1
M Đ U
Công ngh sinh h c là s ng d ng t ng h p c a sinh hóa h c, vi sinh v t h c
các khoa h c v công ngh đ đ t đ n s ng d ngng nghi p các năng l c c a ế
vi sinh v t, c a các t bào, các t ch c nuôi c y và các thành ph n c a chúng. ế
Công ngh sinh h c nh m t thân cây mà nh ng r chính c a cây này là vi sinh ư
v t h c, di truy n h c, sinh hóa h c, đi n t h c, nông h c, công ngh h c…và trên
vòm v i hàng nghìn qu đó các lo i s n ph m ph c v tr ng tr t, chăn nuôi, y
h c, năng l ng m i, v t li u m i, tuy ượ n khoáng, b o v môi tr ng ườ ...
Nh ng d ng các thành t u m i m c a công ngh sinh h c nh k thu t ư
nuôi c y t bào, k thu t tái t h p di truy n ế , ng i ta th t o ra đ c nh ngườ ượ
gi ng cây tr ng không nh ng năng su t cao mà còn ch ng ch u đ c v i sâu b nh, ượ
h n hán đi u ki n nghèo phân bón. Nh b qua đ c vi c lai chéo kh c ph c ượ
đ c s t ng kh c sinhượ ươ s n mà vi c lai t o gi ng rút ng n đ c nhi u th i gian. K ượ
thu t tái t h p AND các k thu t in vitro m ra kh năng lai khác loài làm tăng
nhanh tính đa d ng di truy n.
Đ i v i các lo i cây tr ng giá tr th ng m i l n, k thu t nuôi c y đã ươ
đem l i nh ng hi u qu kinh t h t s c rõ r t. ế ế
Hi n nay, ng i ta đã b t đ u ngườ d ng kh năng nuôi c y t bào th c v t ế
tách r i qui công nghi p đ thu nh n các s n ph m, các ho t ch t sinh h c có
giá tr kinh t cao. ế
Nuôi c y t bào th c v t m t ngành khoa h c tr có nhi u tri n v ng, ế
đ c ng d ng nhi u trong các lĩnh v c kinh t . Ý th c đ c tri n v ng to l n c aượ ế ượ
ngành khoa h c hi n đ i này, chúng tôi xin gi i thi u quy n sách ng ngh nuôi c y
t bào th c v t nh m ế ph c v sinh viên, h c viên sau đ i h c các c quan ơ
liên quan .
N i dung cu n sách bao hàm toàn b nh ng v n đ c b n trong n i dung công ơ
ngh nuôi c y mô th c v t.
Chúng tôi xin c m n GS. Tr n Văn Minh đã cung c p cho chúng tôi nhi u tài ơ
li u chính đ biên so n.
Chúng tôi chân thành c m n nhà xu t b n ơ Khoa h c K thu t ban biên
t p cho xu t b n đ cu n sách đ c s m đ n v i b n đ c. ượ ế
Công ngh nuôi c yt bào th c v t ế
2
Ph n 1. NUÔI C Y T BÀO
Ch ng 1ươ . GI I THI U CHUNG VÀ L CH S PHÁT TRI N
1.1. Gi i thi u chung
Khái ni m biotechnology - công ngh sinh h c đã đ c đ xu t năm 1917 b i ượ
m t k s ng i Hungari tên Karl Erky đ t quá trình ch bi n c c i đ làm ư ườ ế ế
ngu n th c ăn ph c v s n xu t l n v i qui l n. Theo Karl Erky, Biotechnology
t dùng đ ch "T t c nh ng công vi c trong đó các s n ph m đ c s n xu t ra t ượ
các nguyên li u thô v i s giúp đ c a các v t ch t s ng". Năm 1961 m t nhà vi sinh
v t h c ng i Thu Đi n Carl Goren Hedén đ ngh đ i tên t p chí khoa h c ườ
Journal of microbiological and Biochemical Engineering and technology thành
Biotechnology and Bioengineering đ đăng t i các nghiên c u trong lĩnh v c vi sinh
h c ng d ng và lên men công nghi p. T đó, Biotechnology đã tr nên rõ ràng và luôn
g n li n v i nh ng nghiên c u v "s s n xu t công nghi p các lo i hàng hoá và d ch
v thông qua các quá trình có s d ng các c th , h th ng sinh h c và ch bi n". ơ ế ế Các
nghiên c u v công ngh sinh h c đã đ c phát tri n d a trên các lĩnh v c chuyên n nh vi ượ ư
sinh, h sinh và công ngh hóa h c. Công ngh sinh h c theo W.H Stone (1987) có th đ nh
nghĩa: “Là nh ng công ngh s d ng các c th s ng ho c các ph n c a c th nh t ơ ơ ư ế
bào, đ t o ra ho c thay đ i các s n ph m nh m c i ti n các cây tr ng v t nuôi, ế
ho c phát tri n các vi sinh v t vào các ng d ng đ c hi u”. Theo liên đoàn công ngh
sinh h c châu Âu (EFB): “Công ngh sinh h c ng d ng t ng h p c a sinh hoá h c,
vi sinh v t các khoa h c v công ngh đ đ t t i s ng d ng ng nghi p các
năng l c c a vi sinh v t, c a các t ế bào, các t ch c nuôi c y và các thành ph n c a chúng.
Đ n nay, đ nh nghĩa v công ngh sinh h c đ c nhi u nhà khoa h c cũng nh nhi u ế ượ ư n c trênướ
th gi i th ng nh t nh sau: ế ư Công ngh sinh h c các quá trình s n xu t quy
công nghi p s tham gia c a các tác nhân sinh h c ( m c đ c th , t bào ho c ơ ế
d i t bào) d a trên các thành t u t ng h p c a nhi u b môn khoa h c, ph c vướ ế
cho vi c tăng c a c i v t ch t c a h i b o v l i ích c a con ng i. Theo ườ quan
đi m hi n đ i, các tác nhân sinh h c tham gia vào quá trình s n xu t trên là nh ng gi ng sinh v t m i
ho c các s n ph m c a chúng đ c t o ra b ng k thu t di truy n hi n đ i (công ngh gen). ượ
T đnh nghĩa cô đ ng này có th th y:
+ Công ngh sinh h c không ph i là m t b môn khoa h c nh toán, lý, hoá, sinh h c phân t ... mà là ư
m t ph m trù s n xu t.
Công ngh nuôi c y mô t bào th c v t ế
3
+ Công ngh sinh h c không ch t o ra thêm c a c i v t ch t, mà còn h ng vào vi c b o v và tăng ướ
c ng ch t l ng cu c s ng con ng i. ườ ượ ườ
+ Th c t , công ngh sinh h c mang tính ng d ng, tuy nhiên hàng lo t k ế
thu t c a công ngh sinh h c đang nh ng công c s c bén đ nghiên c u khoa h c
sinh h c làm sáng t các c ch c a các hi n t ng s ng m c phân t . ơ ế ượ
n c ta, theo Ngh đ nh s 18/CP c a Chính ph ngày 11/3/1994 v phát tri n công ướ
ngh sinh h c thì: “Công ngh sinh h c m t t p h p các ngành khoa h c (sinh h c
phân t , di truy n h c, vi sinh v t h c, sinh hóa h c công ngh h c) nh m t o ra
các công ngh khai thác quy mô công nghi p các ho t đ ng s ng c a vi sinh v t, t ế
bào th c v t và đ ng v t.
- Khái ni m v công ngh sinh h c nông nghi p (Agriculture
Biotechnology)
Theo Ngh đ nh s 18/CP c a Chính ph ngày 11/3/1994 v phát tri n công
ngh sinh h c Vi t nam thì: “Công ngh sinh h c m t t p h p các ngành khoa
h c (sinh h c phân t , di truy n h c, vi sinh v t h c, sinh hóa h c công ngh h c)
nh m t o ra các công ngh khai thác quy mô công nghi p các ho t đ ng s ng c a vi
sinh v t, t bào th c v tđ ng v t.” ế V y, “Công ngh sinh h c nông nghi p m t
t p h p các ngành khoa h c (sinh h c phân t , di truy n h c, vi sinh v t h c, sinh hoá
h c công ngh h c) nh m t o ra các công ngh s n xu t s n ph m nông nghi p
quy công nghi p.”
Chúng ta th hi u, công ngh sinh h c nông nghi p m t nhánh c a công ngh
sinh h c mà đ i t ng ph c v là s n xu t nông nghi p; c th ng d ng các thành ượ
t u chung c a công ngh sinh h c đ ph c v cho s n xu t nông nghi p c a con
ng i ườ
D a vào vi c ng d ng thành t u c a công ngh sinh h c đ ph c v các
chuyên ngành khác nhau trong s n xu t nông nghi p mà ng i ta có th chia công ườ
ngh sinh h c nông nghi p thành 2 lo i sau:
- Công ngh sinh h c trong tr ng tr t (bao g m c tr ng cây lâm nghi p, cây
d c li u) g m nuôi c y mô t bào th c v t, nuôi c y h t ph n, chuy n gen vào tượ ế ế
bào th c v t ch ...
- Công ngh sinh h c trong chăn nuôi (bao g m c chăn nuôi thu s n) g m
nuôi c y mô t bào đ ng v t, s n xu t t bào g c, c y chuy n phôi, nhân b n vô ế ế
tính...
Hi n nay, t nh ng thành t u c a công ngh sinh h c trong nuôi c y mô t ế
bào, nuôi c y h t ph n và chuy n gen có th ng d ng r t nhi u vào lĩnh v c tr ng
tr t, nh : ư
Công ngh nuôi c y mô t bào th c v t ế
4
- Nhân nhanh vô tính các gi ng cây quý: t m t m u nuôi c y ng i ta có th ườ
t o ra hàng tri u cây con nh nhau n u đ th i gian c y chuy n. Tuy nhiên, h s c y ư ế
chuy n ph thu c tuỳ gi ng, càng c y chuy n nhi u l n càng t o nhi u bi n d . Ví ế
d , các nhà khoa h c đã k t lu n t m t ch i d a đ a vào nuôi c y trong ng nghi m ế ư
có th nhân ra hàng tri u cây d a gi ng; t m t ch i chu i đ a vào nuôi c y có th ư
nhân ra 2.000 cây chu i gi ng, n u qua s này s có t l bi n d cao. ế ế
- C i l ng gi ng cây tr ng b ng nuôi c y đ nh sinh tr ng (meristerm): đ ươ ưở
ph c tráng nh ng gi ng cây quý đã nhi m virus ng i ta có th nuôi c y đ nh sinhườ
tr ng đ nhân nhanh. Qua m t s l n nuôi c y theo ki u này s t o ra đ c nh ngưở ượ
cây hoàn toàn s ch b nh t cây đã nhi m virus.
- T o dòng đ n b i t nuôi c y bao ph n và nuôi c y t bào h t ph n: Ng i ơ ế ườ
ta đã ng d ng kĩ thu t nuôi c y bao ph n và h t ph n đ t o nh ng cây đ n b i t ơ
bao ph n ho c h t ph n, sau đó l ng b i hoá và t o thành dòng đ ng h p t . Kĩ ưỡ
thu t này đã thành công nhi u nh ng cây h cà.
- Kh c ph c lai xa b ng cách th ph n trong ng nghi m nh kĩ thu t nuôi c y
phôi: Nh nuôi c y trong ng nghi m đã kh c ph c tính b t h p giao t tr c và sau ướ
khi th tinh đ i v i lai gi a các cây khác nhau khá xa v m t di truy n.
- Lai vô tính còn g i là dung n p t bào tr n (Protoplast): Nh kĩ thu t nuôi c y ế
mô t bào th c v t mà ng i ta đã t o thành cây lai t 2 gi ng khác nhau khá xa vế ườ
m t di truy n b ng cách dùng các enzim đ hoà tan màng t bào r i cho các t bào ế ế
tr n (không còn màng) vào nuôi c y chung trong môi tr ng nhân t o và chúng phát ườ
tri n thành kh i mô s o (callus), t đó chuy n kh i callus này sang các môi tr ng ườ
phân hoá ch c năng t bào và đ nuôi c y thành cây lai. ế
- T o gi ng cây tr ng m i b ng kĩ thu t chuy n gen: Trên c s xác đ nh đ c ơ ượ
tính tr ng quý mà gen quy đ nh, ng i ta có th chuy n nh ng gen đó vào nh ng cây ườ
tr ng khác v i mong mu n t o đ c nh ng gi ng m i mang đ c tính mong mu n. ượ
1.2. S l c l ch s phát tri nơ ượ
Năm 1665, Robert Hooke quan sát th y t bào s ng d i kính hi n vi đ a ra ế ướ ư
khái ni m "t bào - Cell". Anton Van Leuwen Hoek (1632-1723) thi t k kính hi n vi ế ế ế
khuy ch đ i đ c 270 l n, l n đ u tiên quan sát th y vi khu n, t bào tinh trùng trongế ượ ế
tinh d ch ng i đ ng v t. Năm 1838, Matthias Schleiden Theodore Schwann đ ườ
x ng h c thuy t c b n c a sinh h c g i là H c thuy t t bào: ướ ế ơ ế ế
+ M i c th s ng đ c c u t o b i m t ho c nhi u t bào. ơ ượ ế
+ T bào đ n v c u trúc ch c năng c b n c a c th s ng, hình th cế ơ ơ ơ
nh nh t c a s s ng.
+ T bào ch đ c t o ra t t bào t n t i tr c đó. ế ượ ế ướ
Công ngh nuôi c y mô t bào th c v t ế
5
Năm 1875, Oscar Hertwig ch ng minh b ng quan sát trên kính hi n vi r ng s th
thai do s h p nh t c a nhân tinh trùng nhân tr ng. Sau đó, Hermann P.,
Schneider F.A Butschli O. đã t chính xác quá trình phân chia t bào. Năm 1883, ế
Wilhelm Roux l n đ u tiên gi i v phân bào gi m nhi m c quan sinh d c. T ơ
m t t bào th c v t nuôi c y in vitro có th tái sinh thành m t c th s ng hoàn ch nh. ế ơ
Kh năng này c a t bào th c v t đ c g i tính toàn năng. Năm 1902, Haberlandt ế ượ
l n đ u tiên thí nghi m nuôi c y cây m t m m nh ng không thành công. Năm ư
1934, Kogl l n đ u tiên xác đ nh đ c vai trò c a IAA, 1 hoocmon th c v t đ u tiên ượ
thu c nhóm auxin kh năng kích thích s tăng tr ng phân chia t bào. Năm ưở ế
1939, ba nhà khoa h c Gautheret, Nobecourt White đã đ ng th i nuôi c y s o
thành công trong th i gian dài t th ng t ng (cambium) r t thu c lá, ượ
s o kh năng sinh tr ng liên t c. Năm 1941, Overbeek và cs đã s d ng n c d a ưở ướ
trong nuôi c y phôi non cây cà r t Datura. Năm 1955, Miller cs đã phát minh c u
trúc và sinh t ng h p c a kinetin - m t cytokinin đóng vai trò quan tr ng trong phân bào
phân hoá ch i nuôi c y. Đ n năm 1957, Skoog Miller đã khám phá vai trò ế
c a t l n ng đ các ch t auxin: cytokinin trong môi tr ng đ i v i s phát sinh c ườ ơ
quan (r ho c ch i). Khi t l auxin/ cytokinin (ví d : n ng đ IAA/ n ng đ kinetin)
nh h n 1 càng nh , xu h ng t o ch i. Ng c l i khi n ng đ IAA/ n ng ơ ướ ượ
đ kinetin l n h n 1 càng l n, xu h ng t o r . T l n ng đ auxin ơ ướ
cytokinin thích h p s kích thích phân hoá c ch i và r , t o cây hoàn ch nh.
Năm 1949, Limmasets Cornuet đã phát hi n r ng virus phân b không đ ng
nh t trên cây th ng không th y ườ virus vùng đ nh sinh tr ng. Năm 1952, ưở
Morel Martin đã t o ra cây s ch b nh virus c a 6 gi ng khoai tây t nuôi c y đ nh
sinh tr ng. Ngày nay, k thu t này v i m t s c i ti n đã tr thành ph ng pháp lo iưở ế ươ
tr b nh virus đ c dùng r ng rãi đ i v i nhi u loài cây tr ng khác nhau. Năm 1952,ượ
Morel Martin l n đ u tiên th c hi n vi ghép in vitro thành công. K thu t vi ghép
sau đó đã đ c ng d ng r ng rãi trong t o ngu n gi ng s ch b nh ượ virus t ng tươ
virus nhi u cây tr ng nhân gi ng b ng
ph ng pháp tính khác nhau, đ c bi t t o gi ng cây ăn qu s ch b nh. Nămươ
1960, Morel đã th c hi n b c ngo t cách m ng trong s d ng k thu t nuôi c y đ nh ướ
sinh tr ng trong nhân nhanh các lo i đ a lan Cymbidium, m đ u công nghi p vi nhânưở
gi ng th c v t.
Năm 1960, Cocking l n đ u tiên s d ng enzym phân gi i thành t bào đã ế
t o ra s l ng l n t bào tr n. K thu t này sau đó đã đ c hoàn thi n đ tách nuôi ượ ế ượ
t bào tr n nhi u cây tr ng khác nhau. Năm 1971, Takebecs đã tái sinh đ c câyế ượ
t t bào tr n th t (mesophill cell) thu c lá. Năm 1972, Carlson cs l n đ u ế
Công ngh nuôi c y mô t bào th c v t ế