Nhân giống vô tính ở thực vật

Chia sẻ: Nguyen Phuonganh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

806
lượt xem 99
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sinh sản vô tính là sự hình thành cá thể mới từ bố hoặc mẹ không có sự tạo giao tử hoặc những cấu trúc sinh sản đặc biệt khác. Hiện tượng này xảy ra ở nhiều thực vật và động vật bậc thấp, trong đó ở thực vật thường bằng nhân giống sinh dưỡng (chiếtc, ghép, giâm cành, nuôi cấy mô - tế bào) hoặc sự hình thành bào tử.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nhân giống vô tính ở thực vật

Nhân giống vô tính ở thực vật CHỈ MỤC BÀI VIẾT Nhân giống vô tính ở thực vật Nuôi cấy mô tế bào PP giâm chiết ghép Câu hỏi ôn tập 1. Khái niệm về nhân giống vô tính Trước hết hãy làm quen với khái niệm sinh sản vô tính: Sinh sản vô tính là sự hình thành cá thể mới từ bố hoặc mẹ không có sự tạo giao tử hoặc những cấu trúc sinh sản đặc biệt khác. Hiện tư ợng này xảy ra ở nhiều thực vật và động vật bậc thấp, trong đó ở thực vật thường bằng nhân giống sinh dư ỡng (chiếtc, ghép, giâm cành, nuôi cấy mô - tế bào) hoặc sự hình thành bào tử. Đối với sinh vật đơn bào thư ờng bằng sự phân đôi và ở động vật không xư ơng sống đa bào thư ờng bằng hình thức phân đôi, nảy chồi hoặc phân đốt.
Như vậy, nhân giống vô tính chính là phương pháp nhân lên hoặc tạo ra cơ thể mới dựa theo sinh sản vô tính, nghĩa là phương pháp tạo nhân lên hoặc tạo ra cơ thể mới từ tế bào, mô, cơ quan của cơ thể bố hoặc mẹ. Có hai loại sinh sản vô tính: sinh sản vô tính tự nhiên và sinh sản vô tính nhân tạo *Sinh sản vô tính tự nhiên Trong tự nhiên, thực vật có khả năng tạo những cơ thể mới từ một bộ phận của thân bò (dâu tây, rau má), thân rễ (cỏ gấu), thân củ (khoai tây), lá cây (thuốc bỏng), rễ củ (khoai lang). Đó là sự sinh sản vô tính tự nhiên *Sinh sản vô tính nhân tạo: là sự sinh sản, trong đó con người chủ động nhân lên hoặc tạo ra cơ thể mới từ một bộ phận cắt rời của cơ thể bố hoặc mẹ. Các dạng sinh sản vô tính nhân tạo gồm: giâm (cành, lá, rễ), chiết (cành), ghép (cành, chồi), nuôi cấy mô- tế bào.
Sau đây là một số hình thức nhân giống vô tính nhân tạo: Chiết Chiết là hình thức tạo rễ trên một đoạn của cành khi còn gắn với cây, sau đó cắt rời cành có rễ để đư ợc một cây nguyên vẹn. Ghép Ghép là sự ghépG, chuyển cơ quan hoặc mô ở thực vật, động vật và ngư ời. O thực vật ghép cây là một kĩ thuật quan trọng trong nghề làm vư ờn, trong đó một phần (cành ghép c) của một cá thể này đư ợc đem phối hợp (ghép ápg, ghép nối, ghép nêm, ghép dư ới vỏ gần gốc) với một phần cây khác (gốc ghép g) có thể cùng loài hoặc khác loài .Sau một thời gian chỗ ghép sẽ liền lại và gốc ghép sẽ nuôi cành ghép lớn lên thành một cá thể mới mang đặc tính chung của hai cá thể gốc ghép và cành ghép. Giâm
Giâm là việc cắt một đoạn thân hoặc cành của cây mẹ rồi cắm hoặc vùi xuống cát hoặc đất pha cát để nó mọc rễ đâm chồi thành một cây mới. Đây là phG ương pháp trồng chủ yếu đối với các cây sắn, mía, dâu tằm, rau muống, khoai lang,… Nuôi cấy mô-tế bào Nuôi cấy mô - tế bào là kĩ thuật cấy và nuôi mô, tế bào động vật, thực vật bằng môi trư ờng nhân tạo trong ống nghiệm hoặc trong bình thuỷ tinh. Về nguyên lí kĩ thuật này giống như nuôi cấy tế bào vi sinh vật, như ng vì đối tư ợng nuôi cấy là tế bào hoặc mô, nên phải dựa vào hai nguyên tắc cơ bản là tính toàn năng và khả năng biệt hoá và tái biệt hoá của tế bào. Môi tr ờng nuôi cấy mô- tế bào phải là môi trư ờng vô trùng, có pH thích hợp và gồm tất cả các nguyên tố dinh dư ỡng đại l ượng, vi lư ợng cần thiết, các chất hữu cơ, các vitamin và các chất điều hoà sinh trư ởng. Kĩ thuật nuôi cấy mô-tế bào có nhiều ứng dụng lí luận và thực tiễn quan trọng: nhân nhanh giống cây trồng quý, tạo giống sạch bệnh, lai tạo giống mới, thu các chất có hoạt tính sinh học sớm từ mô sẹo, tạo các đối t ợng nghiên cứu, tạo tế bào
gốc, phôi, mô, cơ quan sử dụng trong y học,… 2. Công nghệ sinh học nói chung và công nghệ tế bào nói riêng trong nhân giống vô tính ở thực vật Công nghệ sinh học là một công nghệ gồm các quá trình sản xuất ở qui mô công nghiệp có sự tham gia của các tác nhân sinh học (ở mức độ cơ thểë, tế bào, dưới tế bào) dựa trên các thành tựu tổng hợp của nhiều bộ môn khoa học, phục vụ cho việc tăng của cải vật chất của xã hội và bảo vệ lợi ích của con người. Theo quan niệm hiện đại, công nghệ sinh học bao gồm: - Công nghệ vi sinh - Công nghệ hoá sinh - Công nghệ di truyền - Công nghệ tế bào
Như vậy, công nghệ tế bào là một trong 4 công nghệ sinh học hiện đại. Nội dung chính của công nghệ tế bào là công nghệ nuôi cấy mô - tế bào. 1. Nguyên tắc của phương pháp nuôi cấy mô - tế bào Nuôi cấy mô - tế bào dựa trên hai nguyên tắc sau: 1.1. Tính toàn năng của tế bào: Mỗi tế bào đều mang đầy đủ lưM ợng thông tin di truyền của cơ thể và có khả năng phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh khi gặp điều kiện thuận lợi Năm 1922N, đã nuôi đ ược đỉnh sinh trư ởng tách từ đầu rễ một cây hòa thảo trong 12 ngày. Như vậy, lần đầu tiên tính toàn năng của tế bào đư ợc chứng minh bằng thực nghiệm. Sau 43 năm (năm 1965n), đã nuôi từng tế bào riêng biệt của cây thuốc lá và tạo đ ược cây thuốc lá hoàn chỉnh trong ống nghiệm. Kết qủa này chứng minh đầy đủ tính toàn năng của tế bảo
1.2. Khả năng biệt hóa và phản biệt hóa của tế bào Biệt hóa là sự biến đổi của tế bào từ trạng thái tế bào phôi cho đến khi thể hiện một chức năng nào đó. Các tế bào dùng trong nuôi cấy đều đã biệt hóa về cấu trúc và chức năng từ tế bào phôi. Trong những điều kiện thích hợp, có thể làm cho những tế bào này quay trở lại trạng thái của tế bào đầu tiên đã sinh ra chúng - tế bào phôi và qúa trình đó gọi là qúa trình phản biệt hóa. Trong cùng một cơ thể, mỗi loại tế bào đều có khả năng biệt hóa, phản biệt hóa và vì thế triển vọng nuôi cấy thành công cũng khác nhau. Những tế bào càng chuyên hóa về một chức năng nào đó (đã biệt hóa sâu) thì càng khó xảy ra qúa trình phản biệt hóa, nh ư các tế bào mạch dẫn của hệ thống mạch dẫn ở thực vật, tế bào thần kinh động vật. Ngư ời ta đã tổng kết rằng; những tế bào càng gần với trạng thái của tế bào phôi bao nhiêu thì khả năng nuôi cấy thành công càng cao bấy nhiêu.
Đối với các loài thực vật thì các tế bào phôi non, các tế bào mô phân sinh, các tế bào của cơ quan sinh sản (hạt phấn, noãn) rất dễ xẩy ra qúa trình phản biệt hóa. Vì vậy nói một cách hình tư ợng nh ư Galson (1986) và Murashige (1974) thì khả năng hình thành cơ quan hay cơ thể của các tế bào thực vật là giảm dần theo chiều hư ớng từ ngọn xuống gốc. Các tế bào động vật nói chung khó nuôi cấy hơn do chúng đã đư ợc biệt hóa qúa sâu sắc và vì thế qúa trình ngư ợc lại (phản biệt hóa) rất khó thực hiện. 2. Các kỹ thuật nuôi cấy mô - tế bào thực vật Nuôi cấy mô-tế bào thực vật - công nghệ hiện đại trong nhân giống vô tính ở thực vật Mục đích chung của nuôi cấy mô M- tế bào thực vật là sử dụng các điều kiện nh ư: nhiệt độ, ánh sáng, thành phần dinh d ưỡng, các chất điều hoà sinh trưởng thực vật… để điều khiển qúa trình sinh tr ưởng và phát triển của tế bào, mô nuôi cấy theo mục tiêu và yêu cầu đặt ra.
Trong mấy thập kỷ qua công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia trên thế giới. Nuôi cấy mô tế bào thực vật là một công cụ cần thiết trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của ngành sinh học. Nhờ áp dụng các kỹ thuật nuôi cấy mô phân sinh, mô sẹo… con ngư ời đã thúc đẩy thực vật sinh sản nhanh hơn gấp nhiều lần tốc độ vốn có trong tự nhiên và tạo ra hàng loạt cá thể mới giữ nguyên tính trạng di truyền của cơ thể mẹ, rút ngắn thời gian đư a một giống mới vào sản xuất ở quy mô lớn. Hơn nữa dựa vào kỹ thuật nuôi cấy mô- tế bào đã duy trì và bào quản đ ược nhiều giống cây trồng qúy hiếm hoặc loại bỏ được nhiều mầm bệnh (phục tráng giống). Mặt khác sử dụng các kỹ thuật nuôi cấy và dung hợp protoplast (tế bào trần) đã thực hiện được việc chuyển các gen mong muốn vào cây trồng…. Bên cạnh đó các nhà nghiên cứu còn thu nhận các chất trao đổi thứ cấp từ tế bào nuôi cấy một sự ổn định và độc lập, ít lệ thuộc vào sản xuất của thực vật ngoài tự nhiên.
Ngoài ra, nuôi cấy mô - tế bào thực vật còn là một phương pháp nghiên cứu hiệu qủa nhất qúa trình phát sinh hình thái ở nhiều loài thực vật. Ph ương pháp này giúp mở ra những hư ớng mới trong nghiên cứu sinh lý và di truyền thực vật như : cơ chế sinh tổng hợp các chất, sinh lý phân tử - đột biến, sinh lý dinh dư ỡng ở tế bào thực vật và nhiều vấn đề sinh học khác… 2.1 Nuôi cấy mô và cơ quan tách rời. Năm 1946, đã khởi đầu nuôi cấy mô và cơ quan tách rời bằng thí nghiệm nuôi cấy đỉnh chồi cây măng tây Apragus offcinalis, sau đó đã nuôi cấy cả những bộ phận khác của cây: lá, hoa, thân. Nhu cầu dinh d ưỡng của nuôi cấy mô hoặc cơ quan tách rời đều có điểm chung: nguồn cacbon (đ ường), các nguyên tố đa l ượng (N, P, K, Ca), vi lư ợng (Mg, Fe, Mn, Zn, Co, …) các vitamin. Tuy nhiên nuôi cấy mô đòi hỏi cao hơn nuôi cấy cơ quan tách rời, nh ư phải bổ sung thêm các chất hữu cơ chứa N (axit amin) và đặc biệt là chất điều hòa sinh trư ởng phải đầy đủ, vì mô tách rời không có khả năng tổng hợp những chất này.
Trong nghiên cứu nuôi cấy mô và cơ quan tách rời, việc chọn mẫu có tầm quan trọng đặc biệt: mẫu phải ở tình trạng sinh lý tốt và đang phát triển, đó là những phần non của cây hoặc phôi hợp tử trư ỏng thành như mầm, phần trên lá mầm, chồi bên của lá thứ nhất hay thứ hai, nơi chứa nhiều tế bào mô phân sinh. Nuôi cấy mô và cơ quan tách rời được ứng dụng trong nghiên cứu điều kiện sinh trư ởng đối với một bộ phận hoặc một mô của cây; nhân nhiều và nhanh cây in vitro, tạo mô sẹo phục vụ cho các nghiên cứu cơ bản nh ư chọn dòng tế bào, đột biến soma. 2.2 Nuôi cấy mô phân sinh Đặc điểm của mô phân sinh là chứa các tế bào non trẻ, phân chia mạnh, lại không bị virut xâm nhập. Nuôi cấy mô phân sinh đư ợc dùng trong các trư ờng hợp: - Tạo ra những giống cây sạch virut từ những giống bị bệnh (phục tráng giống) - Nhân giống in vitro - Tạo cây đa bội thông qua xử lý coxixin. - Nghiên cứu qúa trình hình thành cơ quan
2.3 Nuôi cấy mô sẹo (callus) Khi sự cân bằng các chất kích thích sinh trư ởng trong thực vật thay đổi, cụ thể các mô đỉnh sinh trưỏng hay nhu mô đư ợc tách ra và nuôi cấy trên môi trư ờng có tỉ lệ auxin và cytokinin thích hợp, thì mô sẹo đư ợc hình thành. Đó là một khối các tế bào phát sinh vô tổ chức và có hình dạng không nhất định với màu vàng, trắng hoặc hơi xanh. Nguyên liệu để tạo mô sẹo là các phần non của cây, đ ược đ ưa vào môi trư ờng nuôi cấy. Trong qúa trình nuôi cấy tạo mô sẹo, mẫu thư ờng phải để trong tối, Tạo mô sẹo có thể coi là qúa trình giải biệt hóa, đư a những mẫu đã biệt hóa trở về trạng thái ban đầu của phôi. Mô sẹo khi hình thành sẽ gồm hai loạiM: - Loại xốp: chứa nhiều tế bào xốp với nhân nhỏ, chất tế bào loãng và không bào to - Loại cứng thì ngư ợc lại: các tế bào chắc, nhân to, chất tế bào đậm đặc và không bào nhỏ. Từ các khối mô sẹo có thể đ ưa vào môi trư ờng nhân sinh khối để thu lư ợng lớn mô sẹo.
Nuôi cấy mô sẹo đ ược ứng dụng trong nhiều tr ường hợp: - Nhân giống in vitro ở những loài thực vật mà phư ơng pháp nhân giống bằng nuôi cấy đỉnh sinh trưởng ít có hiệu qủa hoặc không thực hiện đ ược. - Làm nguyên liệu cho nuôi cấy tế bào đơn, thu nhân các chất có hoạt tính sinh học. - Nguyên liệu cho chọn dòng tế bào: đột biến, chọn dòng tế bào có khả năng chống chịu cao. - Nghiên cứu qúa trình hình thành cơ quan 2.4. Nuôi cấy phôi Năm 1958, đã thu được những tế bào phôi vô tính đầu tiên từ mô dinh dư ỡng của cây cà rốt và đã đ ưa vào nuôi cấy in vitro. Thành công này đã mở ra h ướng mới trong nuôi cấy phôi vô tính. Phôi vô tính có khả năng nẩy mầm và tạo cây hoàn chỉnh nh ư phôi hữu tính. Nuôi cấy phôi vô tính hiện nay đư ợc xem như một kỹ thuật mang lại nhiều hiệu qủa hơn trong nhân giống cây trồng, trong khi nhân giống vô tính theo phư ơng pháp cổ điển còn nhiều hạn chế.
Ngoài ra nuôi cấy phôi vô tính còn dùng để: - Thử sức sống của phôi hạt. - Duy trì phôi yếu và cứu phôi lai xa. - Sản xuất hạt nhân tạo mà bản chất là tế bào phôi đ ược bọc trong vỏ đặc biệt. 2.5. Nuôi cấy bao phấn và hạt phấn Các thí nghiệm nuôi cấy bao phấn đầu tiên đ ược thực hiện vào năm1966, tiến hành ở cây cà độc d ược và đã thu đ ược cây đơn bội. Nuôi cấy bao phấn, hạt phấn có ưu điểm là đơn giản về thao tác kỹ thuật và môi trư ờng nuôi cấy, như ng lại có thể tạo ra cả cây lư ỡng bội từ mô soma của thành bao phấn, do vậy sẽ khó phân biệt với cây tự lư ỡng bội từ cây đơn bội. Nuôi cấy bao phấn và hạt phấn đ ược dùng cho tạo các dòng thuần để: - Nghiên cứu gen lặn vì chúng không biểu hiện ở cơ thể dị hợp tử - Chọn các dòng đột biến 2.6. Nuôi cấy tế bào đơn và tế bào trần Melcher và Berman (1959) là ngư ời đầu tiên tách, nuôi cấy tế bào đơn thực vật. Tiếp theo
nhiều tác giả khác đã nghiên cứu nuôi cấy tế bào đơn như ng các thí nghiệm điển hình nhất là của Street (1970), ông nuôi cấy và duy trì đ ược sự sinh trư ởng liên tục của huyền phù tế bào. Các tế bào đơn tách từ mô thực vật bằng ph ơng pháp nghiền hoặc xử lý enzym. Sau đó chúng đư ợc nuôi cấy dịch lỏng, có khuấy hoặc lắc tạo điều kiện thuận lợi cho sự trao đổi khí và tiếp xúc với các chất dinh d ưỡng. Yêu cầu dinh dư ỡng cho nuôi cấy tế bào đơn khá phức tạp, do chúng bị mất nhiều chất cần thiết cho sinh trư ởng, khi tách rời khỏi quần thể tế bào. Vì thế việc lựa chọn môi trư ờng dinh dư ỡng và điều khiển nuôi cấy phù hợp là việc nghiên cứu đầu tiên trong nuôi cấy tế bào đơn . ứng dụng nuôi cấy tế bào đơn cho các mục đích; - Nghiên cứu sự sinh trư ởng, phát triển và phân hóa tế bào trong những điều kiện khác nhau. - Chọn dòng tế bào - Thu nhận các chất trao đổi thứ cấp Nuôi cấy tế bào trần N ( protoplast ) được bắt đầu từ những công trình của Cooking (1960)
ông đã thu đ ợc protoplast từ tế bào rễ cà chua bằng ph ương pháp enzym - Mô hay dùng để tách protoplast là nhu mô thịt lá, ngoài ra có thể dùng mô sẹo hay tế bào đơn. Sau khi xử lý enzym thì thành tế bào bị loại bỏ, chỉ còn màng tế bào bao bọc tất cả các cấu trúc của tế bào. Do vậy protoplast là đối tư ợng lý tư ởng cho các nghiên cứu: - Tạo con lai soma nhờ ph ương pháp dung hợp protoplast - Chuyển các bào quan (ty thể, lạp thể) hoặc cả nhân vào tế bào. - Qúa trình sinh tổng hợp màng tế bào 3. Sự phân hóa và hình thành cơ quan trong mô và tế bào nuôi cấy. Trong các tế bào nuôi cấy th ờng xẩy ra hai dạng đó là phân hóa cơ quan bằng con đ ờng hình thành nhu mô và phân hóa cơ quan qua sự tạo phôi soma 3.1 Sự phân hóa nhu mô Sự phân hóa nhu mô trong môi tr ờng nuôi cấy in vitro đ ợc bẵt đầu bằng sự ngừng phân hóa và
tạo thành mô sẹo – một tổ chức tế bào không phân hóa. D ới tác dụng của các chất điều hòa sinh tr ởng và các yếu tố của môi tr ờng nuôi cấy khả năng phân hóa của các mô mất phân hóa lại đ ợc khôi phục và phân hóa thành cơ thể hoàn chỉnh. Phân hóa cơ quan Trong qua trình phân hóa cơ quan, ở những mô sẹo không có tổ chức đ ược hình thành các cấu trúc hình thái dẫn đến việc tạo chồi, rễ, cành, hoa, cây hoàn chỉnh. Qúa trình phân hóa này có thể thực hiện bằng cách thay đổi một số chất và các chất điều hòa sinh tr ởng trong môi tr ờng nuôi cấy. Qúa trình hình thành cơ quan trong mô xẩy ra qua hai giai đoạn, đó là tái phân hóa và giai đoạn hình thành các mầm mống cơ quan. Khả năng hình thành cơ quan ở các mô khác nhau (Galston, 1968, Murashige). Đối với mô sẹo, xu thế tạo cơ quan giảm dần khi mô cấy chuyển nhiều lần vì khi mô cấy chuyển nhiều lần th ờng hình thành các tế bào đa bội và lệch bội ngoài ra có thể mất các yếu tố di truyền.
Sự phân hóa của mô nuôi cấy đã cho thấy một tiềm năng mãnh liệt trong tế bào thực vật, nhờ đó các tế bào đã tái phân hóa để tạo thành tế bào mới của mô thực vật nuôi cấy và tạo thành cơ thể hoàn chỉnh. 3.2 Phân hóa phôi ở một số loài thực vật tái sinh cây hoàn chỉnh từ một tế bào xẩy ra theo sự phân hóa phôi nh trong tr ờng hợp phân hóa cơ quan, phân hóa phôi cũng bắt đầu từ sự tái phân hóa của các tế bào đã biệt hóa trong mô nuôi cấy và sau đó xẩy ra qúa trình tạo phôi. Steward và cộng sự (1958) đã mô tả sự hình thành cấu trúc phôi trong tế bào cà rốt nuôi cấy trong môi tr ờng lỏng. Đầu tiên tế bào phân chia mạnh để tạo thành các cụm tế bào, trong các cụm này các phân tử của xylem đ ợc hình thành sau đó xẩy ra qua trình tạo mầm mống rễ. Khi chuyển sang môi trờng nuôi tiếp thì quan sát thấy hình thành chồi và sau đó là cây hoàn chỉnh. Cả hai qúa trình phân hóa phôi và phân hóa nhu mô để hình thành cơ quan nh chồi, rễ, đều chịu tác động của các chất sinh tr ởng và các điều kiện nuôi cấy.
3. Một số phương pháp nhân giống vô tính ở thực vật đang được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp - Phương pháp giâm cành và chiết cành 3.1. Cơ sở sinh học của phương pháp Theo viện sĩ Maximop, mỗi bộ phận của cây, ngay đến mỗi tế bào, đều có tính độc lập về mặt sinh lí rất cao. Chúng có khả năng khôi phục lại các cơ quan, bộ phận không đầy đủ và trở thành một cá thể mới hoàn chỉnh. Trong cơ thể thực vật, nước và các chất khoáng hoà tan được vận chuyển từ rễ lên lá theo mạch gỗ, còn các sản phẩm hữu cơ sản xuất ở lá được chuyển xuống gốc (rễr, củ, … ) theo mạch rây. Khi ta cắt đứt con đường vận chuyển theo mạch rây, các sản phẩm hữu cơ sẽ tập trung ở các tế bào vỏ của phần bị cắt (phía trên p). Các chất hữu cơ này cùng với chất điều hoà sinh trưởng Axin nội sinh (được tổng hợp ở ngọn cây chuyển xuống) sẽ kích thích sự hoạt động của tượng tầng và hình thành mô sẹo, rồi sau đó hình thành rễ từ mô sẹo ở chỗ bị cắt, khi gặp điều kiện thuận lợi. Quá trình hình thành rễ bất định này có thể chia làm ba giai đoạn: