Giải chi tiết chuyên đề Sinh học 12 Cánh diều bài 3: Công nghệ gene và tạo sinh vật chuyển gene

BÀI 3. CÔNG NGHỆ GENE VÀ TẠO SINH VẬT CHUYỂN GENE

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Kể tên một số cây trồng, vật nuôi chuyển gene có mặt ở Việt Nam. Hãy cho biết cơ sở khoa học của kĩ thuật chuyển gene ở sinh vật?

Bài làm chi tiết:

- Một số cây trồng, vật nuôi chuyển gene có mặt ở Việt Nam: Gạo vàng giàu vitamin A, giống đu đủ kháng bệnh đốm vòng do virus,...

- Cơ sở khoa học của kĩ thuật chuyển gene ở sinh vật: quá trình đoạn DNA ngoại lai xâm nhập và hoạt động ở tế bào chủ.

I. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ GENE

Câu 1: Quan sát hình 3.1, cho biết chuyển gene dựa trên cơ sở khoa học nào?

Bài làm chi tiết:

Chuyển gene dựa trên nguyên lí tái tổ hợp DNA và nguyên lí biểu hiện gene.

Câu 2: Quan sát hình 3.2, mô tả các trình tự thiết yếu của vector.

Bài làm chi tiết:

Các trình tự thiết yếu của vector: điểm nhận biết của các enzyme giới hạn, gene chỉ thị và vùng khởi đầu tái bản.

Câu 3: Quan sát hình 3.3 và cho biết có những loại vector nào.

Bài làm chi tiết:

- Dựa vào nguồn gốc, vector được chia thành 5 loại: Ti-plasmid, plasmid, phage, cosmid, NST nhân tạo.

- Dựa vào chức năng, vector được chia thành 2 loại: vector tách dòng và vector biểu hiện.

II. CÁC BƯỚC CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ GENE

Câu 1: Quan sát hình 3.4 và cho biết:

- Gene chuyển được chuẩn bị như thế nào.

- Cài gene chuyển vào vector như thế nào.

- Chuyển vector vào tế bào nhận bằng phương pháp nào.

- Phân tích dòng tế bào tái tổ hợp bằng cách nào. 

Bài làm chi tiết:

- Phân lập gene chuyển: Gene chuyển thường mã hoá các RNA, protein cần thiết trong nghiên cứu hoặc thực tiễn sản xuất. Trình tự gene chuyển có thể thu được từ hệ gene bằng PCR hay bằng enzyme giới hạn, hoặc là cDNA được tổng hợp từ mRNA bằng RT-PCR. 

- Cài gene chuyển vào vector: Vector chuyển gene được lựa chọn phụ thuộc vào độ dài đoạn DNA mang gene cần chuyển, loại tế bào chủ tiếp nhận vector và phương pháp chuyển gene được sử dụng. Vector chuyển gene có chung điểm nhận biết của enzyme giới hạn với đoạn DNA mang gene chuyển.

- Chuyển vector vào tế bào nhận: Vector chuyển gene được đưa vào tế bào chủ bằng kĩ thuật chuyển gene phù hợp.

- Phân tích dòng tế bào tái tổ hợp và thu nhận sản phẩm: Kiểm tra sự hiện diện của gene chuyển trong các dòng tế bào, mô. Có thể chọn lọc dòng tế bào chuyển gene bằng cách dùng đầu dò, đoạn mồi đặc hiệu hoặc chọn lọc trên môi trường tuyển chọn. Tiến hành tái sinh in vitro cơ thể mang gene chuyển. Cơ thể được tái sinh từ tế bào, mộ nhận gene chuyển được gọi là sinh vật biến đổi gene hoặc sinh vật chuyển gene, cơ thể này chứa gene chuyển và biểu hiện tính trạng của gene chuyển. Sử dụng các kĩ thuật sinh học phân tử để phân tích sự biểu hiện của các gene chuyển ở sinh vật chuyển gene. Sản phẩm của công nghệ gene là DNA tái tổ hợp hoặc protein tái tổ hợp. Các sản phẩm này được thu nhận bằng các phương pháp sinh học phân tử phù hợp.

Luyện tập: Lấy ví dụ các sản phẩm biến đổi gene.

Bài làm chi tiết:

Ví dụ:

Các loại thực phẩm củ quả như: ngô, đậu nành, củ cải đường, khoai tây, cà chua, ...

III. TẠO THỰC VẬT CHUYỂN GENE

Câu 1: Dựa vào hình 3.5, hãy mô tả các bước chuyển gene vào cây trồng nhờ vi khuẩn A. tumefaciens.

Bài làm chi tiết:

Các bước chuyển gene vào cây trồng nhờ vi khuẩn A. Tumefaciens: 

- Gene cần chuyển được chèn vào vector T-DNA, vector T-DNA tái tổ hợp được biến nạp vào A. Tumerfaciens

- Lây nhiễm A. tumefaciens vào tế bào thực vật. T-DNA plasmid được chuyển vào và hợp nhất với hệ gene tế bào thực vật.

- Xử lí với kháng sinh như carbenicillin và kanamycin chọn tế bào mang gene chuyển thành công.

- Gene được chuyển vào tế bào thực vật.

- Đưa tế bào gene sang môi trường thích hợp để tái sinh cây hoàn chỉnh.

Luyện tập: 

- Hãy kể tên một số phương pháp chuyển gene vào tế bào thực vật.

- Hãy nêu một số loại tế bào, mô thực vật có thể sử dụng để chuyển gene trực tiếp, chuyển gene gián tiếp và tạo cây chuyển gene.

Bài làm chi tiết:

- Một số phương pháp chuyển gene vào tế bào thực vật: sử dụng súng bắn gene, vi tiêm hoặc xung điện,...

- Một số loại tế bào, mô thực vật có thể sử dụng để chuyển gene trực tiếp, chuyển gene gián tiếp và tạo cây chuyển gene:

Câu 2: Việc tạo ra các cây trồng chuyển gene quy định khả năng kháng thuốc diệt cỏ, kháng côn trùng, kháng nấm,... có ý nghĩa như thế nào đối với sản xuất nông nghiệp?

Bài làm chi tiết:

Ý nghĩa:

- Tăng năng suất: Các cây trồng chuyển gen có khả năng kháng thuốc diệt cỏ, côn trùng và nấm thường giúp giảm thiểu thiệt hại do các loại sâu bệnh gây ra. Điều này dẫn đến tăng hiệu suất và sản lượng của cây trồng, giúp nâng cao năng suất của nông nghiệp và đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu.

- Giảm sử dụng thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ hóa học: Sử dụng cây trồng chuyển gen kháng sâu bệnh giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào thuốc trừ sâu hóa học. Điều này không chỉ giảm chi phí cho người nông dân mà còn giảm tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

- Tăng cường sự bền vững của hệ sinh thái: Việc giảm sử dụng thuốc trừ sâu hóa học cũng giúp giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường và giữ cho các loài khác vẫn tồn tại.

- Giảm khả năng lây lan của các loại bệnh và sâu bệnh.

Luyện tập: Đậu tương biến đổi gene là một trong số các cây trồng biến đổi gene được sản xuất và tiêu thụ ở nhiều quốc gia trên thế giới. Đậu tương biến đổi gene được tạo ra như thế nào? Cây trồng này có đặc điểm gì khác biệt so với đậu tương được tạo thành từ các phương pháp chọn tạo giống như lai hữu tính hoặc gây đột biến?

Bài làm chi tiết:

- Quá trình tạo đậu tương biến đổi gene:

+ Chọn lọc gene.

+ Chuyển gene bằng các phương pháp như sử dụng súng bắn gene hoặc nhờ vi khuẩn A. Tumefaciens.

+ Phát triển cay đậu tương đã được chuyển gene.

- Cây đậu tương biến đổi gene có đặc điểm:

+ Có thể chọn lọc được gene quy định tính trạng mong muốn.

+ Tạo ra đời sau mang tính trạng không có ở bố mẹ, tăng đa dạng di truyền.

+ Có thể truyền gene biến đổi cho các thế hệ sau.

IV. TẠO ĐỘNG VẬT CHUYỂN GENE

Câu 1: Để tạo động vật chuyển gene, người ta thường chuyển gene vào trứng đã thụ tinh hoặc tế bào gốc phôi. Hãy giải thích.

Bài làm chi tiết:

Việc chuyển gene vào trứng đã thụ tinh và tế bào gốc phôi là để đảm bảo rằng gene mới được tích hợp vào cấu trúc di truyền của cá thể sinh vật sớm nhất có thể, từ đó tạo ra cá thể mang đặc tính mong muốn.

Luyện tập: Hãy mô tả các bước tạo chuột chuyển gene bằng vi tiêm vector tái tổ hợp mang DNA cần chuyển vào trứng đã thụ tinh.

Bài làm chi tiết:

Các bước tạo chuột chuyển gene bằng vi tiêm vector tái tổ hợp mang DNA cần chuyển vào trứng đã thụ tinh: Trứng đã thụ tinh ở giai đoạn hai nhân đơn bội chưa hợp nhất được sử dụng cho vi tiêm vector mang gene chuyển. Hai trình tự DNA nằm ở hai đầu của gene chuyển trên vector tương đồng với trình tự đích ở hệ gene của chuột nhận gene. Tái tổ hợp xảy ra giữa hai trình tự này dẫn đến sự chèn gene vào hệ gene tế bào nhận ở vị trí xác định. 

Luyện tập: Mô tả tóm tắt các bước tạo chuột chuyển gene bằng phương pháp xung điện.

Bài làm chi tiết:

Các bước tạo chuột chuyển gene bằng phương pháp xung điện: Dưới tác dụng của xung điện áp cao (4000 - 8000 V/cm) xử lí trong khoảng thời gian rất ngắn (vài milli giây), các tạo lỗ màng sinh chất tạm thời hình thành và DNA ngoại lai đi qua màng tế bào, sau đó vào nhân tế bào.

Luyện tập: Trong kĩ thuật chuyển gene vào tế bào phôi chuột, chuột con sinh ra từ phôi nhận gene chuyển có thể ở dạng chimera, tức là cơ thể có một số tế bào mang gene chuyển, nhiều tế bào không mang gene chuyển. Hãy giải thích hiện tượng này.

Bài làm chi tiết:

- Khi thực hiện kỹ thuật chuyển gene vào phôi chuột, gene mới thường được chuyển vào các tế bào phôi ở giai đoạn phát triển sớm.

- Tế bào phôi sau đó sẽ tiếp tục phân chia và phát triển, tạo thành một con chuột hoàn chỉnh với các tế bào mang gene mới và các tế bào không mang gene mới.

- Trong quá trình phôi phát triển, các tế bào phân chia và di chuyển để hình thành các cơ quan và mô của con chuột.

- Tuy nhiên, không phải tất cả các tế bào phôi đều mang gene chuyển, và việc phân phối của chúng có thể không đồng đều trong cơ thể phôi.

- Một số cơ quan hoặc mô có thể chứa một lượng lớn các tế bào mang gene chuyển, trong khi các cơ quan khác có ít hoặc không có tế bào mang gene chuyển.

Vận dụng: Hãy tìm hiểu về một số loại cây trồng, vật nuôi là sinh vật chuyển gene: phương pháp tạo ra, đặc tính đã được biến đổi so với cây trồng, vật nuôi không chuyển gene và ứng dụng trong thực tiễn đời sống và sản xuất.

Bài làm chi tiết:

- Cây biến đổi để chống sâu bệnh:

+ Phương pháp tạo ra: Sử dụng kỹ thuật chuyển gene để tích hợp gene mã hóa các protein độc hại đối với sâu bệnh vào gene của cây trồng.

+ Đặc tính đã được biến đổi: Cây kháng lại sâu bệnh, giảm lượng thuốc trừ sâu hóa học.

+ Ứng dụng trong thực tế: Giúp tăng hiệu suất năng suất và giảm chi phí cho người nông dân, đồng thời giảm tác động tiêu cực lên môi trường do việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học.

- Cá biến đổi để tăng tốc độ phát triển:

+ Phương pháp tạo ra: Thêm gene giúp tăng tốc độ sinh trưởng vào gene của cá.

+ Đặc tính đã được biến đổi: Cá phát triển nhanh hơn so với cá không biến đổi gene.

+ Ứng dụng trong thực tế: Cung cấp nguồn cung cá nhanh chóng và hiệu quả hơn cho người tiêu dùng, giúp tăng thu nhập cho người nuôi cá.