to the culture medium to promote plant growth in vitro has been considered to compensate for the low or negative net photosynthetic rate of plants in vitro, and the poor photosynthetic ability of plants in vitro is a main reason for the low or negative net photosynthetic rate. For successful photoautotrophic micropropagation, understanding the in vitro environment and basics of environmental control is critical. For plants growing photoautotrophically, promotion of photosynthesis is the primary way to enhance the growth rate of the plantlets. To promote in vitro photosynthetic rates, it is necessary to know the status of environmental conditions (for example, air temperature and CO2 concentration) in the vessels and how to maintain them in optimum ranges for maximizing net photosynthetic rates of the plantlets. Lack of understanding of the in vitro environment or of the interaction of plantlets and the in vitro and ex vitro environments, makes it more diffi cult to improve the micropropagation system by applying the photoautotrophic micropropagation method. CHARACTERISTICS OF IN VITRO ENVIRONMENTAL CONDITIONS IN THE CONVENTIONAL PHOTOMIXOTROPHIC MICROPROPAGATION. In vitro aerial conditions are affected by physical properties of the vessels, environmental conditions outside the vessel (inside the culture room) and plantlets (photosynthesis, transpiration, etc.) and generally characterized as having a:(1) low CO2 concentration during the photoperiod, (2) high CO2 concentration during the dark period, (3) low water vapor pressure defi cit (high relative humidity), (4) low air current speed, and (5) low photosynthetic photon flux (PPF). As shown in Fujiwara et al. (1987) and other reports, the typical diurnal change in CO2 concentration in a conventional culture vessel containing chlorophyllous plantlets is characterized with a linear increase during dark period followed by a sharp decrease within a few hours after onset of photoperiod to reach as low as the CO2 compensation point. This decrease in CO2 concentration clearly shows that the chlorophyll-containing plantlets in vitro retain high photosynthetic ability, but the low CO2 concentration, caused by the limited ventilation of the vessel, forces the plantlets to grow photomixotrophically (using sugar as a supplemental source for energy and carbon). Enhancing ventilation is therefore the fi rst important key to success in photoautotrophic micropropagation. Increasing the CO2 concentration inside the growth chamber (CO2 enrichment), high photosynthetic photon fl ux (PPF), and use of porous supporting materials have been recognized as signifi cant factors, in addition to enhanced ventilation, for success in photoautotrophic micropropagation. ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF PHOTOAUTOTROPHIC MICROPROPAGATION Photoautotrophic micropropagation has many advantages with respect to improvement of plantlet physiology (biological aspect) and operation/management in the production process (engineering aspect). Advantages with biological aspects are: (1) promotion of growth and photosynthesis, (2) high survival percentage / smooth transition to ex-vitro environment, (3) elimination of morphological and physiological disorders, and (4) little loss of plantlets due to contamination. Advantages of engineering aspects include: (1) flexibility in the design of the vessel (larger vessels),(2) automation, and (3) simplifi cation of the micropropagation system. Disadvantages of photoautotrophic micropropagation often considered when introducing the technique in commercial operations are: (1) relative complexity of techniques and knowledge required for controlling the in vitro environment; (2) expense for lighting, CO2 enrichment, and cooling; and (3) limitation of application to multiplication systems using multiple buds/shoots. Kozai (1991) and Kubota (2001) summarize more details of the advantages/disadvantages of photoautotrophic micropropagation. Figure 1. Tomato plantlets cultured (left) photoautotrophically under high PPF, vessel ventilation rate and CO2 concentration without explant (nodal cuttings) leaf removal, and photomixotrophically under low PPF, vessel ventilation rate and CO2 concentration with (right, the conventional method) and without (center) explant leaf removal. APPLICATIONS OF PHOTOAUTOTROPHIC MICROPROPAGATION For the past 20 years, photoautotrophic micropropagation was successfully applied to many plant species including acacia (Acacia mangium), cauliflower (Brassica oleracea), chrysanthemum ( Chrysanthemum morifolium), citrus (Citrus macrophylla), coffee (Coffea arabusta), eucalyptus (Eucalyptus camaldulensis), grapevine (Vitis vinifera), potato (Solanum tuberosum), red raspberry (Rubus idaeus), sugarcane (Saccharum spp.), sweetpotato (Ipomoea batatass), tobacco (Nicotiana tabacum), and tomato (Lycopersicon esculentum). Figure 1 shows tomato plantlets cultured under photoautotrophic conditions, compared with those under photomixotrophic conditions for the same culture period (Kubota et al., 2001). The culture conditions were combinations of high ventilation of the vessels with/without CO2 enrichment and high PPF. Use of porous supporting materials is more signifi cant for woody plant species that are generally slow and diffi cult to root during in vitro culture (Kozai and Kubota, 2002). Figure 2 shows a scale-up system for photoautotrophic micropropagation of eucalyptus (Zobayed et al., 2000). A relatively new application of the photoautotrophic micropropagation method is somatic embryogenesis, which is a key technology for mass production of elite clones and has been introduced commercially, producing transplants for planting in clonal forestry. One of the challenges preventing wider application of somatic embryos is low percent germination of somatic embryos and conversion to plantlets. Coffea somatic embryos were shown to have photosynthesis ability at the cotyledonary stage (Afreen, 2001) and both growth and development (conversion/germination) of somatic embryos were enhanced under photoautotrophic conditions when CO2 concentration was properly controlled (Uno and Kubota, unpublished) (Fig. 3). CONCLUSION Photoautotrophic micropropagation is an advanced plant production techniquethat emerged as an integration of biology and engineering for practical applications. Such integration will be necessary for the future development of transplant production systems. The outcomes of research and development in photoautotrophic micropropagation will contribute to improvement and problem-solving infuture agriculture, forestry and horticultural production systems. Figure 2. Scaled-up photoautotrophic culture vessel (picture taken after removal of the lid). The vessel was 610 mm long, 310 mm wide, and 105 mm high (volume approx. 20 liters) (By courtesy of Zobayed; for descriptions refer to Zobayed et al., 2000). The CO2 -enriched air is pumped into the vessel through the inlets into the air distribution chamber beneath the plug tray. A nutrient solution in the reservoir (not shown in the picture) is sent to the root zone to soak the vermiculite-based supporting material in the plug tray and returned to the reservoir as scheduled with a timer. Figure 3. Plantlets or cotyledonary embryos obtained from torpedo-shaped (upper picture)and cotyledonary embryos (lower picture) cultured for 61 days under photomixotrophic [indicated as “MT” and “MC”; sucrose in an agar-gelled medium, low CO2 concentration and low photosynthetic photon fl ux (PPF)] and photoautotrophic (“AT” and “AC”; no sugar in the medium, porous supporting materials, high CO2 and high PPF) conditions (Uno and Kubota, unpublished). Numbers in treatment codes indicate the CO2 concentration (400, 1500, or 5000 µmol•mol-1). LITERATURE CITED Afreen, F., S.M.A. Zobayed, and T. Kozai. 2001. Mass-propagation of coffee from photoautotrophic somatic embryos. pp.355-364. In: N. Morohoshi and A. Komamine(eds.). Molecular breeding of woody plants. Elsevier Science B.V., Amsterdam, The Netherlands. Fujiwara, K., T. Kozai, and I. Watanabe. 1987. Measurements of carbon dioxide gas concentration in closed vessels containing tissue cultured plantlets and estimates of netphotosynthetic rates of the plantlets. J. Agr. Meteorol. 43:21-30. (in Japanese) Kozai, T. 1991. Autotrophic micropropagation. pp.313-343. In: Y.P.S. Bajaj (ed..). Biotechnology in agriculture and forestry 17: High-tech and micropropagation I. Springer Verlag, New York, New York. Kozai, T. and C. Kubota.2002. Developing a photoautotrophic (sugar-free medium) micropropagation system for woody plants. J. Plant Research 114:525-537. Kubota, C. 2001. Concepts and background of photoautotrophic micropropagation, pp.325334. In: N. Morohoshi and A. Komamine (eds.). Molecular breeding of woody plants. Elsevier Science B.V., Amsterdam, The Netherlands. Kubota, C., N. Kakizaki, T. Kozai, K. Kasahara, and J. Nemoto.2001. Growth and net photosynthetic rate of tomato plantlets during photoautotrophic and photomixotrophic micropropagation. HortScience 36:49-52. Zobayed, S.M.A., F. Afreen-Zobayed, C. Kubota, and T. Kozai.2000. Mass propagation of Eucalyptus camaldulensis in a scaled-up vessel under in vitro photoautotrophic condition. Annals Bot. 85:587-592. Dịch tổng thể Vi nhân giống quang tự dưỡng: Tầm quan trọng của việc kiểm soát môi trường nuôi cấy mô tế bào thực vật. Chieri Kubota Thuộc khoa thực vật học, trường ĐH Arizona, Tucson, Arizona 85721-0036 Vi nhân giống là một phương pháp dùng để sản xuất các cây non đồng nhất về mặt di truyền bằng cách sử dụng kỹ thuật nuôi cấy mô.Vi nhân giống quang tự dưỡng dùng để chỉ việc vi nhân giống không cần thêm các thành phần hữu cơ ngoại sinh (đường, vitamin,v.v) vào môi trường. Và phương pháp này đã được phát triển cùng với sự phát triển của kỉ thuật nhân giống in vitro có kiểm soát môi trường. Nồng độ CO2, cường độ ánh sáng, độ ẩm môi trường, tốc độ luân chuyển không khí trong bình là những yếu tố môi trường quan trọng ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và phát triển của các cây non; việc điều khiển các yếu tố đó đòi hỏi phải có kiến thức sử dụng nhà kính, kỉ năng làm vườn tốt như những kiến thức về sinh lí của thực vật trong nhân giống in vitro. Vi nhân giống quang tự dưỡng có nhiều ưu điểm trong việc cải thiện chức năng sinh lí của cây non (khía cạnh sinh học) và việc vận hành / quản lí trong quá trình sản xuất ( khía cạnh kỉ thuật), và kết quả là phương pháp này sẽ làm giảm chi phí sản xuất và cải thiện chất lượng của các cây non. Giới thiệu Vi nhân giống, hay in vitro là một kỉ thuật nhân giống từ các chồi sinh dưỡng sạch mầm bệnh, có ý nghĩa trong việc sản xuất các loại cây quý hiếm hoặc các thế hệ vượt trội về mặt di truyền trong nông nghiệp và lâm nghiệp mà không thể thu được từ hạt hay các phương pháp nhân giống thông thường. Tuy nhiên, việc sử dụng kỉ thuật vi nhân giống vẫn còn hạn chế bởi chi phí sản xuất cao, chủ yếu do tốc độ tăng trưởng thấp, một lượng đáng kể cây in vitro bị chết do vi sinh vật, rễ yếu, tỉ lệ sống thấp trong giai đoạn ex vitro (thử nghiệm bên ngoài) để quen với môi trường bên ngoài và chi phí nhân công cao. Tuy nhiên, trong những nghiên cứu gần đây đã cho thấy các sắc tố diệp lục/ cây in vitro có khả năng sinh trưởng bằng cách quang tự dưỡng ( không cần bổ sung đường vào môi trường nuôi cấy), nhưng bình nuôi cấy luôn được đậy kín dẫn đến tình trạng thiếu CO2 khi có ánh sáng chiếu vào sẽ dẫn đến hiệu suất quang hợp thấp và dẫn đến cây in vitro tăng trưởng chậm. Kiểm soát môi trường trong vi nhân giống. Hầu hết các yếu tố liên quan đến đặc điểm dị dưỡng hay quang dị dưỡng tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên năng suất của cây trồng, vi nhân giống dị dưỡng hay vi nhân giống quang dị dưỡng thường phát triển trong in vitro. Thông thường trong vi nhân giống, đường là nguồn cacbon chính và duy nhất có trong môi trường nhằm đảm bảo việc cung cấp năng lượng cho sự phát triển của cây in vitro. Việc cung cấp đường vào môi trường nuôi cấy để thúc đẩy sự sinh trường của cây in vitro nhẳm bù đắp cho tỉ lệ quang hợp thấp hoặc không quang hợp của cây in vitro, khả năng quang hợp kém của các cây trong ống nghiệm là nguyên nhân chính dẫn đến tì lệ quang hợp thấp hoặc không quang hợp của cây in vitro. Sự thành công của việc vi nhân giống quang tự dưỡng, là hiểu và điều khiển được môi trường nuôi cấy là điều cần thiết. Qúa trình quang tự dưỡng ở các cây, là một cách chủ yếu để tăng tốc độ sinh trưởng của các cây non thông qua việc tăng cường độ quang hợp. Để tăng cường độ quang hợp trong in vitro, cần biết được sự thay đổi của môi trường (ví dụ, nhiệt độ của môi trường và nồng độ CO2) trong ống nghiệm và biết cách duy trì cây in vitro trong điều kiện tối ưu nhất, đó là điều cần thiết nhằm tăng cường độ quang hợp của các cây con. Việc thiếu hiểu biết về môi trường nuôi cấy hay thiếu hiểu biết vể việc thích nghi của các cây non trong điều kiện in vitro và trong điều kiện ex vitro, đó là những khó khăn trong việc áp dụng kỷ thuật vi nhân giống quang tự dưỡng nhằm cải thiện phương pháp vi nhân giống truyền thống hiện tại. Đặc điểm của môi trường vi nhân giống quang tự dưỡng trong điều kiện nuôi cấy in vitro. Trong nuôi cấy in vitro thông thường các điều kiện vật lý trong các ống nghiệm kể trên không ảnh hưởng đến điều kiện môi trường bên ngoài ống nghiệm (bên trong các phòng thí nghiệm)