1
Chương 1

Sản xuất, xác nhận và độ bền vững của
cây trồng chuyển gen

1.1. Các phương pháp chuyển gen
Cho đến nay đã có hơn 150 loài thực vật khác nhau, trong đó rất nhiều
loài cây trồng đã được chuyển gen thành công. Những thực vật chuyển gen
và diễn biến nổi bật của công nghệ gen thực vật được giới thiệu ở bảng 1.1.
Để tạo ra cây biến đổi gen trong những năm qua một loạt các phương pháp
khác nhau được thực hiện. Trong đó, ba phương pháp sau đây được ứng
dụng rộng rãi (giới thiệu ở các mục 1.1.1 đến 1.1.3).

Bảng 1.1 Diễn biến nổi bật của công nghệ gen thực vật.

Năm Những phát triển quan trọng
1980 Lần đầu tiên chuyển DNA vi khuẩn vào thực vật nhờ
Agrobacterium tumefaciens
1983

Marker chọn lọc, Ti-plasmid được loại bỏ các gen không cần thiết
1984 Biến nạp vào tế bào trần
1985 Kháng thuốc trừ cỏ
198 Kháng virus
Lần đầu tiên đưa cây biến đổi gen ra đồng ruộng
1987 Kháng côn trùng
Biến nạp phi sinh học
1988 Điều khiển sự chín ở cà chua
1989 Kháng thể ở thực vật bậc cao

và qua đó kích thích tạo khối u. Những khối u này là không gian sống của vi
khuẩn. Một số chất dinh dưỡng (opine) có lợi cho vi khuẩn cũng được tạo ra
trong những khối u này. Những opine phổ biến nhất là nopalin và octopin.
Về hóa học opine là những sản phẩm ngưng tụ của một amino acid với
một cetoacid hoặc một amino acid với đường. Octopin được tạo nên từ
amino acid là arginine và pyruvate, còn nopalin được tạo nên từ arginine và
α-cetoglutaraldehyd. Công thức cấu tạo của opine được trình bày ở hình 1.1.

Octopin Nopalin

Hình
1.1. Công thức cấu tạo của opine.
COOH COOH
HC NH CH
CH
2
CH
3

CH
2

Copyright(C) by Foxit Software Company,2005-2007
For Evaluation Only.

3
A. tumefaciens “thực hiện” kỹ thuật gen vì nó tạo ra cây biến đổi gen
có lợi cho nó. Như vậy, sự khẳng định kỹ thuật gen là một quá trình nhân
tạo là không đúng.
Khả năng chuyển DNA của A. tumefaciens được sử dụng trong công
nghệ gen hiện đại. Để hiểu được quá trình này, điều đầu tiên cần thiết là làm
rõ sự tương tác sinh học giữa Agrobacterium với thực vật.
Việc sử dụng A. tumefaciens đã bắt đầu từ 1907, khi người ta phát
hiện vi khuẩn này có khả năng tạo nên khối u ở cây hai lá mầm bị thương,
được gọi là khối u cổ rễ (Hình 1.2). Trong những năm bảy mươi người ta
tìm thấy trong các chủng A. tumefaciens tạo khối u có một plasmid rất lớn
có kích thước 200 đến 800 kb. Qua những thí nghiệm chuyển đến những
chủng không độc (không có plasmid này), đã khẳng định plasmid này cần
thiết cho việc tạo khối u. Vì vậy, plasmid này được gọi là Ti-plasmid (tumor
inducing-plasmid).
Hình
1.2. Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. a: Dưới kính hiển vi điện tử. b:
Khối u ở cây và từ khối u này xuất hiện chồi một cách tự nhiên.

Ti-plasmid mang các gen mã hóa cho protein phân giải opine, nhận
biết những tế bào thực vật bị thương, cắt và vận chuyển đoạn được gọi là T-
DNA. T-DNA là một phần của Ti-plasmid, được chuyển vào thực vật
(transfer-DNA). Trên đó định vị những gen tạo khối u và tổng hợp opine. T-
DNA được giới hạn bởi hai vùng, bờ trái và bờ phải (LB : left border và RB:

Hình
1.3. Sơ đồ lây nhiễm của vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens.

Ở opine người ta phân biệt octopin và nopalin. Một số loài vi khuẩn A.
tumefaciens chứa Ti-plasmid của loại octopin và loại khác của nopalin.
Bị thương
Nhiễm sắc thể
của vi khuẩn
Ti-plasmid
với T-DNA
Agrobacterium
Agrobacterium
Nhiễm sắc thể trong
nhân tế bào th
ựcvật
Tế bào thực vật
Khối u

Vi khuẩn gắn vào tế bào
thực vật và sự gắn T-DNA
Agrobacterium
trong khối u
Các tế bào khối
u th
ựcvật
T-DNA của vi khuẩn
trong DNA nhân của
tế bào thực vật
Edited by Foxit Reader
Copyright(C) by Foxit Software Company,2005-2007

giải nopalin, noc: Tổng hợp nopalin. tmr: Tổng hợp cytokinin, tms: Tổng hợp
auxin, tra: Vận chuyển tiếp hợp, vir: Vùng virulence (vùng độc tính).

Điều kiện cho việc chuyển T-DNA vào thực vật trước hết là tế bào bị
thương. Khi tế bào bị thương chúng tiết ra các hợp chất phenol
tms tmr nos
vir
RB
noc
tra
ori
T-DNA

6
(acetosyringon), chất có vai trò quan trọng trong việc nhận biết và sự gắn
kết giữa vi khuẩn và tế bào thực vật.
Cơ chế nhận biết được giải thích là nhờ tính đặc hiệu của A.
tumefaciens với cây hai lá mầm, ở cây một lá mầm thì phản ứng này chỉ ở
một ít loài. Vì vậy, Agrobacterium được sử dụng giới hạn cho biến nạp cây
một lá mầm. Khi bổ sung syringon người ta có thể
biến nạp nấm bằng A.
tumefaciens. Thực vật một lá mầm quan trọng như ngô có thể được biến nạp
bằng A. tumefaciens.

+ Khối u xuất hiện bằng những gen của A. tumefaciens
Sự phát triển khối u sau khi nhiễm A. tumefaciens dựa trên tác dụng
của hai phytohormone. Các enzyme cần thiết cho tổng hợp phytohormone
được mã hóa chủ yếu từ những gen trên T-DNA. Sự tổng hợp auxin được
thực hiện bởi hai gen là tms1 và tms2. Gen tms1 mã hóa tryptophan-2-
monooxygenase xúc tác cho sự biến đổi tryptophan thành indol-3-aceamid.

CH
2
OH
CH
3

N
H

7
A. tumefaciens nhận biết acetosyringon nhờ một chất nhận, được mã
hóa bằng một gen ở vùng vir. Sự nhận biết bằng chất nhận dẫn đến sự hoạt
hóa của tất cả gen vir. Vùng vir bao gồm nhiều gen. Một sản phẩm gen vir
khác là một endonuclease nhận biết bờ phải và trái của T-DNA và cắt T-
DNA ở những vị trí này. Sau đó, một protein gắn vào sợi đơn của T-DNA
và phức hệ này được chuyển vào thực vật dưới tác dụng của các sản phẩm
gen vir (Hình 1.6).


Quá trình này phức tạp nên không thích hợp cho việc ứng dụng trong
công nghệ gen vì có ba nguyên nhân sau:
- Việc tạo mô do những gen tổng hợp cytokinin và auxin không thể tái
sinh từ tế bào thành những cây hoàn chỉnh và khỏe mạnh.
- Sự tổng hợp opine là không mong muốn vì cây tiêu tốn năng lượng
không cần thiết.
- DNA lạ không thể đưa vào Ti-plasmid cũng như T-DNA. Những
plasmid lớn hơn 200 kb là quá lớn, khó thao tác trong phòng thí nghiệm.
Người ta đã thành công trong việc làm biến đổi Ti-plasmid và T-DNA
để những phytohormone này không được tạo nên. Trong những bước tiếp
theo gen tổng hợp opine được cắt ra và đưa vào đó những gen chọn lọc
(xem mục 1.2), ví dụ gen kháng kanamycin. Ngày nay, người ta sử dụng
những hệ thống được gọi là vector hai nguồn (binary vector), ở đây chức
năng của Ti-plasmid được thực hiện hai ở plasmid.
Plasmid lớn hơn mang vùng vir và plasmid nhỏ hơn mang bờ trái và
phải của T-DNA. Đây là những vùng của T-DNA duy nhất cần thiết cho
việc vận chuyển gen vào thực vật, plasmid nhỏ là đủ cho vận chuyển chính
xác thậm chí chỉ với một bờ. Giữa bờ phải và trái một gen chọn lọc và
những gen lạ được chèn vào. Sơ đồ cấu tạo của một vector hai nguồn được
giới thiệu ở hình 1.7. Ưu điểm của vector này là ở chỗ, các thao tác chỉ được
thực hiện với plasmid nhỏ. Tất cả những công việc tạo dòng, cả việc đưa
DNA lạ, có thể thực hiện trong những tế bào E.coli, còn plasmid lớn đã
hoàn thiện và được chuyển vào A. tumefaciens.
Quá trình biến nạp được thực hiện ở những mô thực vật phù hợp, ví
dụ mô lá. Chúng được ủ với vi khuẩn, sau đó vi khuẩn phải được loại bỏ và
mô được tái sinh thành cây hoàn chỉnh.
Cây Arabidopsis thaliana đã trở thành mô hình quan trọng trong
nghiên cứu di truyền thực vật. Phương pháp được mô tả là phương pháp
thấm qua, ở đây không chỉ là tế bào hoặc mô mà có thể cả cây được sử
dụng. Cây chưa nở hoa được ngâm từng phần vào dung dịch A. tumefaciens.

R
: gen kháng kanamycin để chọn lọc trong
E.coli và A. tumefaciens. P1, P2: Promoter, T1, T2: Terminator, vir: Vùng vir.

Ý nghĩa của những gen vir ở sự chuyển A. tumefaciens -T-DNA được
giải thích như sau:
Gen virA mã hóa cho một protein màng, là chất nhận hợp chất phenol
ở tế bào cây bị thương. Sự nhận biết chất này dẫn đến sự hoạt hóa sản phẩm
gen virG, đến lượt nó lại kích thích sự sao chép và sự biểu hiện của tất cả
gen vir. Sự hoạt hóa của protein thuộc gen virG có thể do sự vận chuyển
vir
Ti-plasmid
Không có T- DNA
A.t. ori
Mod. T-DNA
LB T2 Gen P2 T1 SMG P1 RB
LB
RB
E. coli plasmid
với T- DNA
E.c. ori
kan
R

10
những nhóm phosphate (photphoryl hóa). Hai protein được mã hóa từ gen
virD2 và virE2 quan trọng đối với việc chuyển T-DNA. Protein virD2 là
một endonuclease, cắt sợi đơn đặc hiệu ở bờ phải và trái của T-DNA,
Protein virE2 gắn lập tức vào sợi đơn và ngăn cản sự gắn lại với Ti-plasmid
(Hình 1.7). Sau đó, bằng cơ chế tổng hợp sửa chữa DNA, từ sợi đơn còn lại

bằng A. tumefaciens.

11
Phương pháp này đã thành công trong việc đưa được hơn 10 gen
đồng thời vào các plasmid khác nhau và có thể được sử dụng cho bất cứ loài
sinh vật nào. Hình 1.8. Ảnh chụp dưới kính hiển vi điện tử của hạt vàng (a) và wolfram (b)
trong cùng tỷ lệ cho sự biến nạp phi sinh học.

Bảng 1.2. So sánh biến nạp bằng A. tumefaciens và phi sinh học.

Biến nạp nhờ A. tumefaciens vào mảnh lá Biến nạp phi sinh học vào callus
Các mảnh lá được nuôi cấy chung với vi
khuẩn 1-2 ngày

Các mẫu lá phát triển

Xử lý kháng sinh để diệt vi khuẩn và chọn
lọc các tế bào thực vật biến nạp 2-4 tuần

Chuyển mẫu lá lên môi trườngtái sinh và
chọn lọc (tạo callus và chồi) 6-10 tuần

Mẫu lá trên môi trường không có
phytohormone (tạo rễ) 4-6 tuần

Cây biến đổi gen
Tạo callus hoặc phôi vô tính 8-12 tuần