Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 Cánh diều bài 2: Cơ sở công nghệ tế bào thực vật và ứng dụng

Câu hỏi mở đầu 

Hãy quan sát hình 2.1 và cho biết người ta có thể nhân giống vô tính để tạo cây con từ cây trưởng thành bằng những cách nào. Công nghệ nào có thể cho phép nhân nhanh hàng loạt cây trồng mới từ một phần của lá cây hoặc chồi cây?

Phương pháp nhân giống vô tính

• Giâm
• Chiết 
• Ghép
• Nuôi cấy mô tế bào

Công nghệ có thể cho phép nhân nhanh hàng loạt cây trồng mới từ một phần của lá cây hoặc chồi cây là công nghệ tế bào.

I. Tính toàn năng của tế bào

Câu hỏi 1. Thế nào là tính toàn năng của tế bào? Ở thực vật tính toàn năng của tế bào được thể hiện thông qua khả năng tái tính mô, cơ quan và cơ thể như thế nào? Nêu ví dụ minh họa.

Hướng dẫn trả lời:

Tính toàn năng của tế bào là khả năng tế bào phân chia, phát triển thành mô, cơ quan hoặc một cơ thể hoàn chỉnh trong môi trường thích hợp. Ở thực vật, tế bào phôi là những tế bào có tính toàn năng ở mức cao nhất và được gọi là các tế bào gốc thực vật.

Bằng chứng thực nghiệm của Frederick Stewward (1958) đã chứng minh rằng các đoạn mô dẫn của cây cà rốt có thể tái sinh toàn bộ cây hoàn chỉnh.

Tìm hiểu thêm 1. Tính toàn năng và tính mềm dẻo phát triển của thực vật mở ra tiềm năng nào cho nhân giống cây trồng?

Khả năng tái sinh là khả năng phát triển thành cơ thể mới và phản ánh tính “mềm dẻo phát triển” của tế bào, mô hoặc cơ quan của cơ thể. So với động vật, nhìn chung thực vật có mức mềm dẻo phát triển cao hơn. Trong điều kiện nuôi cấy in vitro, khả năng tái sinh của thực vật được tăng cường nhờ bổ sung và điều chỉnh lượng hormone thực vật ngoại sinh, trong đó tỉ lệ giữa auxin và cytokinin quyết định hướng phát triển của các cơ quan được tái sinh. 

II. Khái quát về công nghệ tế bào thực vật

Vận dụng 1. Vi nhân giống có lợi ích vượt trội như thế nào so với các phương pháp nhân giống cây trồng truyền thống (nhân giống và trồng cây ngoài đồng ruộng)?

Vi nhân giống có lợi ích vượt trội so với các phương pháp nhân giống cây trồng truyền thống:

• Nhân nhanh các giống cây trồng quý hiếm.
• Tạo các giống cây sạch bệnh virus.
• Duy trì được tính tốt của cây bố mẹ

III. Ứng dụng của công nghệ tế bào thực vật

Vận dụng 2. Vì sao sử dụng kĩ thuật nuôi cấy mô tế bào thuận lợi hơn so với sử dụng cơ thể sống trong nghiên cứu tạo đột biến, lai khác loài, đa bội hóa?

Dựa trên nuôi cấy mô tế bào thực vật, những nghiên cứu về phân tích bộ nhiễm sắc thể, nghiên cứu đột biến được thực hiện dễ dàng hơn (hình 2.3).

Các nghiên cứu môi quan hệ giữa vật chủ và tác nhân gây bệnh, chẳng hạn vi khuẩn gây khối u, vật kí sinh ở thực vật,... được áp dụng trên mẫu mô tế bào nuôi cấy. Nhờ đó, nhiều cơ chế ở mức độ phân tử về sự phát sinh hình thái, các con đường hoá sinh tổng hợp các chất và đặc tính di truyền ở cây trồng đã được làm sáng tỏ. Nuôi cấy tế bào, nuôi cây mảnh mô, tái sinh cây là các kĩ thuật công nghệ tế bảo thực vật được các nhà khoa học Việt Nam sử dụng trong nghiên cứu tạo cây chuyển gene ở cây thuốc lá, đậu tương,...; nghiên cứu quá trình phát sinh cơ quan như chồi, rễ ở các cây được liệu quý như sâm ngọc linh, cây long não,... 

3. Ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm chuyển hóa

Tìm hiểu thêm 2. Hãy tìm thông tin về một số giống cây trồng được tạo ra nhờ kĩ thuật vi nhân giống ở Việt Nam và trên thế giới.

Công nghệ tế bào thực vật ứng dụng nhân nhanh các giống cây trồng quý hiếm như: lan kim tuyến, sâm ngọc linh,...

Tạo các giống cây tam bội không hạt như: dưa hấu không hạt, bưởi và cam không hạt,...

Tìm hiểu thêm 3. Nêu những hiểu biết của em về vaccine ăn được. Hãy tìm hiểu về sẩn xuất vaccine ăn được bằng công nghệ tế bào thực vật.

Công nghệ phát triển vacxin có nguồn gốc từ thực vật:

Một số loại cây trồng như thuốc lá, lúa gạo, ngô, khoai tây, cà chua, cà rốt, lạc và đậu tương đã được đề xuất để sản xuất vaccine thực vật. Đây đều là những đối tượng nghiên cứu phổ biến, đã nắm rõ thông tin di truyền (hệ gen nhân và hệ gen tế bào chất), quy trình chuyển gen cũng như phương pháp nuôi cấy tế bào, không chứa độc tố, dễ tìm và trồng tại địa phương. Hơn nữa, để tạo ra thực vật sản xuất protein tái tổ hợp (vaccine), các gen tái tổ hợp cần phải có mức độ biểu hiện cao, đảm bảo tính an toàn của protein tái tổ hợp để sử dụng ở người hoặc động vật. Sản xuất vaccine có nguồn gốc thực vật chủ yếu dựa trên việc đưa gen kháng nguyên vào thực vật thông qua các công cụ ADN tái tổ hợp, như biến nạp gen nhân nhờ Agrobacterium, chuyển gen vào lục lạp, biểu hiện tạm thời. 

Ưu nhược điểm của Vaccine có nguồn gốc thực vật

Ưu điểm:

• Có khả năng cung ứng lớn, hiệu suất tổng hợp cao.
• Có thể phát triển thành dạng vaccine “ăn được” hoặc “uống được”, giảm bớt việc tiêm phòng.
• An toàn hơn vaccine truyền thống vì các protein này không chứa các tác nhân gây bệnh “sống”.
• Chi phí sản xuất thấp.
• Kỹ thuật chiết tách dễ dàng hơn so với chiết tách trên động vật, do đó phù hợp với các nước có nền kinh tế thấp.

Nhược điểm:

• Có thể không sử dụng được cho các trẻ sơ sinh.
• Liều lượng của vaccine thực vật trong cây (năng suất biểu hiện kháng nguyên) có thể thay đổi theo độ tuổi của cây, kích thước sản phẩm).
• Nếu kiểm soát không tốt có thể xảy ra vấn đề môi trường do phát tán nguồn gen.
• Vaccine thực vật có thể bị ô nhiễm bởi thuốc từ bệnh hại trên cây.

Vaccin ngừa Covid 19 có nguồn gốc thực vật

Luyện tập 1. Vì sao không thể áp dụng công nghệ tế bào động vật hay công nghệ vi sinh vật để sản xuất một số chất chuyển hoá thứ cấp có hoạt tính sinh học nhất định?

Nhiều chất chuyển hoá thứ cấp được tổng hợp trong các tế bào thực vật có hoạt tính sinh được học quan trọng. Một số chất chuyển hoá thứ cấp thuộc nhóm alkaloid, anthocyanin, terpenoid chỉ có thể được sản xuất ở tế bảo thực vật. Để sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học, cần nguồn vật liệu lớn từ thực vật tự nhiên. Vi nhân giống thực vật hoặc các cơ quan từ thực vật (thường là rễ) hoặc mô sẹo có thể cung cấp nguyên liệu sản xuất chất chuyển hoá thứ cấp. Sử dụng tế bào thực vật nuôi cấy để chuyển gene có ưu điểm vượt trội so với sử dụng tế bào động vật hoặc vi sinh vật do có thể tránh được sự lây nhiễm virus và các tác nhân gây bệnh khác.

Luyện tập 2. Vì sao nuôi cấy tế bào gốc thực vật được ứng dụng trong sản xuất dược phẩm và mĩ phẩm?

Bằng công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật, các thuốc có nguồn gốc thực vật có thể sản xuất ở dạng tinh khiết với lượng lớn. Dịch chiết tế bào thực vật dễ dàng được chuẩn hoá đáp ứng các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt trong quá trình sản xuất dược, mỹ phẩm.

Thông thường, các tế bào gốc nguồn gốc thực vật có trong các loại mỹ phẩm thường được chiết xuất từ một số loại cây nhất định. Thường là: táo, nho, dưa hoặc lilac, … hoặc các loại hoa khác nhau như: hoa cúc, hoa sen, trà xanh, nhân sâm, … Đây là những loại thực vật có tác dụng trẻ hóa và bảo vệ da khỏi các tác động có hại từ môi trường. Ưu điểm của các sản phẩm này là không gây phản ứng phụ, không đào thải và cũng không gây kích ứng da.

Các sản phẩm là dung dịch nuôi cấy tế bào gốc từ thực vật, khi được thẩm thấu vào da sẽ giúp bổ sung dưỡng chất cho các tế bào gốc trên cơ thể người. Các tế bào da khi được bổ sung vitamin cũng như hoạt chất sẽ khỏe mạnh, làm sản sinh ra các tế bào mới. Điều này giúp làn da được cải thiện, các tế bào bị hư hại sẽ được thay mới bằng những tế bào trẻ khỏe với chức năng đầy đủ và vững mạnh.

Vận dụng 3. Vì những lí do nào mà việc sử dụng mô tế bào thực vật thuận lợi hơn so với sử dụng tế bào vi khuẩn và tế bào động vật trong công nghệ sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp và protein trị liệu?

Nhiều chất chuyển hoá thứ cấp được tổng hợp trong các tế bào thực vật có hoạt tính sinh được học quan trọng. Một số chất chuyên hoá thứ cấp thuộc nhóm alkaloid, anthocyanin, terpenoid chỉ có thể được sản xuất ở tế bào thực vật. Để sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học, cần nguồn vật liệu lớn từ thực vật tự nhiên. Vi nhân giống thực vật hoặc các cơ quan từ thực vật (thường là rễ) hoặc mô sẹo có thể cung cấp nguyên liệu sản xuất chất chuyển hoá thứ cấp. Công nghệ này giúp hạn chế được việc khai thác quá mức các cây hoang dại. Sử dụng tế bào thực vật nuôi cấy để chuyển gene có ưu điểm vượt trội so với sử dụng tế bào động vật hoặc vi sinh vật do có thể tránh được sự lây nhiễm virus và các tác nhân gây bệnh khác.

Vận dụng 4. Tại sao công nghệ tế bào thường được phối hợp với công nghệ gene trong quy trình nghiên cứu, sản xuất các dược phẩm có bản chất là protein?

Công nghệ tế bào thường được phối hợp với công nghệ gene trong quy trình nghiên cứu, sản xuất các dược phẩm có bản chất là protein vì để sản xuất protein tái tổ hợp từ tế bảo thực vật, các dòng tế bào, mô nuôi cây được sử dụng làm nguồn tế bào nhận gene ngoại lai. Nhiều protein được sản xuất bằng kĩ thuật này như vaccine, cytokine và các protein trị liệu. Sản xuất thuốc và các sản phẩm từ công nghệ DNA tái tổ hợp kết hợp nuôi cấy mô tế bào được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y học, công nghệ thực phẩm.

Vận dụng 5. Tìm hiểu một số sản phẩm sinh dược được sản xuất nhờ công nghệ tế bào thực vật.

Bằng công nghệ nuôi cây mô tế bào thực vật, các thuốc có nguồn gốc từ thực vật, như Paclitaxel (hình 2.4), có thể được sản xuất ở dạng tinh khiết với lượng lớn. Dịch chiết tế bảo gốc thực vật dễ dàng được chuẩn hoá và đáp ứng các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt trong quá trình sản xuất được phẩm, mĩ phẩm.