Bài 2. Công nghệ tế bào thực vật và thành tựu

Câu hỏi mở đầu

Hiện nay nhiều loài cây dược liệu (sâm vũ diệp, sâm đương quy, sâm Việt Nam,...) đang trong tình trạng nguy cấp do bị khai thác quá mức để làm nguyên liệu sản xuất số lượng lớn thuốc chữa bệnh. Đây là một trong những nguyên nhân gây nên sự suy giảm đa dạng sinh học. Bằng phương pháp nào người ta có thể sản xuất số lượng lớn các chế phẩm sinh học hay chất có hoạt tính sinh học để chữa bệnh nhưng vẫn hạn chế được tình trạng khai thác quá mức các loài dược liệu quý hiếm?

Lời giải chi tiết:

Các nhà khoa học đãn sử dụng phương pháp công nghệ tế bào để có thể sản xuất số lượng lớn các chế phẩm sinh học hay chất có hoạt tính sinh học để chữa bệnh. 

CH tr 11 Câu hỏi 1, 2

1. Quy trình công nghệ tế bào thực vật gồm những giai đoạn nào?

2. Cần lưu ý điều gì khi chuẩn bị thiết bị, dụng cụ nuôi cấy mô tế bào?

Lời giải chi tiết:

Giải câu 1.

Quy trình công nghệ tế bào thực vật gồm ba giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Chuẩn bị mẫu nuôi, thiết bị, dụng cụ, hóa chất và môi trường nuôi cấy.

- Giai đoạn 2: Nuôi cấy. Giai đoạn này có thể sử dụng nhiều phương pháp nuôi cấy khác nhau tùy theo mục đích như: nuôi cấy huyền phù tế bào, nuôi cấy hạt phấn, nuôi cấy và dung hợp tế bào trần, nuôi cấy mô sẹo.

- Giai đoạn 3: Thu nhận sản phẩm (cây con, sinh khối tế bào).

Giải câu 2.

Khi chuẩn bị thiết bị, dụng cụ nuôi cấy mô tế bào cần phải đảm bảo điều kiện vô trùng để mẫu nuôi không bị nhiễm khuẩn trong quá trình nuôi cấy.

CH tr 11 Câu hỏi 3

3. Trong các kĩ thuật nuôi cấy mô, kĩ thuật nào tạo được giống mới và kĩ thuật nào tạo được các dòng thuần chủng? Giải thích.

Lời giải chi tiết:

- Kĩ thuật tạo được giống mới là nuôi cấy và dung hợp tế bào trần vì tế bào lai mang bộ nhiễm sắc thể của hai loài khác nhau.

- Kĩ thuật tạo được các dòng thuần chủng là nuôi cấy nhằm tạo ra những cây đơn bội, sau đó tiến hành lưỡng bội hóa cây đơn bội để thu được cây thuần chủng hữu thụ.

CH tr 12 Câu hỏi 4

4. Có thể thu được những sản phẩm gì khi nuôi cấy mô tế bào? Các sản phẩm đó được dùng để làm gì?

Lời giải chi tiết:

- Tùy theo mục đích nuôi cấy mà sản phẩm thu được có thể là sinh khối tế bào hoặc cây con.

- Cây con tiếp tục được nuôi trong môi trường nuôi cấy cho đến khi đạt được kích thước nhất định. Sau đó, các cây này sẽ được đem trồng trong điều kiện ngoại cảnh để cây phát triển tự nhiên.

- Sinh khối tế bào sau khi được thu nhận sẽ tiếp tục tiến hành xử lí, tinh chế để thu nhận các chất cần thiết.

CH tr 12 Câu hỏi 5

5. Tại sao phương pháp nuôi cấy mô tế bào in vitro lại cho các cây con được sinh ra giống hệt cây mẹ về mặt di truyền?

Lời giải chi tiết:

Trong nuôi cấy mô tế bào thực vật in vitro, các cây con được sinh ra từ các mẩu mô của cây mẹ thông qua quá trình nguyên phân. Do đó, các cây con được sinh ra giống hệt cây mẹ về mặt di truyền.

CH tr 13 Câu hỏi 6

6. Nuôi cấy mô tế bào thực vật in vitro có những ưu điểm và hạn chế gì?

Lời giải chi tiết:

- Ưu điểm: Nhân nhanh và tạo ra số lượng lớn các giống cây trồng có năng suất cao, chất lượng tốt, thích nghi với điều kiện sinh thái nhất định, chống chịu tốt với nhiều loại sâu bệnh, ...

CH tr 13 Câu hỏi 7, 8

7. Tại sao cần chọn lọc các dòng tế bào trước khi nuôi cấy?

8.  Việc chọn lọc các dòng tế bào đơn bội hay lưỡng bội sẽ có ưu thế hơn? Giải thích.

Lời giải chi tiết:

7. Trong nuôi cấy hạt phấn, các hạt phấn riêng lẻ có thể mọc trên môi trường nhân tạo và hình thành các dòng tế bào đơn bội. Các dòng này mang các kiểu gene khác nhau do kiết quả của quá trình tạo giao tử. Do đó, cần tiến hành chọn lọc các dòng tế bào mang các kiểu gene quy định các tính trạng mong muốn rồi mới tiến hành nuôi cấy.

8. Chọn lọc các dòng tế bào đơn bội sẽ có ưu thế hơn. Vì các dòng tế bào đơn bội có bộ gen gồm các allele không tồn tại thành từng cặp nên tế bào mang allele lặn vẫn biểu hiện thành kiểu hình, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc chọn lọc in vitro ở mức tế bào để thu được các dòng có những đặc tính mong muốn.

CH tr 14 Câu hỏi 9, 10

9. Colchicine gây lưỡng bội hóa bằng cách nào?

10. Các cây non được tạo ra bằng phương pháp nuôi cấy hạt phấn có đặc điểm gì? Đặc điểm này có lợi ích gì trong thực tiễn?

Lời giải chi tiết:

9. Colchicine có tác dụng ức chế sự hình thành của thoi phân bào dẫn đến các nhiễm sắc thể đã nhân đôi nhưng không phân li. Do đó, từ bộ nhiễm sắc thể n tạo thành bộ  nhiễm sắc thể 2n.

10. Cây lưỡng bội được tạo ra bằng phương pháp này đều thuần chủng về tất cả các gene nên tính trạng chọn lọc được sẽ rất ổn định.

CH tr 14 Câu hỏi 11, 12, 13

11. Phương pháp nuôi cấy và dung hợp tế bào trần có ưu thế gì hơn so với các phương pháp tạo giống khác?

12. Tại sao cần phải loại bỏ thành cellulose trước khi tiến hành dung hợp tế bào?

13. Tại sao khi nhân của hai tế bào ban đầu không dung hợp thì tế bào lai không thể tiếp tục phát triển?

Lời giải chi tiết:

11. Phương pháp nuôi cấy và dung hợp tế bào trần có thể tạo ra giống mới mang đặc điểm của hai loài mà bằng cách tạo giống thông thường không thể tạo ra được.

12. Thành Cellulose có cấu tạo vững chắc nên không thể dung hợp lại với nhau. Khi loại bỏ thành cellulose thì tế bào chỉ còn màng sinh chất bao bọc. Lúc này, do tính chất của màng nên các tế bào trần dễ dung hợp với nhau.

13. Trường hợp trong tế bài lai, hai nhân của tế bào ban đầu không được dung hợp thì tế bào lai đó không thể phát triển được vì không thể tiếp tục chu kì tế bào, hai nhân có bộ NST khác nhau và không thể cùng xử lí thông tin hay điều khiển tế bào thực hiện các hoạt động sống.

CH tr 14 Luyện tập

Tại sao trong quy trình ứng dụng công nghệ tế bào không thể thiếu bước chọn lọc các dòng tế bào?

Lời giải chi tiết:

Trong quá trình thu nhận tế bào hoặc nuôi cấy tế bào sẽ có nhiều dạng tế bào khác nhau (do kết quả của quá trình tạo giao tử hoặc do nhiễm khuẩn,...).Vì vậy, bước chọn lọc có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ tế bào, bước này giúp chọn lọc có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ tế bào, bước này giúp chọn lọc các dòng tế bào mang những đặc tính mong muốn và đem nuôi cấy để thu nhận sản phẩm.

Vận dụng trang 15

Hãy tìm hiểu và trình bày về quy trình nhân giống hoặc tạo giống một loài thực vật bằng công nghệ tế bào đã được tiến hành thành công. Đánh giá vai trò thực tiễn của việc nhân giống hoặc tạo giống loài thực vật đó.

Lời giải chi tiết:

- Đối tượng: Loài thực vật được nhân giống hoặc tạo giống (cây lương thực, cây dược liệu,...).

- Vai trò của loài thực vật đó đối với con người (cho biết tại sao phải nhân giống hoặc tạo giống loài thực vật).

- Quy trình nhân giống hoặc tạo giống, sản phẩm tạo thành có đặc điểm gì.

- Đánh giá vai trò thực tiễn của việc nhân giống hoặc tạo giống loài thực vật đó (hiệu quả mang lại, chi phí sản xuất,...).

Quy trình nhân giống hoa lan Hồ điệp bằng kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào

1.Vào mẫu tạo nguyên liệu khởi đầu

- Vào mẫu từ ngồng hoa: Ngồng hoa còn non (chưa nở hoa) có chứa mắt ngủ được lấy để vào mẫu. Rửa sạch mẫu dưới vòi nước chảy, dùng dao sắc cắt mẫu thành từng đoạn, mỗi đoạn chứa 1 mắt ngủ. Tráng lại bằng nước cất rồi đưa vào khử trùng ở Box cấy vô trùng. 

- Tiến hành khử trùng mẫu lần 1 bằng dung dịch HgCl2 0,1% trong thời gian 5 phút, tráng lại 4-5 lần bằng nước cất vô trùng, bóc bỏ phần lá bao bên ngoài để lộ ra mắt ngủ rồi khử trùng tiếp lần 2 cũng bằng dung dịch HgCl2 0,1% trong thời gian 1 phút. 

- Rửa sạch mẫu, cắt bỏ phần mẫu bị tổn thương do hoá chất khử trùng gây rồi dùng panh cấy các mẫu vào  môi trường đã chuẩn bị sẵn, mỗi mẫu 1 bình.

Môi trường vào mẫu: VW+ 100 ml ND + 10g Đường + 2mg/lBA +0,3 mg/lKi

2. Nhân nhanh và tạo cây hoàn chỉnh

- Nhân nhanh sau 5-7 ngày bắt đầu nảy mầm, sau 20 ngày bắt đầu hình thành thể tiền chồi (PLBs: Protocorm Like Bodies). Sau 1,5 tháng được cấy chuyển sang môi trường nhân nhanh: 

Định kỳ 2 tháng cấy chuyển một lần.  Sau 4-5 vòng cấy chuyển trên môi trường nhân nhanh sẽ tạo thành cây hoàn chỉnh với 4-5 lá, trọng lượng cây ≥3 gram đủ tiêu chuẩn  ra ngôi trồng ngoài vườn ươm.

3. Ra ngôi chăm sóc cây ngoài vườn ươm

- Tiêu chuẩn cây ra ngôi: Cây có đủ thân lá, rễ, không bị nấm bệnh, trọng lượng tươi ≥ 3 g/cây.

- Huấn luyện cây trước khi ra ngôi bằng cách mở nút bình từ 90-120 phút vào buổi sáng trong điều kiện môi trường vườn ươm là tốt nhất.

- Cây con lấy ra khỏi bình được rửa sạch, xử lý thuốc trừ nấm Ridomil (nồng độ 3 g/lít) trong khoảng 3 phút

- Giá thể là rêu khô (dớn) được xử lý bằng chế phẩm EM, nồng độ 1ml/lít nước ngâm 30 phút, sau đó vắt sạch.

- Trồng cây vào giá thể trong bầu có đường kính 5 cm lưu ý quấn giá thể quanh gốc cây đảm bảo chặt và sau đó đưa cây vào bầu.

- Đặt cây trên khay, loại khay có 4 rãnh, chiều ngang rãnh 5 cm 

- Che lưới đen cho cây đảm bảo cường độ ánh sáng 3000 - 4000lux

- Nhiệt độ: 25 – 31 oC, ẩm độ không khí 65-85%

- Tưới nước và dinh dưỡng: Trong 15 ngày đầu chỉ tưới nước, phun nhẹ trên lá bằng vòi phun tay, giữ ẩm cho giá thể. Sau 15 ngày, phun cho cây bằng chế phẩm Vitamin B1, nồng độ 50ml/100 lít, định kỳ phun 7 ngày/lần. Sau khi cây được 1 tháng, tưới cho cây bằng phân NPK với tỷ lệ 30:20:10 với nồng độ 40g/100 lít nước, định kỳ tưới 7 ngày/lần.

- Những ngày không phun, tưới dinh dưỡng phải chú ý giữ ẩm cho cây, thông thường 2-3 ngày tưới 1 lần bằng vòi phun tay.

- Sau 6 tháng thì có thể sang bầu 8,3 cm. 

Ý nghĩa: Việc nhân giống nhanh Lan hồ điệp giúp người nông dân tiết kiệm thời gian, kinh phí sản xuất, có thể cung cấp số lượng giống ra thị trường, đem lại hiệu quả kinh tế cao.

CH tr 16 Câu hỏi 14

14. Trong cá thành tựu của công nghệ tế bào thực vật, em đặc biệt quan tâm đến thành tựu nào? Tại sao?

Lời giải chi tiết:

Trong các thành tựu tạo ra giống cây cà chua lai khoai tây (pomato).

- Khoai tây là cây lương thực quan trọng thứ tư trên thế giới (sau lúa, lúa mì và ngô). Còn cà chua có tầm quan trọng toàn cầu với sản lượng hàng năm là 170 triệu tấn.

- Cây cà chua lai khoai tây giúp sản xuất lương thực hiệu quả hơn, vì chúng tối đa hóa lượng cây trồng có thể được sản xuất trên một mảnh đất hoặc trong một môi trường đô thị nhỏ như sân thượng hay ban công của một nhà.

- Ngoài ra, cây lai ghép có thể cải thiện khả năng kháng vi khuẩn, kháng vi rút và nấm, thu hút một nhóm động vật thụ phấn đa dạng hơn và cung cấp một dạng cây cảnh tinh tế.

CH tr 18 Bài tập 1

Bằng cách nào chúng ta có thể phân biệt được một số giống cây ăn quả được nhân bản bằng phương pháp nuôi cấy mô tế bào hay được tạo ra bằng phương pháp lai hữu tính  thông thường?

Lời giải chi tiết:

- Nhân bản vô tính có cơ sở tế bào học là quá trình nguyên phân nên các cây con được tạo ra bằng phương pháp này sẽ có điểm giống hệt nhau.

- Còn trong lai hữu tính, do có sự tái tổ hợp nên các cây con có đặc điểm khác nhau, và khác với cây bố mẹ.

CH tr 18 Bài tập 2

Trong công nghệ tế bào thực vật, tại sao người ta thường nuôi cấy hạt phấn mà không nuôi cấy noãn?  Việc nuôi cấy hạt phấn có lợi thế gì hơn so với tạo giống thực vật bằng phương pháp lai hữu tính thông thường?

Lời giải chi tiết:

Trong công nghệ tế bào thực vật, người ta thường nuôi cấy hạt phấn mà không nuôi cấy noãn vì số lượng hạt phấn được tạo ra trên một hoa rất nhiều nên sẽ cho hiệu quả nuôi cấy cao, trong khi đó, mỗi hoa thường chỉ có một noãn. 

- Việc nuôi cấy hạt phấn có lợi thế hơn vì các cây con tạo ra đều thuần chủng về tất cả các gene nên tính trạng chọn lọc được sẽ ổn định nhất.

CH tr 18 Bài tập 3

Có ý kiến cho rằng: “Việc ứng dụng công nghệ tế bào thực vật luôn tạo ra được các giống mới nhằm phục vụ cho nhu cầu của con người”. Em có đồng ý không? Giải thích.

Lời giải chi tiết:

Không đồng ý. 

Vì có một số phương pháp không tạo ra được giống cây trồng mới mà chỉ giúp nhân nhanh các giống cây mạng lại các đặc điểm tốt như nuôi cấy tế bào in vitro, nuôi cấy hạt phấn.

CH tr 18 Bài tập 4

Hãy đề xuất một ý tưởng tạo ra một giống cây trồng mới bằng công nghệ tế bào. Nêu khái quát cơ sở khoa học, quy trình và lợi ích mà giống thực vật đó mang lại.

Lời giải chi tiết:

Tạo giống cây mới vừa cho quả đỗ khế (đậu rồng) vừa cho củ đậu (củ sắn) bằng phương pháp công nghệ tế bào - Dung hợp tế bào trần

Cơ sở khoa học:

- Tạo ra các cây lai khác loài mang đặc điểm của cả 2 loài nhưng không cần phải trải qua sinh sản hữu tính,  tránh hiện tượng bất thụ của con lai.

Quy trình tạo giống mới bằng phương pháp dung hợp tế bào trần

Lợi ích:

- Tăng hiệu suất và sản phẩm thu được trên cùng một diện tích đất canh tác.

- Mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người nông đân.

CH tr 18 Bài tập 5

Một bạn học sinh đã đề xuất quy trình chưa hoàn chỉnh trong nuôi cấy rễ cây từ cây ké hoa đào (Urena lobata) để thu nhận hoạt chất có hoạt tính sinh học dùng chữa bệnh tiểu đường type II. Quy trình được mô tả như hình 2.9.

Lời giải chi tiết:

a. Quy trình chưa chính xác ở bước cho xâm nhiễm vi khuẩn vào lá. Phải tạo vết thương ở lá trước rồi mới tiến hành cho vi khuẩn xâm nhiễm vào.

b. 

(1) Kiểm tra sự có mặt của gene chuyển nhằm đảm bảo sự có mặt của các gene mong muốn trong các tế bào thực vật, chọn lọc các tế bào có chứa gene chuyển đem nuôi cấy.

(2) Nuôi cấy rễ tơ in vitro để tăng số lượng tế bào và tăng sinh khối

c. Ý kiến này đúng.

Vì người ta có thể tiến hành nuôi cấy các cơ quan khác nhau ở thực vật.

d. Có thể nuôi rễ tơ bằng hệ thống khí canh hoặc thủy canh.