CÔNG NGHỆ TẾ BÀO THỰC VẬT
Đề tài: Nuôi cấy tạo cây đơn bội từ tế bào sinh dục ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong chọn tạo giống cây trồng việc tạo ra được dòng đồng hợp tử tuyệt đối là một vấn đề rất được quan tâm. Các dòng này đã được tạo ra bằng nhiều con đường khác nhau như: tự phối, nuôi cấy tạo cây đơn bội từ tế bào sinh dục… Trong đó tạo cây đơn bội từ tế bào sinh dục là một kĩ thuật mới có nhiều ưu điểm so với các kĩ thuật khác.
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THỂ ĐƠN BỘI
• Các thể đơn bội là những cá thể thường là của những loài nhị bội hay đa bội khác nguồn mà trong tế bào soma của chúng số lượng nhiễm sắc thể bằng nửa số lượng NST của loài khởi đầu, trong mỗi cặp NST tương đồng nó chỉ có một NST.
• Các cách hình thành thể đơn bội:
- Trinh sinh (gynogensis) và sinh sản đơn tính đực (androgensis). - Loại trừ nhiễm sắc thể và giảm nhiễm sắc thể soma.
- Nuôi cấy thể đơn bội in vitro. Một số đặc điểm của thể đơn bội.
•
Trong cơ thể thực vật chỉ có thể giao tử (hạt phấn, noãn) là những tế bào đơn bội. Nếu chúng phát triển thành cây thì cây đó có mức bội thể đơn bội (n).•
Ở thể đơn bội thì kiểu hình của cây phản ánh trung thực kiểu gen. Vì vậy thể đơn bội là nguyên liệu lý tưởng cho công tác chọn giống cây trồng.Khó khăn của việc tạo dòng thuần và hướng khắc phục.
• Trong chọn giống thực vật để tạo ra dòng thuần chủng người ta tiến hành tự thụ phấn bắt buộc qua nhiều thế hệ, việc này tốn rất nhiều thời gian.
• Vì vậy vấn đề đặt ra là làm thế nào trong một thời gian ngắn, chúng ta có thể tạo ra được dòng thuần chủng. Năm 1934, Stow đã phát hiện ra sự phát triển khác thường của hạt phấn thành những cấu trúc giống túi phôi đã xảy ra ở một số loài thực vật ở
Hyacinthus. Hiện tượng này đã cho thấy các hạt phấn có khả năng phân chia để hình thành các tế bào mới hoặc các mô khi được sinh trưởng trong các điều kiện thích hợp và chúng tiếp tục phát triển thành cây đơn bội
Ưu thế của việc tạo dòng thuần chủng từ nuôi cấy bao phấn, hạt phấn.
• Tính đồng hợp tử có được chỉ sau một đời nuôi cấy trong khi đó chọn dòng thuần thông thường phải mất 5 - 6 đời tự thụ phấn.
• Cây lưỡng bội hoá tính đồng hợp tử tuyệt đối, trong khi tự thụ phấn thông thường qua nhiều đời mà vẫn còn tồn dư dị hợp tử.
• Sự đa dạng di truyền ở quần thể cây lưỡng bội hoá từ nuôi cấy bao phấn hạt phấn lớn hơn quần thể tự thụ phấn tạo dòng thuần sau các đời tự thụ.
• Những gen lặn có thể bị che khuất ở các cây nhị bội dị hợp tử nhưng ở cây đơn bội hoặc lưỡng bội hóa từ hạt phấn lại có cơ hội biểu hiện ngay ra thành kiểu hình. • Cây đơn bội có thể dùng trong chọn lọc hồi quy để tạo giống chống bệnh. • Cấy truyền liên tục các dòng callus từ nuôi cấy bao phấn có thể tạo ra biến dị giao tử là nguyên liệu cho chọn giống.
Khả năng ứng dụng của cây đơn bội.
•
Nghiên cứu di truyền về mối tương tác của các gen.•
Tạo đột biến ở mức đơn bội.Sơ đồ các hướng ứng dụng đơn bội
Tạo cây đơn bội bằng nuôi cấy bao phấn, hạt phấn Nguyên lý:
Dựa trên cơ sở của sự sinh sản đơn tính đực (androgensis), người ta nuôi cấy các hạt phấn đơn nhân (tiểu bào tử) tách rời hay các bao phấn có chứa các hạt phấn đơn nhân trên môi trường dinh dưỡng nhân tạo phù hợp để kích thích hạt phấn phát triển thành cây đơn bội.
Các phương thức sinh sản vô tính đực invitro tạo cây đơn bội Sinh sản đơn tính trực tiếp (thuốc lá, cà độc dược). Hạt phấn đơn nhân phôi 1n cây 1n
Sinh sản đơn tính đực gián tiếp (lúa, ngô)
Hạt phấn đơn nhân mô sẹo 1n chồi 1n cây1n
Sinh sản vô tính đực hỗn hợp: quá trình này diễn ra tương tự như sinh sản vô tính đực gián tiếp, nhưng sự tạo thành mô sẹo ngắn, khó nhận biết. Ví dụ: cà chua.
Các phương pháp cơ bản
Có 2 phương pháp cơ bản được sử dụng trong nuôi cấy bao phấn và hạt phấn là:
Phương pháp1: Các bao phấn được nuôi cấy trên môi trường có agar hoặc môi trường lỏng và sự phát sinh phôi xảy ra trong bao phấn.Kỹ thuật nuôi cấy
Kỹ thuật này bao gồm những bước chính như sau:
• Chọn bao phấn: Bao phấn thích hợp nhất có chứa hạt phấn bắt đầu từ thể tứ bào tử đến ngay sau lần nguyên phân thứ nhất. Bao phấn của các hoa đầu tiên cho kết quả tốt hơn bao phấn của hoa muộn.
• Xử lý nụ hoa: Cần xử lý ở nhiệt độ thích hợp các nụ hoa sau khi cắt khỏi cây và trước khi tách bao phấn để nuôi cấy, nhằm kích thích sự phân chia của hạt phấn và từ đó tạo cây đơn bội.
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo cây đơn bội trong nuôi cấy bao phấn, hạt phấn in vitro
Tình hình nghiên cứu, thành tựu và hiện trạng. Tình hình nghiên cứu:
- 1964 Guka và Maheshwasi lài hai nhà khoa học Ấn Độ lần đầu tiên đã tạo thành công cây đơn bội qua nuôi cấy bao phấn cây cà độc dược.
- Kĩ thuật đơn bội được ứng dụng rất rộng rãi ở hầu hết các nước có công nghệ chọn giống trên thế giới.
- Công nghệ đơn bội đã được áp dụng đối với hầu hết các cây trồng quan trọng và mang lai hiệu quả kinh tế cao. Đối với một số cây như lúa, ngô, đại mạch, măng tây…thì đây là công nghệ không thể thiếu được trong chọn tạo giống.
- Ở nước ta từ năm 1975 đến nay đã tạo được nhiều loại cây trồng bằng nuôi cấy đơn bội như ngô, bắp cải, thuốc lá.
Thành tựu:
Các cây đơn bội có nguồn gốc hạt phấn đã được tạo ra ở 216 loài thuộc 78 giống,
31 họ và nhiều loài khác cũng được nghiên cứu thành công (Hu và Zhang, 1985).
Thông qua nuôi bao phấn đã tạo các giống lúa thuần như Khao 85, Khao 1105,
VH2. Đặc biệt thông qua chọn dòng tế bào soma thu được các giống DR1, DR2, DR3 đang mở rộng ra qui mô sản xuất. Kết hợp biến dị tế bào soma với gây đột biến đã tạo
giống lúa KDM39. Trong nghiên cứu lúa lai đang áp dụng kỹ thuật lai xa, cứu phôi, đột biến tạo dòng TGMS và CMS mới.
Trong lĩnh vực nông nghiệp, các kết quả nghiên cứu về công nghệ tế bào - mô phôi thực vật giúp chúng ta nhanh chóng tạo ra các giống cây trồng thuần. Hàng loạt dòng thuần ở lúa (ĐV2, MT4, DT26...) đã được tạo ra bằng kĩ thuật đơn bội nuôi cấy bao phấn và nuôi cấy noãn. Đặc biệt, chúng ta đã sản xuất được dòng lúa thuần mang gene quý như gen bất dục đực tế bào chất, bất dục đực nhân (gen TGMS, PGMS). Đối với ngô, đã tạo được 5 dòng ngô thuần và hai tổ hợp ngô lai có triển vọng.
Kĩ thuật nuôi cấy mô tế bào phát triển nhanh và ngày càng hiện đại mở tiềm năng to lớn cho cho nuôi cấy bao phấn hạt phấn tạo cây đơn bội từ đó tạo dòng thuần, đáng chú ý là ở các đối tượng có tầm quan trọng như: lúa gạo, lúa mạch, đại mạch, thuốc lá, ngô, khoai tây…
Ưu điểm của việc tạo cây đơn bội bằng nuôi cấy bao phấn và hạt phấn • Nuôi cấy bao phấn:
Vì bao phấn có kích thước lớn nên thao tác dễ dàng. Môi trường nuôi cấy đơn giản.
• Nuôi cấy hạt phấn :
Giống tạo ra có tính đồng hợp tử cao.
Phát sinh phôi dễ dàng trong quá trình nuôi cấy.
Tạo cây đơn bội thuận lợi cho việc nghiên cứu di truyền.
Tóm lại, nuôi cấy bao phấn, hạt phấn ra đời đã làm giảm thời gian, đồng thời làm tăng vọt số lượng các cá thể đơn bội thu được.
TẠO CÂY ĐƠN BỘI BẰNG NUÔI CẤY NOÃN CHƯA THỤ TINH
Khái niệm:
Tạo cây đơn bội từ nuôi cấy noãn chưa thụ tinh là sự kích thích tế bào trứng hay
các tế bào đối cực,tế bào kèm trong noãn phát triển và tái sinh thành cây đơn bội.Sự hình thành từ noãn chưa thụ tinh được gọi là sự sinh sản đơn tính cái hay trinh nữ sinh
Đã có nhiều thành công trong nghiên cứu tạo các cây đơn bội bằng nuôi cấy bao
phấn. Nhưng ở một số loại cây như hành,hoa hướng dương hay củ cải đường… thì phương pháp này tỏ ra không hiệu quả. Chính vì vậy trong những năm 70 các nhà nghiên cứu đã tiến hành tạo cây đơn bội bằng noãn chưa thụ tinh và đã giành được một số kết quả đáng kể.
Quy trình tạo cây đơn bội bằng noãn chưa thụ tinh
Những nhân tố ảnh hưởng đến nuôi cấy noãn chưa thụ tinh
Kĩ thuật nuôi cấy noãn chưa thụ tinh còn gặp nhiều khó khăn và phức tạp do việc tách noãn khó và dễ gây tổn thương
Nhằm tăng hiệu quả của quá trình này người ta đang tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy để tạo cây đơn tính mong muốn Kiểu gen của cây mẹ
• là một trong những nhân tố quan trọng nhất đối với quá trình nuôi cấy
• Người ta nhận thấy mỗi một kiểu gen có phản ứng khác nhau trong quá trình sinh trưởng nên phải xác định quy trình riêng cho từng loại cây cụ thể của từng kiểu gen
• nhân tố này đã được nghiên cứu trên nhiều đối tượng khác nhau như lúa,hoa đồng
tiền.
• Giai đoạn phát triển của noãn có ý nghĩa đặc biệt đối với việc tạo thể đơn bội
• Túi phôi thành thục là giai đoạn phù hợp cho hiệu quả cao trong nuôi cấy noãn • Tuy nhiên việc xác định giai đoạn phát triển của thể giao tử cái là rất phức tạp vì
túi phôi nằm trong bầu quả do đó khó quan sát trực tiếp để xác định được thì phải sử dụng các phương pháp tế bào học như tách túi phôi,nhuộm màu bằng lát cắ mỏng
Môi trường nuôi cấy
• Các môi trường như MS, B5, MF thừng được sử dụng làm môi trường nuôi cấy noãn chưa thụ tinh
• Môi trường này chủ yếu ở dạng đặc
• Để cảm ứng được sự trinh sinh cần thiết thì phải bổ sung các chất điều tiết sinh
trưởng thực vật
• Ngoài ra nồng độ đường cũng là một yếu tố cần được quan tâm,nồng độ phải phù
hợp cho từng loại cây
• Trong nhiều trường hợp việc bổ sung thêm một số chất phụ gia như nước dừa có tác dụng tạo callus phát sinh phôi và tái sinh cây
Điều kiện nuôi cấy
• Quá trình nuôi cấy thường được duy trì ở nhiệt độ ổn định 25-28 độ
• Đối với đa số loài thường ở giai đạn đầu của quá trình nuôi cấy tiến hành trong điều kiện tối, giai đoạn tái sinh cây yêu cầu ánh sáng 2000-3000 lux
Những thành tựu đạt được trong phương pháp tạo cây đơn bội từ noãn chưa thụ tinh Tỉ lệ tạo cây đơn bội theo phương pháp này có nhiều khả quan như ở hành và củ cải đường :5-20%,ở dâu tằm là 3-6%
Cây tái sinh ít bị bạch tạng ngay ở cả họ hòa thảo,trong khi nếu nuôi cấy bằng bao phấn và hạt phấn có tỉ lệ bạch tạng 60-90%
Ở các loại cây ngũ cốc ở VN thì biện pháp này tương đối đơn giản và dễ thành công như ở cây ngô
So sánh Giống nhau:
Đều dùng giao tử để tạo tế bào đơn bội.
Đều nhằm tạo ra những cây đơn bội qua sự cảm ứng phát sinh phôi từ những phân chia lặp lại của các bào tử đơn bội,các tiểu bào tử, các hạt phấn non.
Khác nhau
Phương pháp nuôi cấy hạt phấn tách rời tạo tế bào đơn bội cần phải tách rời các hạt phấn khỏi bao phấn khi nuôi cấy. Các hạt phấn này thường được nuôi cấy trên môi trường lỏng kèm theo chế độ lắc hay nuôi cấy chìm trong môi trường bán lỏng.
Phương pháp nuôi cấy bao phấn được áp dụng trên nhiều đối tượng thực vật khác nhau: ngô, lúa, thuốc lá… nhưng không áp dụng trên các cây hành, củ cải đường, hoa hướng dương.
Phương pháp nuôi cấy noãn chưa thụ tinh chủ yếu trên các đối tượng hành, củ cải đường, ngô, các cây ngũ cốc. Tuy nhiên kỹ thuật này còn gặp nhiều khó khăn và phức tạp do việc tách vách tế bào trứng rất khó và dễ gây thương tổn do vậy người ta đang tập trung nghiên cứu các yếu tố như kiểu gen cây mẹ, giai đoạn phát triển của túi phôi, chế độ xử lý nhiệt độ, môi trường nuôi cấy…Hiện trạng
Hiện tại người ta mới nuôi cấy hạt phấn trưởng thành để tạo cây đơn bội thành
cấy hạt phấn non chưa đạt được nhiều hiệu quả, hiện tại chỉ có một số kết quả về nuôi cấy hạt phấn non thành công như nuôi cấy hạt phấn non cây Trillium electum (Saparov và cs,1955), cây hành Allium cepa (Vasil,1959), ở cây Atropa belladonna (Bajaj,1974).
Hầu hết các cây ngũ cốc và các cây họ đậu nuôi cấy bao phấn rẩt khó thành công
hoặc tỉ lệ thành cây thấp, tỉ lệ cây bạch tạng cao.
Nhiều gen có khả năng thành cây thấp thường không được ứng dụng trong nuôi
cấy bao phấn nhưng có khi gen lại có giá trị kinh tế cao. Ví dụ cấy bao phấn giống lúa Japonica dễ thành công hơn hơn giống lúa Indica, tuy nhiên giống Indica lại có vai trò quan trọng hơn nhiều giống Japonica
Nuôi cấy bao phấn thuốc lá Nguyên liệu và thiết bị:
– Nụ hoa thuốc lá (Nicotiana tabacum) – Nước cất 2 lần vô trừng
– Etanol 90%
– Dung dịch hipoclorit natri 10% (V/v) – Thuốc nhuộm acetocacmin
– Agar – Đĩa petri
– Môi trường MS hoặc môi trường NN – Kính hiển vi giải phẫu
– Dao, kéo, panh,... Dùng cho nuôi cấy
– Một số hóa chất để pha môi trường lỏng: saccarozo, KNO3,…
Tiến hành
• Thu hái các nụ hoa của thuốc lá khi chúng có tràng hoa dài 21-23mm (thời điểm các hạt phấn thuốc lá hoàn thành phân bào nguyên phân đầu tiên)
• Xử lý lạnh các nụ hoa khoảng 12 ngày ở 7-8oC, sau đó khử trùng bề mặt nụ hoa
bằng etanol 90% trong 30s, sau đó chuyển chúng sang các đĩa petri đã chứa dung dịch hipoclorit natri 10% trong 10 phút
• Rửa các nụ hoa vài lần trong nước cất 2 lần vô trùng. Dùng dao, kim và panh giải phẫu cẩn thận nụ hoa và lấy ra các bao phấn (có thể sử dụng kính hiển vi giải phẫu để hỗ trợ cho quá trình thao tác
• Lấy 1 bao phấn của mỗi nụ hoa và ép trong acetocacmin để xác định giai đoạn phát triển của hạt phấn. Nếu hạt phấn ở giai đoạn phát triển thích hợp thì các bao phấn còn lại của nụ hoa được dùng trong nuôi cấy
• Các bao phấn có thể được nuôi cấy theo 2 cách: • Trên môi trường MS đặc (có 0,6-1,0%(W/v) agar)
• Nuôi cấy nổi trên môi trường lỏng gồm: KNO3-950(mg/l); NH4NO3- 825(mg/l);
MgSO4.7H2O- 185(mg/l); CaCl2- 220 (mg/l);KH2PO4-85 (mg/l); FeSO4.7H2O-27,8 (mg/l)
; Na2EDTA-37,3 (mg/l);saccarozo-20000 (mg/l)
6. Quá trình nuôi cấy được duy trì ở nhiệt độ 25oC trong tối hoặc ở ánh sáng yếu.
Cường độ ánh sáng thích hợp khoảng 300lux. Sau 4-6 tuần nuôi cấy, các cây con sẽ xuất hiện từ một số bao phấn.
Khi mô bao phấn đạt 3mm thì tách cây con ra khỏi mô và chuyển sang môi trường tạo rễ (có thể dùng môi trường MS với thành phần khoáng giảm 1 nửa). Cường độ ánh sáng cao hơn thời gian chiếu sáng khoảng 10-12h/ngày
Đề tài: “Bảo quản nguồn gen thực vật in vitro” MỤC LỤC
I. Mở đầu
II. Nội dung1. Bảo tồn nguồn gen thực vật
2. Sõ lýợc về các phýõng pháp bảo tồn nguồn gen 3. Các cách bảo quản nguồn gen thực vật in vitro
4. Ýu thế và hạn chế của kỹ thuật bảo quản nguồn gen thực vật in vitro 5. Khả nãng ứng dụng của bảo quản nguồn gen thực vật in vitro 6. Phýõng pháp bảo quản nguồn gen invitro đối với giống hoa Lilium Formolongo.
III. Kết luận Mở đầu Bảo quản nguồn gen thực vật là duy trì sự phong phú và đa dạng di truyền trong loài, giữa các loài và trong hệ sinh thái nói chung nhằm đánh giá, khai thác sử dụng các nguồn gen có giá trị để phục vụ lợi ích con ngýời.
Hiện nay có nhiều phýõng pháp bảo quản nguồn gen thực vật, song bảo quản nguồn gen thực vật in vitro là giải pháp công nghệ có triển vọng, nhất là với các cây nhân giống vô tính và các hạt mức sức nảy mầm ở nhiệt độ và ẩm độ thấp.
Vì vậy, chúng tôi tiến hành tìm hiểu đề tài: “Bảo quản nguồn gen thực vật in vitro”
Nội dung 1.1. Mục đích
Bảo vệ sự đa dạng sinh học, thể hiện ở 3 mức: +) Sự đa dạng của các hệ sinh thái+) Đa dạng của các loài
+) Sự đa dạng di truyền hay sự đa dạng của các nguồn gen trong loài
Đánh giá, khai thác sử dụng các nguồn gen có giá trị để phục vụ con ngýời. 1.2. Ý nghĩa Là một việc làm cấp thiết và thýờng xuyên để phục vụ nhiệm vụ trýớc mắt và lâu dài của công tác cải thiện giống, vừa góp phần quan trọng vào công tác bảo tồn thiên nhiên, bảo vệ sự đa dạng sinh học.
Bảo tồn nguồn gen ngăn chặn sự mất mát các gen, các phức hợp gen ngăn chặn sự tuyệt chủng của các nòi địa lý, các xuất xứ và trong trýờng hợp cực đoan đó là sự tuyệt chủng của loài.
2. Các phýõng pháp bảo tồn nguồn gen từ trýớc đến nay 2.1 Bảo tồn ngoại vi (ex - situ conservation)
Đây là hình thức bảo tồn chủ yếu hiện nay trên thế giới, một hình thức bảo tồn ngoài phạm vi cý trú tự nhiên của các loài.
Gồm :
- Bảo quản hạt - Trồng ngoài ruộng
- Bảo quản in vitro 2.1.1. Bảo quản hạt
Gồm:
Bảo quản ngắn hạn (hạt giống đýợc làm khô tới độ ẩm 9%, thời gian 5 năm)
Bảo quản trung hạn (độ ẩm hạt 7%, bảo quản trong dụng cụ bao gói và kho chuyên dụng ở độ ẩm 10%, t0 là - 1 đến - 50C)
Bảo quản dài hạn (độ ẩm hạt 3%, đựng trong hộp kim loại, bảo quản trong kho lạnh sâu, t0C là - 150C đến - 200C, thời gian từ 20 - 30 năm).
2.1.2. Bảo quản trên đồng ruộng
Đối týợng: cây lâu năm nhý cây ăn quả, cây công nghiệp, cây thuốc, cây sinh sản vô tính, hữu tính khác…
Ýu điểm: Dễ tiếp cận nghiên cứu, đánh giá và sử dụng
Nhýợc điểm: Dễ mất mát do điều kiện không thuận lợi, đòi hỏi diện tích đất đai lớn và nguồn nhân lực2.1.3. Bảo quản in vitro Đối týợng bảo quản in vitro:
- Vật liệu sinh sản vô tính (chuối, dứa, mít, khoai sọ, khoai lang…)
- Các loại cây có hạt recalcitrant - hạt khó bảo quản (xoài, mít, na, sầu riêng, nhãn, vải và cây có múi…)
- Các vật liệu dùng để nhân nhanh phục vụ các chýõng trình chọn tạo và nhân giống, hạt phấn và ngân hàng DNA…
2.1.3. Bảo quản in vitro Gồm
Bảo quản ngắn hạn: Thực vật đýợc phát triển bình thýờng trong điều kiện vô trùng của phòng thí nghiệm, vật liệu đýợc bảo quản để cung cấp cho các nhu cầu chọn tạo giống và nghiên cứu của mỗi cõ sở.
Bảo quản trung hạn (bảo quản bằng sinh trýởng chậm) thì tốc độ sinh trýởng của vật liệu đýợc làm giảm một cách đáng kể bằng cách giữ ở nhiệt độ ánh sáng thấp hoặc giảm nồng độ oxy.=> Cả 2 phýõng pháp này áp dụng cho vật liệu là: chồi, mô phân sinh và cây con. 2.1.3. Bảo quản in vitro
2.1.3. Bảo quản in vitro
- Bảo quản dài hạn: Bảo quản dài hạn là bảo quản trong hoặc trên bề mặt nitõ lỏng (- 1760C đến - 196ºC), với điều kiện này mọi quá trình sống bị đình chỉ hoàn toàn.
Đối týợng: mô sẹo, tế bào hạt phấn, phôi của một số loài thực vật… 2.2. Bảo tồn nội vi (bảo tồn tại chỗ, in-situ conservation)
Là bảo tồn nguồn gen trong môi trýờng sinh sống.
Đối týợng: bất kì thực vật nào, chủ yếu là các loài tổ tiên của cây trồng, các loài hoang dại có quan hệ gần gũi với cây trồng.
Với 1 số giống địa phýõng đýợc hình thành do quá trình chọn lọc và trồng trọt lâu đời tại 1 địa phýõng cũng có thể bảo quản tại chỗ trên đồng ruộng của nông dân hoặc bảo quản dựa vào cộng đồng.
Đây là giải pháp công nghệ có triển vọng trong việc bảo quản nguồn gen thực vật, nhất là với các cây nhân giống vô tính và cả hạt khó bảo quản có nhiệt độ và độ ẩm thấp.
Trong vòng 20 năm gần đây, công nghệ này đã đýợc phát triển rộng và áp dụng với hõn 1000 loài khác nhau (F.Engelmann, 1997).
Gồm:+ Bảo quản sinh trýởng chậm
+ Biện pháp ngừng sinh trýởng tạm thời 3.1. Bảo quản sinh trýởng chậm
Gồm bảo quản ngắn hạn và trung hạn
Vật liệu thích hợp là chồi, mô phân sinh và cây con
Để giảm tốc độ sinh trýởng của cây trong ống nghiệm, ngýời ta đã thay đổi một số yếu tố:+ Hạ thấp nhiệt độ nuôi cấy, đýa thêm các chất ức chế sinh trýởng + Chất làm tăng áp suất thẩm thấu
+ Và làm nghèo thành phần dinh dýỡng trong môi trýờng nuôi cấy 3.2. Biện pháp ngừng sinh trýởng tạm thời
Đây là phýõng pháp bảo quản dài hạn các vật liệu trong hoặc trên bề mặt nitõ lỏng (- 1760C đến - 1960C ).
Bảo quản đông lạnh trong, trên nitõ lỏng có thể đýợc chia ra các công đoạn sau:+ Tiền sinh trýởng, xử lý với 5 - 10 % proline, 3 - 6 % manitol. + Xử lý bảo vệ chống đóng băng.
3.2. Biện pháp ngừng sinh trýởng tạm thời
Đýa vào bảo quản trong hoặc trên mặt nitõ lỏng (- 1960C – 1580C).
Làm tan tuyết, xử lý ở nhiệt độ 35 – 400C trong điều kiện phòng thí nghiệm bình thýờng.
Phục hồi sinh trýởng, tái sinh cây. 3.2. Biện pháp ngừng sinh trýởng tạm thời
Biện pháp ngừng sinh trýởng tạm thời áp dụng thành công cho các đối týợng:+ Mô sẹo
+ Tế bào hạt phấn + Mô phân sinh
Ví dụ: ngýời ta đã nghiên cứu mô phân sinh của khoai tây và đýa vào bảo quản đông lạnh cho tỉ lệ phục hồi tái sinh cao xấp xỉ 36%.4. Ýu thế và hạn chế của kỹ thuật bảo quản nguồn gen thực vật in vitro Ýu điểm:
Đảm bảo độ an toàn và sạch bệnh cao, có khả năng tạo quần thể cây đồng nhất với số lýợng lớn.
Bảo quản đýợc lâu dài nguồn gen thực vật trong điều kiện môi trýờng bên ngoài không cho phép nhằm phục vụ cho công tác chọn giống.
Sử dụng các bộ phận nhỉ nhý hạt, chồi, mô,... nên có thể tiết kiệm đýợc không gian bảo quản.Ýu điểm
Hạn chế khả năng mất nguồn gen, nhất là các nguồn gen có nguy cõ xói mòn cao, các loài có nguy cõ bị tuyệt chủng
Với phýõng pháp bảo quản siêu lạnh có thể bảo quản đýợc lâu dài với số lýợng lớn và độ ổn định
Khả năng tái tạo, phục hồi các nguồn gen đã biến mất trong tự nhiên Hạn chế
Chýa có những đánh giá đầy đủ về mối týõng tác giữa yếu tố môi trýờng (thành phần dinh dýỡng trong môi trýờng nuôi, nhiệt độ, chất ức chế sinh trýởng).
Có khả năng tạo ra biến dị Soma với tần số biến dị khác nhau và ít lặp lại
Chi phí bảo quản lớn, đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao và trang thiết bị hiện đại
Chýa xác định đýợc khoảng thời gian tối đa một cách an toàn trong quá trình bảo quản bằng sinh trýởng chậm cho từng loài cây trồng5. Khả nãng ứng dụng của bảo quản nguồn gen thực vật in vitro
Ngày nay ngýời ta phân biệt đýợc bốn nhóm đối týợng mà chúng có thể bảo quản invitro có lợi
Nhóm vật liệu nuôi cấy bảo quản invitro bắt buộc bao gồm các nhân giống vô tính, các loại cây có hạt recalcitrant…
Nhóm vật liệu bảo quản trong điều kiện invitro gồm các dòng độc nhất và nguyên liệu đã đýợc làm sạch bệnh.
Vật liệu bảo quản invitro có thể có lợi trong từng thời điểm chẳng hạn nhân nhanh một kiểu gen, phục vụ chýõng trình tạo giống hoặc khảo sát đánh giá trong điều kiện invitro.
Vật liệu cần bảo quản invitro có liên quan đến kĩ thuật gen và sản xuất các chất thứ cấp.
Ví dụ: Phýõng pháp bảo quản nguồn gen invitro đối với giống hoa Lilium x formolongo
Đối týợng nghiên cứu: Lilium x formolongo
Phýõng pháp nghiên cứu:- Thu thập mẫu
- Tách và nuôi cấy vảy củ
- Cấy chuyển và bảo quản nguồn gen
Môi trýờng nuôi cấy:Trong thí nghiệm sử dụng môi trýờng vào mẫu là MS + 30g saccarose/l + 6.5g agar/l, 1ml α NAA, pH là 5.7
Tiến hành:Mẫu sau khi thu thập đýợc đýa về phòng thí nghiệm, tiến hành khử trùng mẫu.
Hóa chất dùng để vô trùng : Clorua thủy ngân với nồng độ sử dụng là 0.1 – 1% (W/v) trong thời gian tử 10 – 15 phút
Sau khi mấu đýợc khử trùng, tiến hành vào mẫu Thời gian từ khi vào mẫu tới khi cây ra rễ là 3 tuần
Cấy chuyển nhiều lần với môi trýờng MS + 30g saccarose/l + 6.5g agar/l, pH là 5.7
Cấy chuyển tới khi cây đạt tiêu chuẩn nhất định, tăng nồng độ đýờng tới 60g saccarorose + 6.5g agar/l, pH = 5.7
Tiến hành bảo quản trong phòng nuôi: + Nhiệt độ phòng nuôi: 100C + Thời gian chiếu sáng: 16h + Cýờng độ chiếu sáng: 1800lux + Độ ẩm phòng nuôi: 50 – 60%
Kết quả:Nhờ tăng nồng độ đýờng từ 30g/l đến 60g/l kết hợp với nhiệt độ phòng nuôi thấp, thời gian và cýờng độ chiếu sáng thấp…, thời gian cấy chuyển giống Lilium Formolongo đã tăng từ 4 tuần lên đến 10 tuần.
III. Kết luận
Bảo quản invitro đặc biệt có giá trị với những cây trồng sinh sản hữu tính, nhýng hạt của chúng không thể bảo quản đýợc ở ẩm độ, nhiệt độ thấp và cây trồng nhân giống vô tính, việc duy trì chúng trên đồng ruộng đang có nhiều nguy cõ mất giống.
Ở nýớc ta, công tác bảo quản invitro đã býớc đầu tiến hành có kết quả đối với một số cây trồng nhân giống vô tính trong nông nghiệp. Nhýng nhu cầu phát triển sử dụng, bảo quản invitro rất lớn. Do đó cần phải lựa chọn một chiến lýợc bảo quản thích hợp, sử dụng những thành tựu của công nghệ sinh học, phát triển những giải pháp mới, nuôi cấy bảo quản invitro để hỗ trợ các phýõng pháp cổ truyền nhý ngân hàng gen hạt và trên đồng ruộng nhằm bảo quản tốt hõn nguồn tài nguyên của chúng ta.
Nuôi cấy tế bào trần
Các tế bào thực vật có tính toàn năng,có thể nuôi cấy, điều khiển sự phát sinh hình thái của chúng cho tới thành một cây hoàn chỉnh. Có thể nói, nội dung bên trong vỏ tế bào trong đó vật chất chính là các thông tin di truyền chứa trong nhân của tế bào đã quyết định mọi đường hướng của quá trình thực hiện tính toàn năng của tế bào. Vì thế,hoàn toàn có thể nuôi cấy tạo cây hoàn chỉnh từ khối nguyên sinh chất chứa nhân của tế bào. Từ đấy đưa đến khái niệm nuôi cấy tế bào trần thực vật.
Tế bào trần được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thí nghiệm từ nghiên cứu những tính chất vật lý của màng sinh chất đến những nghiên cứu nhập bào và hấp thu các phần tử, các bào quan và vi sinh vật.
Protoplast
1.Khái niệm về Protoplast
Protoplast là các tế bào trong đó có thành tế bào được loại bỏ và màng tế bào chất là lớp ngoài cùng nhất trong tế bào.
Protoplast có thể thu được bằng enzyme lytic cụ thể để loại bỏ vách dung hợp.
Tế bào trần có thể được tạo ra bằng nhiều cách: từ dịch huyền phù tế bào, tế bào mô sẹo hoặc từ mô tươi nguyên trạng như lá qua tác động của các enzym; Pectinase phân hủy pectin, cellulas phân hủy hemicellulose. Các tế bào trần nếu để trên môi trường dinh dưỡng thì sau 5-10 ngày sẽ tạo vách tế bào và phân chia.Các tế bào trần, thậm chí khác loài,có thể kết hợp với nhau tạo tế bào lai và quan trình này gọi là sự dung hợp tế bào trần.
2. Tại sao cần phải nuôi cấy tế bào trần ?
Nuôi cấy tế bào trần sẽ mở ra 1 mô hình hấp dẫn để theo dõi quá trình sinh phôi từ 1 tế bào cô lập. Đặc biệt biết được sự sắp xếp các sợi Xenluloz để xác định hướng kéo dài tế bào, vị trí và hướng của mặt phẳng phân chia.
So với các kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào khác, nuôi cấy dung hợp tế bào trần giúp tạo ra các cơ thể lai mang các đặc điểm di truyền của các bố mẹ có nguồn gen khác xa nhau mà lai hữu tính không thể thực hiện được.3.So sánh đặc điểm nuôi cấy tế bào trần với nuôi cấy các tế bào vẫn còn thành tế bào:
So với quy trình nuôi cấy mô tế bào bình thường thì nuôi cấy tế bào trần thường yêu cầu 1 số thay đổi do bản chất của tế bào trần. Các thay đổi thường liên quan đến sự điều chỉnh nồng độ muối vô cơ, thêm vào các hợp chất hữu cơ, vitamin, đường để đảm bảo khả năng thẩm thấu và chất điều tiết sinh trưởng để kích thích sự phân chia tế bào.
Nuôi cấy tế bào trần có nhiều ưu thế hơn so với nuôi cấy các tế bào vẫn còn thành tế bào
Ưu thế của kĩ thuật nuôi cấy và tách tế bào trần là tế bào không có màng cứng, ở trạng thái đơn bào, mật độ tế bào thu được trên một một đơn vị thể tích môi trường có thể rất cao (đạt 106 tế bào/ 1ml môi trường).
Tế bào trần ở một số cây trồng có khả năng tái sinh rất mạnh, ví dụ tế bào mô thịt lá ở thuốc lá, cải dầu… Bằng thao tác di truyền ở tế bào trần có thể dễ dàng tạo ra các tế bào biến đổi gen. Tế bào với kiểu gen biến đổi sẽ được bảo tồn khi tái sinh tế bào thành cây hoàn chỉnh. Điều này rất khó thực hiện ở các tế bào vẫn còn thành tế bào.
Nuôi cấy tế bào trần cho phép khả năng biến nạp các gen thuận lợi vào tế bào thực vật mà trước kia thường bị vỏ tế bào ngăn cản.
Nuôi cấy tế bào trần cho phép khả năng dung hợp tế bào – gắn hai tế bào trần lại thành một tế bào với hai bộ thông tin di truyền của hai tế bào tạo nên một thể lai vô tính mà không cần hiểu biết chính xác về sự liên hệ giữa các gen, ít tốn kém, nhanh,trực tiếp và áp dụng các kĩ thuật chuyển gen( bơm AND, hóa thẩm, điện thẩm…)giúp loại trừ tính bất thụ hữu tính, tạo cây lai hữu thụ; Giúp chuyển những đặc tính có lợi vào cây trồng, ít đòi hỏi phương tiện phức tạp.
Tế bào lai thu được từ việc dung hợp hai tế bào trần được tái sinh và thành một cây lai. Quá trình này xảy ra ở tế bào nên gọi là lai tế bào và thông qua tế bào soma nên gọi là lai soma hay lai vô tính tế bào. Từ phương pháp này đẻ ra phương pháp lai xa giữa các loài- điều không thể thực hiện bằng phương pháp lai hữu tính thông thường.
Tuy nhiên quá trình nuôi cấy protoplast còn tồn tại một số trở ngại đó là:
Quá trình cô l ập nuôi c ấy ph ải hoàn thi ện.
Chưa có phương pháp hi ệu qu ả đ ể tuy ển ch ọn các s ản ph ẩm phù h ợp. 4. Kĩ thuật tách tế bào trần: 4.1. Phương pháp cơ học:
Phương pháp này dựa trên cơ sở phá các mối liên kết của mô bằng các dao sắc nhọn ( sharp-edged knife) và giải phóng các protoplast riêng rẽ. Phương pháp này cho hiệu suất thấp.
4.2. Phương pháp enzyme:
Để phá vỡ thành tế bào người ta thường sử dụng các enzyme chiết xuất từ các sinh vật chứa nhiều enzyme phân giải thành vách tế bào như: nấm, ốc và mối. Các enzyme này đã được thương mại hóa theo các phương pháp khác nhau với mức độ tinh khiết khác nhau
Hỗn hợp enzyme thường dùng là enzyme celluloza và macerozim được chiết xuất từ nấm Trichdearina virde và Aspergillus niger và đã được sản xuất công nghiệp. Nồng độ dung dịch enzyme sử dụng tùy thuộc đối tượng. Các hỗn hợp enzyme thường được sử dụng ở pH 5,5 – 5,8 trong 3-8h.
Ngoài ra để protoplast không bị vỡ sau khi thành cellulose bị phân hủy người ta phải bổ sung những chất tăng áp lực thẩm thấu vào dung dịch enzyme để duy trì cân bằng thẩm thấu giữa nội bào và môi trường bên ngoài. Các dung dịch thường dùng là dung dịch đường manitol, sorbitol. Nồng độ sử dụng khoảng 0,3 – 0,7M tùy theo đối tượng thực vật.
So với phương pháp cơ học thì phương pháp này có hiệu quả cao hơn rất nhiều. Phương pháp enzyme cho phép tách được hàng gram protoplast. Có thể thu được từ 1 gam lá cỏ luzec hoặc khoai tây là 6-12 triệu tế bào trần.
Vì protoplast thực chất là tế bào trần không có thành cho nên có thể tách được từ nhiều nguồn khác nhau như các bộ phận của cây ( rễ, lá, hạt phấn), callus, tế bào đơn… Xác định chất lượng tế bào trần
Sau khi phá vỏ tế bào vẫn có những mảnh thành tế bào còn xót lại làm ảnh hưởng đến những nghiên cứu sau này
Cách tốt nhất để phát hiện thành tế bào là dùng calcofluor, một hóa chất sẽ bám vào phân tử xenlulozo và gây ra phát ánh sáng huỳnh quang với màu xanh rực rỡ khi soidưới tia cực tím. Nếu các tế bào trần đã bị loại bỏ hoàn toàn thành tế bào hiển vi trường có màu tối thẫm các tế bào trần sẽ không nhìn thấy được ngoại trừ sự tự phát ánh sáng huỳnh quang đỏ của các lạp thể
Còn một phương pháp khác là dùng kính hiển vi huỳnh quang kết hợp với nhuộm xanh Evan để xác định sức sống của tế bào trần. Những tế bào còn nguyên vẹn sẽ ngăn không cho thuốc nhuộm xâm nhập vào nguyên sinh chất ngược lại các tế bào có màng sinh chất bị mất chức năng sẽ bắt màu xanh và chúng không thể sinh trưởng được
5. Nuôi cấy tế bào trần
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy- Thành phần của môi trường nuôi cấy lỏng hay đặc tùy thuộc vào vật liệu thực vật.Môi trường này có thêm Auxin và Xitokinin để giúp sự tái tạo vách và các lần phân chia đầu tiên.
- Đảm bảo đủ các yếu tố dinh dưỡng: axit amin, polyamin, Hydrolysat Cazein, nước dừa, mạch nha…
- Đảm bảo điều kiện nhiệt độ, PH, ánh sáng,áp suát thẩm thấu….
- Trong lần tự nhân đôi đầu tiên, môi trường phải có áp suất thẩm thấu cao, Auxin, Xitikinin thích hợp, ánh sáng yếu. Sau đó cần giảm áp suất thẩm thấu bắng cách pha loãng môi trường để giúp cho sự tăng trưởng tế bào.
Khi mô sẹo được hình thành cần chuyển chúng vào trong môi trường rắn chứa Auxin ở nồng độ thấp hơn và Xitokinin cao hơn. Sau cùng kích thích ra rễ cần loại Xitokinin, tăng nồng độ Auxin.
Nuôi cấy tế bào trần chia làm 2 giai đoạn Giai đoạn 1
Từ tế bào trần tao thành tế bào, phân chia tạo thành microcallus.
Sau một thời gian nuôi cấy một đến hai tuần các tế bào trần tái tạo vỏ và phân chia tạo nên các microcallus.
Điều kiện nuôi cấy
Nuôi trong môi trường lỏng lắc
Lớp nuôi trợ dưỡng: tế bào trần, lớp xốp có khả năng thấm từ dưới lên, callus từ mô tế bào mà từ đó tách tế bào trần,agar.
Nuôi trong điều kiện ánh sáng yếu, nuôi tối. Ánh sáng thẩm thấu đẳng trương.
Thời gian nuôi từ 1 đến 2 tuần. Giai đoạn 2
Microcallus thành callus ổn định hình thành phát sinh cơ quan.
Chuyển các microcallus lên môi trường cứng, chúng sẽ tạo thành các mô sẹo. Từ đó chuyển sang môi trường tái sinh chồi và cây hoàn chỉnh.
Điều kiện nuôi cấy.
Nuôi cấy trên môi trường đặc Chú ý tới ánh sáng và quang chu kì
Có chất điều tiết sinh trưởng cho qua trình tái sinh cây Loại bỏ chất gây ánh sáng thẩm thấu
Nuôi cấy tế bào trần thường yêu cầu 1 số thay đổi so với quy trình nuôi cấy mô bình thường do bản chất của tế bào trần.
Các thay đổi thường liên quan đến sự điều chỉnh nồng độ muối vô cơ, thêm vào các hợp chất hữu cơ, vitamin, đường để đảm bảo khả năng thẩm thấu và chất điều tiết sinh trưởng để kích thích sự phân chia tế bào.6. Dung hợp tế bào trần
Có thể nói việc dung hợp tế bào trần và tái sinh thành cây lai từ tế bào trần là 1 trong những thành tựu tuyệt vời của kĩ thuật nuôi cấy mô tế bào. Bằng phương pháp này đẻ ra phương pháp lai xa giữa các loài điều mà không thể thực hiện bằng các phương pháp lai hữu tính thông thường.Tế bào trần là những tế bào không có thành tế bào. Chính vì thế chúng có thể hòa lẫn vào nhau (dung hợp) và thành 1 tế bào lai mang trong mình vật chất di truyền của cả 2 tế bào.
Tế bào lai này được tái sinh và thành 1 cây lai. Quá trình này xảy ra ở tế bào nên gọi là lai tế bào và thông qua tế bào soma nên gọi là lai soma hay lai vô tính tế bào Sơ đồ chọn lọc các thể lai soma bằng cách ứng dụng sự mẫn cảm khác nhau của các protoplast thịt lá đối với actinomycin DCó 2 phương pháp dung hợp tế bào trần: + Dung hợp bằng hóa chất
+ Dung hợp bằng điện Dung hợp bằng hóa chất
Xử lý bằng NaNO3
Năm 1970, Power và cộng sự đã dùng NaNO3 (0,25 M) kích thích dung hợp hai protoplast. Carlson và cộng sự (1972) cũng dùng phương pháp này để sản xuất cây lai soma đầu tiên (Nicotiana glauca × N. langsdorffii). Tuy nhiên, phương pháp này cho hiệu suất thấp vì NaNO3 không thích hợp với tế bào bị không bào hóa mạnh như protoplast từ nhu mô lá.
Xử lý bằng PEGThường sử dụng poly ethylenglycol(PEG 5-25%) là chất có tác dụng dính kết tế bào trần dể dung hợp chúng. Nồng độ và trọng lượng phân tử của PEG quyết định sự thành công của thí nghiệm dung hợp. PEG có trọng lượng phân tử thấp (~ 100) không thể tạo ra một sự dính
chặt chắc chắn, trong khi PEG trọng lượng phân tử 6000 cho hiệu quả dung hợp cao hơn. Xử lý PEG cùng với pH/Ca2+ có hiệu quả tăng tần số dung hợp và khả năng sống của các
protoplast.
Quá trình dung hợp sẽ được cải thiện hơn nếu xảy ra trong môi trường kiềm (pH từ 8- 10) và khi có bổ sung CaCl2 (50-250 mM).
Sau khi xử lý bằng tác nhân dung hợp, các protoplast được nuôi cấy theo phương thức chuẩn.
PEG có 2 tác dụng:
+ Cung cấp một câu nối để Ca2+ có thể liên kết các bề mặt màng với nhau + Dẫn đến sự rối loạn tích điện bề mặt màng trong suốt quá trình rửa giải.
Dung hợp tế bào trần bằng xử lí PEG Dung hợp bằng điện
Phương pháp này đơn giản hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn dung hợp bằng hóa chất. Điều quan trọng hơn cả là dung hợp bằng điện (electrofusion) không gây độc đối với tế bào như thường thấy ở các protoplast hoặc các thể dị nhân được xử lý bằng PEG. Người ta đã dùng các xung điện (electric pulses) để đưa trực tiếp DNA ngoại lai vào trong tế bào thực vật, kỹ thuật này đã làm tăng sự quan tâm về việc ứng dụng dung hợp bằng điện vào lĩnh vực di truyền tế bào soma.Cách tiến hành
Đưa dung dịch hỗn hợp tế bào trần(2 bản cực được thiết kế trong các hộp dung hợp), các tế bào trần sẽ lần lượt sắp xếp thành chuỗi nằm giữa 2 bản cực. Khi có 1 xung điện cao (750-1000V) trong 1 thời gian rất ngắn(1-200 mili giây) vùng tiếp xúc giữa 2 màng tế bào sẽ bị vỡ, 2 tế bào trần hòa nhập vào nhau-quá trình dung hợp sẽ xảy ra. 7. Triển vọng ứng dụng của kỹ thuật nuôi cấy tế bào trần và lai tế bào somaMặc dù những khó khăn về mặt kĩ thuật đã làm hạn chế tiềm năng sử dụng tế bào trần tuy nhiên tế bào trần vẫn được ứng dụng trong một số lĩnh vực nghiên cứu:
Sau khi loại bỏ thành tế bào và được nuôi cấy trên môi trường thích hợp những tế bào trần được tái tạo nhanh chóng thành tế bào mới và quá trình phát triển này đã đưa ra một hệ thông lý tưởng cho nghiên cứu sinh tổng hợp thành tế bào (Willison và Cocking, Grout 1973)
Các tế bào trần có khả năng tiếp nhận các vật liệu từ bên ngoài đưa vào trong tế bào do đó tế bào trần là đối tượng thích hợp cho các nghiên cứu đưa nhân lạp thể, ti thể,DNA, Plasmit vào tế bào (Dodds và Bengochea 1985)
Quần thể tế bào trần có thể được xem như một hệ thống tế bào đơn và bởi vậy các thao tác tương tự như đối với các vi sinh vật qua đó có thể lựa chọn dòng đột biến và tách dòng quần thể tế bào thực vật (Evans và Cocking 1977)Một số ứng dụng khác :
Sản xuất các dòng bố mẹ phục vụ sản xuất hạt lai.
Sản xuất các hợp chất thứ cấp qua nhân sinh khối tế bào trong môi trường lỏng (nuôi lắc, nuôi trong bioreactor).
Công nghệ nuôi cấy tế bào trần ứng dụng cho những cây có giá trị kinh tế cao,nhưng khó nhân giống bằng phương pháp thông thường.
Công nhệ này làm nhân nhanh giống và kết hợp làm sạch virus. Nghiên cứu tạo giống khoai tây kháng bệnh virus của GS.TS Nguyễn Quang Thạch trường ĐHNN Hà Nội.
Bảo quản nguồn gen. . Nhờ kỹ thuật dung hợp người ta có thể lai tạo giữa hai loài thực vật khác nhau, thậm chí cả các loài thuộc những chi khác nhau. Điển hình nhất là việc dung hợp tế bào
cây khoai tây với tế bào cây cà chua. Kết quả là tạo ra được cây lai Pô-ma-tô mà trên mặt đất cho quả cà chua còn dưới mặt đất cho củ khoai tây (!).
Đây là sự dung hợp 2 tế bào trần khác loài tạo tế bào lai chứa bộ NST của 2 tế bào gốc. Tạo được cây lai từ tế bào khoai tây & cà chua.
Nuôi 2 dòng tế bào sinh dưỡng khác loài trong cùng 1 môi trường, có sự kết dính ngẫu nhiên của 2 hay 1 số tế bào khác loài của tế bào lai chứa bộ NST của 2 tế bào gốc Để tăng tỉ lệ kết dính; keo hữu cơ; xung điện cao áp.
Dùng hócmôn kích thích tế bào lai phát triển thành cây lai.
Với phương pháp này có thể tạo ra những cơ thể có nguồn gen khác xa nhau mà lai hữu tính không thực hiện được.
Kỹ thuật dung hợp tế bào trần cho phép mở rộng nguồn gen của các loài thực vật tạo ra các dòng tế bào sản xuất mới mang các đặc tính di truyền ưu việt của cả bố và mẹ
Nhiều cây lai được tạo ra bằng phương pháp dung hợp tế bào đã có được năng lực chống cỏ dại hoặc chống nấm bệnh.Tạo điều kiện thuận lợi cho sự nghiên cứu về sinh lí tế bào: tính thấm của màng, vận chuyển các chất hòa tan, ion, cơ chế hoạt động của hoocmon thực vật…
Một ứng dụng đầy triển vọng khác của nuôi cấy tế bào trần là vi nhân giống thực vật. Sau khi phân chia protoplast, thành tế bào được tái sinh để tăng sự phát triển callus và tiếp theo là cây hoàn chỉnh nhờ đó thực vật có thể được nhân lên nhiều lần.
Nuôi cấy tế bào trần đòi hỏi sự sinh trưởng của protoplast trên môi trường đặc hoặc lỏng. Từ đó các protoplast được phân lập có thể được sự dụng để:•
Biến đổi thông tin di truyền của tế bào thực vật•
Tạo ra cây lai vô tính thông qua dung hợp tế bào trần•
Nghiên cứu sự xâm nhiễm của virus ở thực vật và những vấn đề khác. 8. Tồn tại của kỹ thuật protoplast
Kỹ thuật protoplast đã thu được thành công ở các loài thuộc họ cà (Solanaceae) và một số họ khác, nhưng thành công ở họ hòa thảo (Poaceae) là họ của các cây trồng ngũ cốc chính còn rất hạn chế.
Potrykus (1980) đã thảo luận rất kỹ về vấn đề này. Theo Potrykus có những chỉ tiêu sau liên quan đến kết quả nuôi cấy và tái sinh từ protoplast tiềm lực in vitro. 1. Phân lập- Cơ sở di truyền của tế bào (khả năng tiềm tàng của tế bào trong nuôi cấy in vitro). - Tương tác tế bào trong cây.
- Sự phân hóa trong quá trình phát triển cơ thể. - Nguồn gốc cơ quan và cây hoàn chỉnh. - Trạng thái sinh lý của tế bào.
- Tác động của quá trình phân lập.
-
Tác động của trạng thái phân lập. 2. Điều kiện nuôi cấy- Nhu cầu về phytohormone. - Điều kiện vật lý của nuôi cấy. - Các yếu tố ức chế có thể xuất hiện. - Tác động của mật độ quần thể tế bào 3. Sự phân bào
- Sinh tổng hợp thành tế bào.
- Điều khiển sinh tổng hợp thành tế bào.
- Chức năng của thành tế bào đối với phân bào. - Điều khiển sự phản phân bào.
- Điều khiển sự phân chia nhân.
-
Điều khiển phân bào. 4. Sự phân hoá- Điều khiển phân hóa tế bào. - Tương tác tế bào trong nuôi cấy. - Điều khiển và cơ chế tạo kiểu mô. - Điều khiển quá trình tạo cơ quan, phôi.
9. Quy trình cụ thể minh họa việc nuôi cấy và dung hợp tế bào trần Quy trình nuôi cấy Protolast từ lá của cây thuốc lá.
9.1. Nguyên liệu thực vật Lá cây:
Lá là nguồn nguyên liệu thông dụng và truyền thống cho kĩ thuật protoplast thực vật do nó cho phép phân lập được một số lớn các tế bào tương đối đồng nhất.
Phương pháp cơ bản để tách protoplast từ lá cây:
Khử trùng mẫu lá.
Ngâm mẫu lá trong dung dịch thẩm thấu để tế bào co nguyên sinh chất.
Tách lớp mặt dưới lá.
Ngâm mẫu trong hỗn hợp enzyme.
Tinh sạch tế bào trần.
Nuôi cấy tế bào trần trong môi trường thích hợp hoặc dung hợp hay chuyển nạp gene.
Lá của cây thuốc lá in vitro được chọn dùng làm nguyên liệu tách protoplast. Sử dụng các lá được tách trong ngày.
Các bước phân lập protoplast từ lá cây 9.2. Chuẩn bị môi trường
Dung dịch enzyme tách protoplast: + Onozuka cellulase R10 0,5 % + Onozuka macerozyme R10 0,1 % + Mannitol 13,0 %+ pH môi trường ~ 5,8
Dung dịch này được khử trùng bằng màng lọc Millipore loại có đường kính lỗ lọc 0,2-0,25 µm.9.3. Tiến hành
Ngày thứ nhất
Các mẫu lá thuốc lá in vitro được loại bỏ hết gân lá và đặt lên đĩa petri thủy tinh vô trùng. Dùng dao cấy băm nhỏ các mảnh lá.
Cho các mảnh lá đã băm nhỏ vào cốc đong vô trùng loại 50 ml bổ sung 10 ml dung dịch enzyme tách protoplast. Bọc cốc đong bằng giấy parafilm, ghi nhãn và đặt trong tối qua đêm trên máy lắc ở tốc độ thấp (khoảng 40 vòng/phút).
Ngày thứ hai
Dùng micropipette chuyển dịch protoplast lên lưới lọc vô trùng (Φ = 65µm) đặt trong cốc loại 50 ml.
Bổ sung thêm 3 ml dung dịch rửa (PI + 10% mannitol) vào cốc chứa các mảnh lá vụn, lắc mạnh, và lọc tiếp trên lưới lọc rồi chuyển vào hỗn hợp protoplast-enzyme của bước trên.
Bổ sung thêm 2 ml dung dịch rửa để rửa proptoplast hết khỏi lưới lọc l. Chuyển hỗn hợp protoplast-enzyme (tổng cộng 15 ml) vào tube ly tâm loại 15 ml và ly tâm 50×g trong 10 phút.
Loại bỏ phần dịch nổi phía trên, tái huyền phù tiểu thể bằng 10ml dung dịch tách (PI + 20% sucrose), thêm 1ml dung dịch rửa lên trên bề mặt dung dịch tách và protoplast sao cho không làm hòa lẫn hai dung dịch, tốt nhất là tạo thành hai pha (nhỏ từ từ dung dịch rửa bên thành tube tránh bắn tung toé lên dịch rửa bên dưới), ly tâm 50×g trong 10 phút. Các protoplast sống sót sẽ nằm ở trên bề mặt dung dịch .
Dùng micropipette hút lớp protplast màu xanh lục nổi trên tube ly tâm và chuyển nó sang một tube ly tâm sạch, thêm 10 ml dung dịch rửa và ly tâm lại. Protoplast sẽ lắng xuống đáy tube và có dạng viên.
Rửa protoplast thêm một lần nữa trong 10 ml dung dịch rửa. Loại bỏ phần nổi trên mặt và tái huyền phù protoplast trong khoảng chừng 1 ml môi trường nuôi cấy protoplast (PC).
Đặt một giọt protoplast trên buồng đếm hồng cầu và ước lượng mật độ protoplast (số lượng tế bào/số ô đếm ×10.000). Nuôi cấy protoplast bằng cách pha loãng 50.000 tế bào/ml môi trường nuôi cấy protoplast và chuyển sang một đĩa petri vô trùng.Bọc lại, ghi nhãn và nuôi cấy qua đêm trong tối ở 28oC.
Ngày thứ baChuyển sang nuôi cấy ở ánh sáng yếu (10-20 µmol.sec/m2 hoặc bọc một lớp vải thưa dưới đèn hùynh quang ánh sáng trắng, với chu kỳ chiếu sáng 16 giờ, nuôi trong 2 ngày.
Chuyển sang nuôi cấy ở cường độ ánh sáng cao hơn (50-75 µmol/sec/m2) trong 2 ngày bằng cách bỏ lớp vải thưa ra.
Ngày thứ bảyTa có được kết quả của việc nuôi cấy protoplast, số tế bào phân chia từ tổng số tế bào nuôi cấy ban đầu, trong một mẫu có 100-200 protoplast nuôi cấy. Có dấu hiệu của sự nhiễm bẩn không.
KẾT LUẬN
Kỹ thuật nuôi cấy và dung hợp tế bào trần đã bắt đầu được ứng dụng rộng rãi để tạo ra các cây trồng mới hoặc có sản lượng hay chất lượng cao hơn, hoặc là có thêm khả năng kháng bệnh. Việc giới thiệu về quy trình sử dụng enzyme để cô lập tế bào trần thực vật (Cooking 1960) đã đưa ra một bộ mặt mới đầy hứa hẹn cho tế bào thực vật và nuôi cấy mô, mở ra một lĩnh vực mới trong sinh học tế bào thực vật. Điều làm cho tế bào trần có tác động mạnh như một hệ thống thí nghiệm đó là hệ enzyme phân hủy vách tế bào làm lộ ra bề mặt màng tế bào như là một rào cản giữa môi trường bên ngoài và thành phần bên trong tế bào. Sự tiếp cận đến màng sinh chất có ý nghĩa là thí nghiệm có thể được thiết lập để nghiên cứu và thao tác trên các thuộc tính của màng tế bào điều mà không thể thực hiện được khi bị bao phủ bởi vách tế bào. Tế bào trần được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thí nghiệm từ nghiên cứu những tính chất vật lý của màng sinh chất (Ruesink 1973) đến những nghiên cứu nhập bào và hấp thu các phần tử (Willison et al. 1971), các bào quan (Potrykus 1975) và vi sinh vật (Davey và Power 1975).
Kỹ thuật thụ phấn và nuôi cấy phôi invitro
Thụ phấn (pollination) là sự tiếp nhận các hạt phấn từ bao phấn tới núm nhụy để
thực hiện thụ tinh ở hoa. Ở thực vật có hai phýõng thức thụ phấn là thụ phấn chéo và tự thụ phấn
Th ụ tinh (fertilization): Ở th ực v ật th ụ tinh là s ự k ết h ợp c ủa hai giao t ử đ
ực và cái (tinh trùng và noãn) thành h ợp t ử (phôi, bào t ử ho ặc h ạt) là đ ặc trýng cõ b ản c ủa sinh s ản h ữu tính, sinh s ản lý ỡng tính. Ở th ực v ật h ạt kín có phýõng th ức th ụ tinh kép.
Phôi là một nhóm tế bào có khả năng phát triển tạo thành cõ thể hoàn chỉnh là pha
phát triển trung gian giữa hợp tử hay tế bào soma và bào tử thể.
Có hai loại phôi: phôi hữu tính & phôi vô tính ( phôi soma)
Phôi hữu tính : là phôi trong hạt đýợc tạo ra do thụ tinh giữa tế bào trứng và giao
tử đực (do lai hoặc tự thụ) còn gọi phôi hợp tử.
Phôi soma: là phôi đýợc phát sinh từ tế bào sinh dýỡng 2n chỉ của bố hoặc mẹ và
tế bào ấy có cấu trúc nhý một phôi gọi là phôi vô tính ( phôi soma).
Thụ phấn invitro là thực hiện quá trình thụ phấn trong ống nghiệm không phụ
thuộc vào cõ thể mẹ.
Nuôi cấy phôi (cứu phôi) là sự tách rời và nuôi cấy invitro phôi hợp tử đã thành
thục hoặc chýa thành thục thành cây hoàn chỉnh. II. Kỹ thuật thụ phấn invitro
Mục đích
Các býớc tiến hành
Các phýõng pháp thụ phấn in vitro
II.1. Mục đích phải tiến hành kỹ thuật này
Để khắc phục sự bất hợp trýớc khi thụ tinh.
Thụ phấn, thụ tinh ở điều kiện in vitro tạo ra cõ hội sản xuất các phôi lai giữa các
loài thực vật không thể lai bằng các phýõng pháp gây giống cây trồng truyền thống. II.2. Điều kiện có thể thụ phấn in vitro
Điều kiện cõ bản là phải nuôi cấy thành công bầu quả hay noãn phân lập (noãn
trần) của cây mẹ.
Chủ động điều khiển quá trình nảy mầm của hạt phấn cây bố trong môi trýờng
nuôi cấy vô trùng.
Tiến hành thụ phấn để sự thụ tinh diễn ra và nuôi cấy hợp tử phát triển thành phôi
lai trên môi trýờng dinh dýỡng vô trùng. II.3. Các býớc tiến hành
Lấy nụ của hoa mẹ ở thời điểm trýớc khi nở hoa 2 ngày, khử trùng, tách lấy
bầu quả hay lá noãn nuôi cấy invitro.
Lấy nụ hoa của cây bố vào ngày nở hoa, khử trùng, tách lấy bao phấn và để
trong điều kiện vô trùng đến khi chúng tung phấn.
Lấy hạt phấn rắc trực tiếp lên mặt cắt của bầu quả hay lá noãn để thụ phấn
in vitro.
Khi noãn thụ tinh, chúng hình thành hợp tử và tạo phôi. Các phôi lai in vitro
thýờng bỏ qua giai đoạn ngủ, nghỉ và mọc thành cây in vitro II.4. Các phýõng pháp thụ phấn in vitro
II.4.1. Thụ phấn bằng phýõng pháp cắt ngắn vòi nhụy
Là phýõng pháp dễ và hiệu quả. Núm nhụy và 1 phần hoặc toàn bộ vòi nhụy của
hoa đýợc cắt ngắn, sau đó hạt phấn của cây bố đýợc thụ trực tiếp lên vòi nhụy đã cắt ngắn và kết quả là có rất nhiều ống phấn đã kéo dài đýợc tới bầu nhụy.
Nhýợc điểm: số lýợng hạt trong 1 quả ít. Có thể do ống phấn gặp khó khăn trong
khi đâm xuyên qua vách bầu.
II.4.2. Thụ phấn bằng phýõng pháp ghép vòi nhụy
Hạt phấn cần thụ đýợc “gửi” trên 1 núm nhụy thích hợp và nảy mầm, 1 ngày sau
vòi nhụy và 1/3 bầu của hoa chứa hạt phấn đýợc cắt và ghép lên 3/4 bầu nhụy của hoa cây mẹ cần thụ phấn.
Theo Vantuyl và cộng sự(1991) thì một ngày sau khi “gửi” hạt phấn vòi nhụy
đýợc cắt ngắn cách trên bầu 1-2mm và đýợc gắn lên bầu nhụy của hoa cây mẹ. Bầu và vòi nhụy ngoài đồng ruộng đýợc kết hợp với nhau = ống nối còn trong invitro chỉ cần sử dụng agar để cố định là đủ.
II.4.3. Thụ phấn cho giá noãn
Bầu đýợc cắt theo chiều dọc thành nhiều miếng vào ngày núm nhụy tiết ra dịch
nhầy hoặc 1-2 ngày sau đó. Mỗi 1 miếng sẽ chứa 1 giá noãn và 1 hàng noãn, có thể để lại hoặc không để lại vách bầu. Một lýợng lớn hạt phấn cần thụ đýợc đặt theo giá noãn. Để kích thích hạt phấn nảy mầm và đâm xuyên vào noãn có thể đặt vào môi trýờng nuôi cấy 1 hay 2 vòi nhụy.
Có thể nuôi cấy ngoài sáng hay trong tối. Noãn nảy mầm sau 5-7 tuần thụ phấn và tiếp tục đýợc thụ phấn
Thụ phấn bên trong bầu (intraovarian pollionation): cả vòi nhụy hoặc 1 phần của
nó có thể đýợc tách ra và hạt phấn hoặc đýợc đặt trên bề mặt vết cắt bầu quả hoặc chuyển qua lỗ trên thành vòi nhụy đến bầu quả
III. Kỹ thuật cứu phôi
Mục đích
Nuôi cấy phôi hữu tính Các yếu tố ảnh hýởng
Ứng dụng
III.1. Mục đích
Khắc phục sự bất hợp sau thụ tinh.
Khắc phục sự bất hợp giữa nội nhũ và phôi khi lai xa.
Tạo cây đõn bội (lúa mì x ngô, lúa mỳ x yến mạch dẫn đến sự loại bỏ một bộ
nhiễm sắc thể).
Ngăn ngừa sự thui chột phôi ở những loại quả hạch chín (đào, mận, mõ…). Phá ngủ nghỉ, rút ngắn chu kỳ tạo giống…
III.2. Nuôi cấy phôi hữu tính
Sự phát sinh phôi hữu tính:
-Xảy ra quá trình thụ tinh giữa hạt phấn và noãn hình thành hợp tử -Hợp tử trải qua quá trình nguyên phân liên tiếp tạo thành phôi
Nuôi cấy phôi hữu tính gồm
-Tách phôi
-Nuôi cấy phôi để tạo cây. III.2.1. Tách phôi
Phôi hữu tính đýợc hình thành trong môi trýờng vô trùng của noãn và mô bầu
hoa.
-Ở một số loài phôi có kích thýớc lớn, thuận tiện cho quá trình tách phôi (cây họ đậu), nhýng một số loài hoa khó tách phôi (hoa lan_hạt có kích thýớc nhỏ, vỏ hạt tiêu giảm và thiếu nội nhũ)
-Ở thực vật hoa dạng chùm, mô non thýờng xếp ở đỉnh của chùm hoa
Trong quá trình thu nhận phôi cần hạn chế sự tổn thýõng của dây treo phôi. Dây
treo phôi có kích thýớc nhỏ và cấu trúc mỏng manh nên khó tách nó nguyên vẹn cùng với phôi để đýa vào nuôi cấy. Không có dây treo phôi làm giảm đáng kể tỉ lệ hình thành cây con từ nuôi cấy phôi non
III.2.2. Thành phần môi trýờng nuôi cấy
Sau khi tách từ hạt phôi đýợc nuôi cấy trong môi trýờng chứa:
Muối khoáng
Chất điều hoà sinh trýởng
Nguồn carbon
Aminoaxit và thành phần hữu cõ phức hợp
Muối khoáng
Môi trýờng với hàm lýợng cao các ion K+, Ca2+ đảm bảo cho tỷ lệ sống cao của
phôi và khả năng thúc đẩy sinh trýởng tốt đối với phôi của một số loài thực vật. Chất điều hoà sinh trýởng
Auxin và cytokinin không đýợc sử dụng nhiều trong nuôi cấy phôi do chúng cảm
ứng tạo callus.
Nguồn carbon
Đýờng: là thành phần không thể thiếu trong mọi môi trýờng nuôi cấy, vì nó
là nguồn cung cấp Cacbon chủ yếu. Trong nhiều trýờng hợp đýờng sucrose cho kết quả tốt hõn các đýờng khác. Nồng độ sucrose có thể dùng từ 0.5% đến 18%.
Glucose và sucrose ngoài vai trò dinh dýỡng, còn có khả năng duy trì áp suất
thẩm thấu của môi trýờng. Phôi trýởng thành sinh trýởng khá tốt ở nồng độ thấp nhýng phôi non đòi hỏi nồng độ sucarose cao hõn.
Aminoaxit và thành phần hữu cõ phức hợp
Glutamin là a.a hiệu quả nhất đối với nuôi cấy phôi nhiều loài thực vật.
Cazein thuỷ phân(CH) (Ziebur & Brink, 1951) là hỗn hợp các a.a đýợc sử dụng rộng rãi trong nuôi cấy phôi. Làm tăng kích thýớc và tỷ lệ phân hoá phôi.
Ngoài ra một số chất tự nhiên nhý nýớc dừa (Overbeek, 1942), nýớc chiết malt
(Blackeslee & Satina, 1944), là những chất mà khi đýợc bổ sung vào môi trýờng nuôi cấy sẽ đem lại hiệu quả cao hõn… vì trong các chất này có chứa nhiều vitamin, DNA, RNA, và một số chất điều tiết sinh trýởng khác
III.3. Các yếu tố ảnh hýởng
pH môi trýờng Nhiệt độ
Ánh sáng
III.3.1. pH môi trýờng
Các phôi tách rời sinh trýởng tốt trên môi trýờng có pH 5.0-7.5 Đây là phạm vi pH của dịch noãn (6.0)
III.3.2. Nhiệt độ
25±2°C thích hợp cho sinh trýởng và nảy mầm của phôi.
Nhiệt độ tối ýu cho nuôi cấy phôi có thể khác nhau giữa các genotype trong cùng
1 loài
VD: Loài Zamia, Phaseolus, bông: 27-30°C
Loài lai Brassica, lúa, lúa mạch: 17-22°C III.3.3. Ánh sáng
Khi nuôi cấy phôi chýa trýởng thành của lúa mạch, lanh, các cá thể loài lai Allium
tiến hành trong tối trýớc khi chuyển sang điều kiện sáng để nảy mầm. III.4. Ứng dụng của nuôi cấy phôi hữu tính
Thu nhận thể đõn bội
Kiểm tra nhanh sức nảy mầm của hạt Nhân giống các cây hiếm
Thụ phấn trong ống nghiệm
III.4.1. Thu nhận thể đõn bội Nuôi cấy phôi hữu tính để thu nhận các thể đõn bội thông qua quá trình loại bỏ trực tiếp NST sau khi lai xa. Tổ hợp giữa hai loài càng khác xa nhau thì sự đào thải hoàn toàn NST đõn bội của một loài càng dễ xảy ra III.4.2. Kiểm tra nhanh sức nảy mầm của hạt
Nuôi cấy phôi hữu tính đýợc dùng để kiểm tra nhanh khả năng nảy mầm của hạt, đặc biệt là các hạt giống có sức sống kém và hạt sau thời gian bảo quản dài. Phýõng pháp này cho độ chính xác cao
