Công nghệ sinh học ( phần 8 )
Lai tế bào soma - Dung hợp tế bào trần
Trong các phương pháp chọn tạo giống truyền thống lai hữu tính là
phương pháp cơ bản nhất để tạo ra biến dị tổ hợp thông qua dung hợp
giao tử. Tuy nhiên, việc lai hữu tính chỉ thực hiện được các cá thể trong
một loài hay các loài có quan hệ thân thuộc.
Đó là kỹ thuật cho phép hợp nhất các tế bào soma không có thành tế bào
của cá thể hoặ các loài khác nhau, và sau đó cho tái sinh cây lai từ các tế
bào đã dung hợp. Trong lai hữu tính, các tính trạng liên quan DNA bào
quan kiểm soát hoàn toàn giống cây mẹ vì không có sự tổ hợp các cơ
quan tử của bố và mẹ. Trong dung hợp tế bào trần, ngoài khả năng dung
hợp nhân, còn có khả năng xảy ra hỗn hợp tế bào chất, hình thành tổ hợp
di truyền hoàn toàn mới. Ty thể và lạp thể của hai tế bào khác nhau có thể
hợp nhất hoặc là tái tổ hợp tạo ra một tế bào dị tế bào chất, gọi là cybrid.
Như vậy, bằng con đường lai soma người ta có thể thu được tổ hợp mới
của lạp thể hay ty thể và tương tác mới giữa nhân và tế bào chất. Dung
hợp tế bào trần là một quá trình nhiều giai đoạn, bao gồm việc phân lập tế
bào trần từ các loài khác nhau, dung hợp tế bào trần từ hai loài khác nhau,
giám định, nhân sản phẩm dung hợp và cuối cùng là tái sinh cây lai hữu
dục là sản phẩm dung hợp.
Lai soma được sử dụng có hiệu quả để kết hợp khả năng kháng các bệnh
virus ở khoai tây từ các kiểu gene trong một loài cũng như từ các loài
khác nhau (Venzen, 1994). Lai soma là một phương tiện có hiệu quả để
chuyển bất dục đực tế bào chất và đa dạng hoá nguồn bất dục trong việc
tạo giống lai.
Nuôi cấy mô và tế bào
Đầu thế kỷ 20, Haberlandt đã nhấn mạnh tính toàn năng của tế bào soma
ở thực vật và chỉ ra khả năng tạo ra cây hoàn chỉnh bằng con đường nuôi
cấy mô và tế bào. Tuy nhiên, đến 50 năm sau việc tái sinh cây hoàn chỉnh
từ tế bào đơn hoặc tế bào trần (protoplast) mới trở thành hiện thực.
Nuôi cấy mô và tế bào là kỹ thuật nuôi cấy tế bào thực vật phân lập hay

thường yếu và không có khả năng sống do sự cung cấp dinh dưỡng từ nội
nhũ không đầy đủ và chúng thường bị chết trong một thời gian ngắn sau
khi hình thành hợp tử và không thể phát triển thành hạt có khả năng sống.
Vì vậy, nuôi cấy phôi hay cứu phôi là một phương pháp để khắc phục
hàng rào bất hợp, bảo đảm để phôi non sinh trưởng, nảy mần, và phát
triển thành cây con. Thông qua sử dụng phương pháp này người ta đã tạo
ra nhiều con lai khác loài ở nhiều loại cây trồng như lúa mì, lúa nước, đại
mạch, bông, đậu, đỗ, các loài cây ăn quả, cây cảnh và nhờ vậy nhiều gene
có ích đã được chuyển vào cây trồng.
Noãn đã thụ tinh đôi khi được nuôi cấy để cứu phôi từ các tổ hợp lai xa
mà không cần tách phôi ra khỏi noãn. Noãn chứa phôi lai non được tách
ngay sau khi thụ tinh trong điều kiện vô trùng rồi nuôi cấy trên môi
trường dinh dưỡng. Bằng con đường nuôi cấy noãn phôi có thể nuôi cấy ở
giai đoạn sớm hơn so với nuôi cấy phôi tách rời. Hơn nữa, phôi phát triển
trong noãn có môi trường hoá học và lý học thuận lợi hơn phôi nuôi cấy
bên ngoài noãn.
Thụ phấn và thụ tinh in vitro gồm việc thu nhập noãn chưa thụ tinh, cấy
noãn trên môi trường dinh dưỡng trong điều kiện vô trùng, và thụ phấn
cho noãn với các hạt phấn tươi. Ống phấn xuyên qua thành noãn và túi
phôi sẽ thụ tinh cho tế bào trứng. Phương pháp này đã được áp dụng để
tạo con lai giữa các loài mà ống phấn không thể sinh trưởng và xuyên vào
noãn bình thường sau khi thụ phấn.
(2) Nuôi cấy bao phấn và sản xuất cây đơn bội:
Trong phần lớn các chương trình chọn giống việc tạo giống mới cải tiến
bao gồm việc gieo trồng quần thể F
2
lớn và chọn lọc các dòng mong
muốn trong các thế hệ phân ly từ F
2
đến F

Tuy nhiên, với thời gian các công trình nghiên cứu ở nhiều loài cây trồng
có giá trị kinh tế người ta thấy rằng tế bào và mô được nuôi cấy trong môi
trường nhân tạo thường xuất hiện các biến đổi di truyền bao gồm số
lượng và cấu trúc nhiếm sắc thể, sự sắp xếp lại trong nhiễm sắc thể, đột
biến gene v.v. Các biến dị này được truyền lại cho cây khi tái sinh. Tập
hợp các biến dị di truyền hình thành do quá trình nuôi cấy được gọi là
biến dị dòng soma (somaclonal variation) (Larkin và Scowcroft, 1983).
Biến dị dòng soma chịu ảnh hưởng bởi loài cây, kiểu gene trong loài và
mô cấy, chế độ nuôi cấy, thời gian nuôi cấy in vitro, và tính ổn định của
genome. Như vậy bản thân nuôi cấy mô và tế bào là một nguồn biến dị di
truyền quan trọng, mới mẻ và phong phú trong các điều kiện đã thích ứng
và rất có ích cho sự cải thiện giống cây trồng. Một số thể biến dị dòng
soma có ích đã được phân lập, đó là khả năng để kháng virus Fiji, bệnh
đốm vàng viền nâu và bệnh sương mai ở mía (Heinz và cộng sự, 1977);
khả năng kháng bệnh đốm lá nhỏ ở ngô (Bretell và Ingram, 1979); kháng
sương mai ở khoai tây (Shepard và cộng sự, 1980); chịu hạn và chịu lạnh
ở lúa (Lê trần Bình và cs, 1996).
Một ưu điểm của biến dị di truyền trong quá trình nuôi cấy là khả năng
chọn lọc dòng tế bào in vitro. Có thể nuôi cấy và xử lý hàng triệu tế bào
trong một không gian hạn chế, chẳng hạn trong đĩa petri và chọn lọc bằng
cách xử lý tế bào nuôi cấy trong điều kiện bất lợi là tác nhân chọn lọc.
Cũng có thể kết hợp xử lý đột biến trong nuôi cấy để tăng tần số biến dị
di truyền. Tuy nhiên, chỉ những tính trạng biểu hiện ở mức tế bào mới có
thể xác định được bằng cách sàng lọc tế bào nuôi cấy, bao gồm các đặc
tính như kháng thuốc diệt cỏ, chịu mặn hay chịu kim loại như sắt, nhôm,
axit amin tương đồng, chịu nhiệt độ thấp, các yếu tố dinh dưỡng và khả
năng kháng độc tố do các tác nhân gây bệnh tạo ra. Các kiểu gene phân
lập kháng với các điều kiện bất lợi này có thể được sử dụng trực tiếp
trong chương trình chọn giống.
Ưu thế lai

giữa nhiều gene trội có lợi cho sự sinh trưởng. Các tính trạng có lợi cho
sự sinh trưởng của cơ thể do nhiều gene trội kiểm soát, còn các gene lặn
tương ứng thì có tác dụng ngược lại.
Quá trình tự phối dẫn dến sự đồng hợp tử hoá của hai loại gene này. Sự
đồng hợp tử hoá các gene lặn dẫn đến sự suy thoái về sức sinh trưởng.
Trong một dòng tự phối không chỉ tích luỹ hoàn toàn các gene trội có lợi.
Kiểu gene của các dòng tự phối khác nhau sẽ không giống nhau.
Khi đem giao phối chúng với nhau thì ở con lai xuất hiện nhiều gen trội
tại các locus khác nhau, trong đó các gene trội lấn át sự biểu hiện của các
gene lặn. Kết quả là xuất hiện hiện tượng ưu thế lai và có tính đồng đều ở
con lai F
1.

Về lý thuyết, hiệu quả ưu thế lai còn chịu ảnh hưởng của mối tương tác
giữa các gene trội không allele với nhau. Hiệu quả này giữ một vai trò
quan trọng trong ưu thế lai và có liên quan đến khả năng kết hợp riêng
của các dòng bố mẹ ban đầu.
Mặc dù thuyết tính trội có tính phổ cập rộng rãi nhưng vẫn còn hạn chế
trong khi giải thích một số trường hợp. Thực nghiệm ở ngô cho thấy sự
tương ứng giữa sức sống của các dòng tự phối với số lượng các gene trội
và khả năng kết hợp giữa các dòng tự phối lại không phù hợp với thuyết
tính trội. Nói chung, các gene lặn không mang tính chất có hại mà chỉ có
hại khi chúng ở trạng thái đồng hợp tử. Di truyền học quần thể xác nhận
rằng, tính bão hoà của các quần thể tự nhiên bằng các gene lặn không có
lợi ở trạng thái đồng hợp tử hoàn toàn không làm giảm ý nghĩa sinh học
của các gene lặn trong việc duy trì mức độ thích nghi cao của các quần
thể này. Có thể nói rằng các gene lặn không có lợi, thậm chí các gene gây
chết ở trạng thái đồng hợp là một bộ phận cần thiết cho các kiểu gene của
những quần thể thích nghi giỏi và chúng được duy trì một cách tích cực
và thích hợp qua quá trình chọn lọc tự nhiên. Những công trình nghiên

a
1
giao phối với một dòng tự phối
khác có kiểu gene a
2
a
2
thì F
1
sẽ có trạng thái dị hợp tử a
1
a
2
. Do giữa a
1
và
a
2
phát sinh tác dụng lẫn nhau mà mỗi sản phẩm do con lai tạo ra đều có
hiệu quả cao hơn trạng thái đồng hợp tử a
1
a
1
và a
2
a
2
của bố mẹ. Kết quả
là xuất hiện ưu thế lai. Ở đây giữa a
1

3
x A
4
) sẽ hình thành nên 4 kiểu gene A
1
A
3
, A
1
A
4
, A
2
A
3
, A
2
A
4
.
Mỗi kiểu gene ấy có thể chỉ là những dạng dị hợp tử như là những con lai
đơn ban đầu.
Thuyết siêu trội mặc dù đã được một số công trình thực nghiệm chứng
minh, song quan niệm về mối phụ thuộc của sức sống của con lai vào tính
dị hợp tử vẫn còn gây tranh luận. Một số dẫn liệu thực nghiệm đưa ra
nhằm đối lập lại giả thuyết này. Chẳng hạn, ở cây tự thụ phấn các con lai
có ưu thế lai không phải luôn luôn hơn hẳn các dạng bố mẹ đồng hợp tử
về mặt sức sống và tính ổn định trong phát dục. Vì vậy, ở những dạng cây
tự thụ phấn, nếu chỉ có dựa vào tính dị hợp tử không thôi, thì rất khó phân
biệt được ảnh hưởng của tính siêu trội với hiệu quả tương tác giữa các

allele giống nhau thì ít có lợi cho sự phát triển tối thích của cơ thể hơn là
thể dị hợp tử. Rendel cho cơ sở của hiện tượng này là do mối tương tác
giữa các sản phẩm được hình thành do hoạt động của các gene, mà chúng
chính là những chất sinh trưởng. Ví dụ, thể dị hợp tử của hai dạng nấm
đột biến ở Neurospora - một dạng có khả năng tổng hợp axit nicotinic,
dạng kia có khả năng tổng hợp axit pantothenic - có thể sống được trong
môi trường thiếu cả hai loại axit này.
2.3. Thuyết cân bằng di truyền
Thuyết cân bằng di truyền, mà người đề xướng là Turbin (1962, 1971),
được coi là một giả thuyết có khả năng liên kết được các luận điểm trong
việc giải thích hiện tượng ưu thế lai. Thuyết này cho rằng ưu thế lai là
một hiện tượng về tính ưu thế của con lai đối với mức độ phát dục tính
trạng này hay tính trạng khác so với bố mẹ. Mức độ biểu hiện của tính
trạng, tức kết quả của sự phát dục là đặc trưng cho quá trình này về mặt
số lượng. Sự sai lệch trong quá trình phát dục của con lai so với bố mẹ có
thể theo hướng tăng lên hoặc giảm đi (ưu thế lai dương hoặc âm). Thông
thường ta chỉ nói đến ưu thế lai dương là do ý nghĩa thực tiễn của nó.
Thuyết cân bằng di truyền đặc biệt chú ý đến quan điểm giải thích cơ chế
điều hoà di truyền lên sự hình thành các tính trạng và làm sáng tỏ mối
quan hệ nhân quả giữa các nhân tố di truyền với các tính trạng được kiểm
soát. Theo đó, sự hình thành của mỗi tính trạng được xác định bằng ảnh
hưởng tương ứng của nhìêu nhân tố di truyền khác nhau về đặc trưng tác
dụng. Trong trường hợp đơn giản nhất thì trong số chúng có một số gây
ra tác dụng kích thích tức là làm tăng cường các tính trạng, một số khác
lại gây ra tác dụng theo hướng ngược lại.
Sự biểu hiện của mỗi tính trạng như là kết quả về sự cân bằng tác dụng
giữa các xu hướng đối lập. Tính hoạt động của các yếu tố di truyền - tức
là hiệu quả kiểu hình của mỗi yếu tố - được xác định không chỉ bằng hoạt
động ban đầu của nó mà là sự cân bằng mối tác động của nó với các nhân
tố khác. Bởi vậy, mối liên hệ giữa các nhân tố di truyền và các tính trạng