Giáo trình Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vât

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vât

1. 1 Giáo trình: Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vât Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
2. 2 MỞ ĐẦU Công nghệ sinh học là sự ứng dụng tổng hợp của sinh hóa học, vi sinh vật học và các khoa học về công nghệ để đạt đến sự ứng dụng công nghiệp các năng lực của vi sinh vật, của các tế bào, các tổ chức nuôi cấy và các thành phần của chúng. Công nghệ sinh học như một thân cây mà những rễ chính của cây này là vi sinh vật học, di truyền học, sinh hóa học, điện tử học, nông học, công nghệ học và trên vòm lá với hàng nghìn quả đó là các loại sản phẩm phục vụ trồng trọt, chăn nuôi, y học, năng lượng mới, vật liệu mới, tuyển khoáng, bảo vệ môi trường Nhờ ứng dụng các thành tựu mới mẻ của công nghệ sinh học như kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào, kỹ thuật tái tổ hợp di truyền, người ta có thể tạo ra được những giống cây trồng không những có năng suất cao mà còn chống chịu được với sâu bệnh, hạn hán và điều kiện nghèo phân bón. Nhờ bỏ qua được việc lai chéo và khắc phục được sự tương khắc sinh sản mà việc lai tạo giống rút ngắn được nhiều thời gian. Kỹ thuật tái tổ hợp AND và các kỹ thuật in vitro mở ra khả năng lai khác loài và làm tăng nhanh tính đa dạng di truyền. Đối với các loại cây trồng có giá trị thương mại lớn, kỹ thuật nuôi cấy mô đã đem lại những hiệu quả kinh tế hết sức rõ rệt. Hiện nay, người ta đã bắt đầu ứng dụng khả năng nuôi cấy tế bào thực vật tách rời ở qui mô công nghiệp để thu nhận các sản phẩm, các hoạt chất sinh học có giá trị kinh tế cao. Nuôi cấy mô tế bào thực vật là một ngành khoa học trẻ có nhiều triển vọng, được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế. Ý thức được triển vọng to lớn của ngành khoa học hiện đại này, chúng tôi xin giới thiệu quyển sách công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật nhằm phục vụ sinh viên, học viên sau đại học và các cơ quan có liên quan . Nội dung cuốn sách bao hàm toàn bộ những vấn đề cơ bản trong nội dung công nghệ nuôi cấy mô thực vật. Chúng tôi xin cảm ơn GS. Trần Văn Minh đã cung cấp cho chúng tôi nhiều tài liệu chính để biên soạn. Chúng tôi chân thành cảm ơn nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật và ban biên tập cho xuất bản để cuốn sách được sớm đến với bạn đọc. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
3. 3 Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
4. 4 Phần 1. NUÔI CẤY TẾ BÀO Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.1. Giới thiệu chung Khái niệm biotechnology - công nghệ sinh học đã được đề xuất năm 1917 bởi một kỹ sư người Hungari tên là Karl Erky để mô tả quá trình chế biến củ cải đỏ làm nguồn thức ăn phục vụ sản xuất lợn với qui mô lớn. Theo Karl Erky, Biotechnology là từ dùng để chỉ "Tất cả những công việc trong đó các sản phẩm được sản xuất ra từ các nguyên liệu thô với sự giúp đỡ của các vật chất sống". Năm 1961 một nhà vi sinh vật học người Thuỵ Điển là Carl Goren Hedén đề nghị đổi tên tạp chí khoa học Journal of microbiological and Biochemical Engineering and technology thành Biotechnology and Bioengineering để đăng tải các nghiên cứu trong lĩnh vực vi sinh học ứng dụng và lên men công nghiệp. Từ đó, Biotechnology đã trở nên rõ ràng và luôn gắn liền với những nghiên cứu về "sự sản xuất công nghiệp các loại hàng hoá và dịch vụ thông qua các quá trình có sử dụng các cơ thể, hệ thống sinh học và chế biến". Các nghiên cứu về công nghệ sinh học đã được phát triển dựa trên các lĩnh vực chuyên môn như vi sinh, hoá sinh và công nghệ hóa học. Công nghệ sinh học theo W.H Stone (1987) có thể định nghĩa: “Là những công nghệ sử dụng các cơ thể sống hoặc các phần của cơ thể như tế bào, để tạo ra hoặc thay đổi các sản phẩm nhằm cải tiến các cây trồng và vật nuôi, hoặc phát triển các vi sinh vật vào các ứng dụng đặc hiệu”. Theo liên đoàn công nghệ sinh học châu Âu (EFB): “Công nghệ sinh học là ứng dụng tổng hợp của sinh hoá học, vi sinh vật và các khoa học về công nghệ để đạt tới sự ứng dụng công nghiệp các năng lực của vi sinh vật, của các tế bào, các tổ chức nuôi cấy và các thành phần của chúng.” Đến nay, định nghĩa về công nghệ sinh học được nhiều nhà khoa học cũng như nhiều nước trên thế giới thống nhất như sau: Công nghệ sinh học là các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp có sự tham gia của các tác nhân sinh học (ở mức độ cơ thể, tế bào hoặc 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 điểm hiện đại, các tác nhân sinh học tham gia vào quá trình sản xuất ở trên là những giống sinh vật mới hoặc các sản phẩm của chúng được tạo ra bằng kỹ thuật di truyền hiện đại (công nghệ gen). Từ định nghĩa cô đọng này có thể thấy: + Công nghệ sinh học không phải là một bộ môn khoa học như toán, lý, hoá, sinh học phân tử mà là một phạm trù sản xuất. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
5. 5 + Công nghệ sinh học không chỉ tạo ra thêm của cải vật chất, mà còn hướng vào việc bảo vệ và tăng cường chất lượng cuộc sống con người. + Thực tế, công nghệ sinh học mang tính ứng dụng, tuy nhiên hàng loạt kỹ thuật của công nghệ sinh học đang là những công cụ sắc bén để nghiên cứu khoa học sinh học và làm sáng tỏ các cơ chế của các hiện tượng sống ở mức phân tử. ở nước ta, theo Nghị định số 18/CP của Chính phủ ngày 11/3/1994 về phát triển công nghệ sinh học thì: “Công nghệ sinh học là một tập hợp các ngành khoa học (sinh học phân tử, di truyền học, vi sinh vật học, sinh hóa học và công nghệ học) nhằm tạo ra các công nghệ khai thác ở quy mô công nghiệp các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật.” - Khái niệm về công nghệ sinh học nông nghiệp (Agriculture Biotechnology) Theo Nghị định số 18/CP của Chính phủ ngày 11/3/1994 về phát triển công nghệ sinh học ở Việt nam thì: “Công nghệ sinh học là một tập hợp các ngành khoa học (sinh học phân tử, di truyền học, vi sinh vật học, sinh hóa học và công nghệ học) nhằm tạo ra các công nghệ khai thác ở quy mô công nghiệp các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật.” Vậy, “Công nghệ sinh học nông nghiệp là một tập hợp các ngành khoa học (sinh học phân tử, di truyền học, vi sinh vật học, sinh hoá học và công nghệ học) nhằm tạo ra các công nghệ sản xuất sản phẩm nông nghiệp ở quy mô công nghiệp.” Chúng ta có thể hiểu, công nghệ sinh học nông nghiệp là một nhánh của công nghệ sinh học mà đối tượng phục vụ là sản xuất nông nghiệp; cụ thể là ứng dụng các thành tựu chung của công nghệ sinh học để phục vụ cho sản xuất nông nghiệp của con người Dựa vào việc ứng dụng thành tựu của công nghệ sinh học để phục vụ các chuyên ngành khác nhau trong sản xuất nông nghiệp mà người ta có thể chia công nghệ sinh học nông nghiệp thành 2 loại sau: - Công nghệ sinh học trong trồng trọt (bao gồm cả trồng cây lâm nghiệp, cây dược liệu) gồm nuôi cấy mô tế bào thực vật, nuôi cấy hạt phấn, chuyển gen vào tế bào thực vật chủ - Công nghệ sinh học trong chăn nuôi (bao gồm cả chăn nuôi thuỷ sản) gồm nuôi cấy mô tế bào động vật, sản xuất tế bào gốc, cấy chuyển phôi, nhân bản vô tính Hiện nay, từ những thành tựu của công nghệ sinh học trong nuôi cấy mô tế bào, nuôi cấy hạt phấn và chuyển gen có thể ứng dụng rất nhiều vào lĩnh vực trồng trọt, như: - Nhân nhanh vô tính các giống cây quý: từ một mẫu nuôi cấy người ta có thể tạo ra hàng triệu cây con như nhau nếu đủ thời gian cấy chuyển. Tuy nhiên, hệ số cấy chuyển phụ thuộc tuỳ giống, càng cấy chuyển nhiều lần càng tạo nhiều biến dị. Ví dụ, các nhà khoa học đã kết luận từ một chồi dứa đưa vào nuôi cấy trong ống nghiệm có thể nhân ra hàng triệu cây dứa giống; từ một chồi chuối đưa vào nuôi cấy có thể nhân ra 2.000 cây Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
6. 6 chuối giống, nếu qua số này sẽ có tỷ lệ biến dị cao. - Cải lương giống cây trồng bằng nuôi cấy đỉnh sinh trưởng (meristerm): để phục tráng những giống cây quý đã nhiễm virus người ta có thể nuôi cấy đỉnh sinh trưởng để nhân nhanh. Qua một số lần nuôi cấy theo kiểu này sẽ tạo ra được những cây hoàn toàn sạch bệnh từ cây đã nhiễm virus. - Tạo dòng đơn bội từ nuôi cấy bao phấn và nuôi cấy tế bào hạt phấn: Người ta đã ứng dụng kĩ thuật nuôi cấy bao phấn và hạt phấn để tạo những cây đơn bội từ bao phấn hoặc hạt phấn, sau đó lưỡng bội hoá và tạo thành dòng đồng hợp tử. Kĩ thuật này đã thành công nhiều ở những cây họ cà. - Khắc phục lai xa bằng cách thụ phấn trong ống nghiệm nhờ kĩ thuật nuôi cấy phôi: Nhờ nuôi cấy trong ống nghiệm đã khắc phục tính bất hợp giao tử trước và sau khi thụ tinh đối với lai giữa các cây khác nhau khá xa về mặt di truyền. - Lai vô tính còn gọi là dung nạp tế bào trần (Protoplast): Nhờ kĩ thuật nuôi cấy mô tế bào thực vật mà người ta đã tạo thành cây lai từ 2 giống khác nhau khá xa về mặt di truyền bằng cách dùng các enzim để hoà tan màng tế bào rồi cho các tế bào trần (không còn màng) vào nuôi cấy chung trong môi trường nhân tạo và chúng phát triển thành khối mô sẹo (callus), từ đó chuyển khối callus này sang các môi trường phân hoá chức năng tế bào và để nuôi cấy thành cây lai. - Tạo giống cây trồng mới bằng kĩ thuật chuyển gen: Trên cơ sở xác định được tính trạng quý mà gen quy định, người ta có thể chuyển những gen đó vào những cây trồng khác với mong muốn tạo được những giống mới mang đặc tính mong muốn. 1.2. Sơ lược lịch sử phát triển Năm 1665, Robert Hooke quan sát thấy tế bào sống dưới kính hiển vi và đưa ra khái niệm "tế bào - Cell". Anton Van Leuwen Hoek (1632-1723) thiết kế kính hiển vi khuyếch đại được 270 lần, lần đầu tiên quan sát thấy vi khuẩn, tế bào tinh trùng trong tinh dịch người và động vật. Năm 1838, Matthias Schleiden và Theodore Schwann đề xướng học thuyết cơ bản của sinh học gọi là Học thuyết tế bào: + Mọi cơ thể sống được cấu tạo bởi một hoặc nhiều tế bào. + Tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng cơ bản của cơ thể sống, là hình thức nhỏ nhất của sự sống. + Tế bào chỉ được tạo ra từ tế bào tồn tại trước đó. Năm 1875, Oscar Hertwig chứng minh bằng quan sát trên kính hiển vi rằng sự thụ thai là do sự hợp nhất của nhân tinh trùng và nhân trứng. Sau đó, Hermann P., Schneider F.A và Butschli O. đã mô tả chính xác quá trình phân chia tế bào. Năm 1883, Wilhelm Roux lần đầu tiên lý giải về phân bào giảm nhiễm ở cơ quan sinh dục. Từ một tế bào thực vật nuôi cấy in vitro có thể tái sinh thành một cơ thể sống hoàn chỉnh. Khả năng này của Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
7. 7 tế bào thực vật được gọi là tính toàn năng. Năm 1902, Haberlandt lần đầu tiên thí nghiệm nuôi cấy mô cây một lá mầm nhưng không thành công. Năm 1934, Kogl lần đầu tiên xác định được vai trò của IAA, 1 hoocmon thực vật đầu tiên thuộc nhóm auxin có khả năng kích thích sự tăng trưởng và phân chia tế bào. Năm 1939, ba nhà khoa học Gautheret, Nobecourt và White đã đồng thời nuôi cấy mô sẹo thành công trong thời gian dài từ mô thượng tầng (cambium) ở cà rốt và thuốc lá, mô sẹo có khả năng sinh trưởng liên tục. Năm 1941, Overbeek và cs đã sử dụng nước dừa trong nuôi cấy phôi non ở cây cà rốt Datura. Năm 1955, Miller và cs đã phát minh cấu trúc và sinh tổng hợp của kinetin - một cytokinin đóng vai trò quan trọng trong phân bào và phân hoá chồi ở mô nuôi cấy. Đến năm 1957, Skoog và Miller đã khám phá vai trò của tỷ lệ nồng độ các chất auxin: cytokinin trong môi trường đối với sự phát sinh cơ quan (rễ hoặc chồi). Khi tỷ lệ auxin/ cytokinin (ví dụ: nồng độ IAA/ nồng độ kinetin) nhỏ hơn 1 và càng nhỏ, mô có xu hướng tạo chồi. Ngược lại khi nồng độ IAA/ nồng độ kinetin lớn hơn 1 và càng lớn, mô có xu hướng tạo rễ. Tỷ lệ nồng độ auxin và cytokinin thích hợp sẽ kích thích phân hoá cả chồi và rễ, tạo cây hoàn chỉnh. Năm 1949, Limmasets và Cornuet đã phát hiện rằng virus phân bố không đồng nhất trên cây và thường không thấy có virus ở vùng đỉnh sinh trưởng. Năm 1952, Morel và Martin đã tạo ra cây sạch bệnh virus của 6 giống khoai tây từ nuôi cấy đỉnh sinh trưởng. Ngày nay, kỹ thuật này với một số cải tiến đã trở thành phương pháp loại trừ bệnh virus được dùng rộng rãi đối với nhiều loài cây trồng khác nhau. Năm 1952, Morel và Martin lần đầu tiên thực hiện vi ghép in vitro thành công. Kỹ thuật vi ghép sau đó đã được ứng dụng rộng rãi trong tạo nguồn giống sạch bệnh virus và tương tự virus ở nhiều cây trồng nhân giống bằng phương pháp vô tính khác nhau, đặc biệt là tạo giống cây ăn quả sạch bệnh. Năm 1960, Morel đã thực hiện bước ngoặt cách mạng trong sử dụng kỹ thuật nuôi cấy đỉnh sinh trưởng trong nhân nhanh các loại địa lan Cymbidium, mở đầu công nghiệp vi nhân giống thực vật. Năm 1960, Cocking lần đầu tiên sử dụng enzym phân giải thành tế bào và đã tạo ra số lượng lớn tế bào trần. Kỹ thuật này sau đó đã được hoàn thiện để tách nuôi tế bào trần ở nhiều cây trồng khác nhau. Năm 1971, Takebe và cs đã tái sinh được cây từ tế bào trần mô thịt lá (mesophill cell) ở thuốc lá. Năm 1972, Carlson và cs lần đầu tiên thực hiện lai tế bào sôma giữa các loài, tạo được cây từ dung hợp tế bào trần của 2 loài thuốc lá Nicotiana glauca và N. langsdorfii. Năm 1978, Melchers và cs tạo được cây lai soma "Cà chua Thuốc lá" bằng lai xa tế bào trần của 2 cây này. Đến nay, việc tái sinh cây hoàn chỉnh từ tế bào trần hoặc từ lai tế bào trần đã thành công ở nhiều loài thực vật. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
8. 8 Năm 1964, Guha và Maheshwari lần đầu tiên thành công trong tạo được cây đơn bội từ nuôi cấy bao phấn của cây cà Datura. Kỹ thuật này sau đó đã được nhiều tác giả phát triển và ứng dụng rộng rãi trong tạo dòng đơn bội (1x), dòng thuần nhị bội kép (2x), cố định ưu thế lai (nuôi cấy bao phấn hoặc hạt phấn của dòng lai F1 để tạo giống thuần mang tính trạng ưu thế lai). Năm 1959, Tulecke và Nickell đã thử nghiệm sản xuất sinh khối mô thực vật quy mô lớn (134 lít) bằng nuôi cấy chìm. Năm 1977, Noguchi và cs đã nuôi cấy tế bào thuốc lá trong bioreactor dung tích lớn 20,000 lít. Năm 1978, Tabata và cs đã nuôi tế bào cây thuốc ở quy mô công nghiệp phục vụ sản xuất shikonin. Họ đã chọn lọc được dòng tế bào cho sản lượng các sản phẩm thứ cấp (shikonin) cao hơn. Năm 1985, Flores và Filner lần đầu tiên sản xuất chất trao đổi thứ cấp từ nhân nuôi rễ tơ ở Hyoscyamus muticus. Những rễ này sản xuất nhiều hoạt chất hyoscyamine hơn cây tự nhiên. Hiện nay, công nghệ nuôi cấy tế bào và mô (ví dụ, mô rễ của nhân sâm) trong các bioreactor dung tích lớn đã được thương mại hoá ở mức công nghiệp để sản xuất sinh dược. Năm 1981, trên cơ sở quan sát các biến dị xảy ra rất phổ biến trong nuôi cấy mô và tế bào với phổ biến dị và tần số biến dị cao, Larkin và Scowcroft đã đưa ra thuật ngữ "biến dị dòng soma" (Somaclonal Variation) để chỉ các thay đổi di truyền tính trạng xảy ra do nuôi cấy mô và tế bào in vitro. Từ các dòng tế bào hoặc cây biến dị di truyền ổn định có thể nhân nhanh, tạo ra các dòng và giống đột biến có năng suất, hàm lượng hoạt chất hữu ích cao, kháng một số các điều kiện bất lợi như bệnh, mặn, hạn, Đến nay các nhà khoa học đã khẳng định rằng mức độ thành công của chuyển gen vào cây trồng phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống nuôi cấy và tái sinh tế bào thành cây in vitro sau chuyển gen. Năm 1974, Zaenen và cs đã phát hiện plasmid Ti đóng vai trò là yếu tố gây u (crown gall) ở cây trồng. Năm 1977, Chilton và cs đã chuyển thành công T- DNA vào thực vật. Năm 1979, Marton và cs đã xây dựng quy trình chuyển gen vào tế bào trần bằng đồng nuôi cấy tế bào trần và Agrobacterium. Năm 1982, Krens đã chyển thành công DNA vào tế bào trần. Năm 1985, Fraley và cs thiết kế vector plasmid Ti đã loại bỏ các gen độc gây hại để sử dụng cho việc thiết kế vector chuyển gen vào thực vật. Cùng trong năm, Horsch và cs đã chuyển gen vào mảnh lá bằng Agrobacterium tumefaciens và tái sinh cây chuyển gen. An và cs (1985) đã phát triển hệ thống hai vector cho chuyển gen thực vật. Năm 1987, Klein và cs đã sử dụng súng bắn gen (particle gun) mang vi đạn trong chuyển gen và tái sinh được cây biểu hiện gen chuyển. Năm 1994, thương mại hoá giống cà chua chuyển gen 'FlavrSavr' Các bước phát triểntrong lịch sử công nghệ tế bào thực vật được tóm tắt ở bảng 1.1. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
9. 9 Bảng 1.1. Những mốc chính trong lịch sử phát triển của công nghệ tế bào thực vật Năm Những phát minh và sự kiện quan trọng 1665 Robert Hooke quan sát được tế bào sống dưới kính hiển vi và đưa ra khái niệm tế bào. 1838 Matthias Schleiden và Theodore Schwann đề xướng học thuyết tế bào. Schleiden M. J., Arch. Anat., Physiol. U. wiss. Med. (J. Muller), 1838: 137-176; Schwann T., W. Engelman, No. 176 (1910). 1902 Haberlandt lần đầu tiên thí nghiệm nuôi cấy mô cây một lá mầm nhưng không thành công. Haberlandt G., Sitzungsber Akad. Wiss. Wien, Math.-Naturwiss. Kl., 111: 69-92. 1904 Hannig tiến hành các thí nghiệm nuôi cấy phôi đầu tiên ở các loài họ cải Crucifers. Hannig B., Bot. Zeitung, 62: 45-80. 1922 Cho hạt phong lan nảy mầm in vitro. Knudson L., Bot. Gaz., 73: 1-25. 1924 Hình thành callus từ rễ cà rốt trong môi trường có acid lactic. Blumenthal F. and Meyer P. Z. Krebsforsch. 21: 250-252. 1925 Làm hạt phong lan nảy mầm in vitro. Knudson L., Bot. Gaz., 29: 345-379. 1929 Laibach sử dụng nuôi cấy phôi để khắc phục hiện tượng bất hoà hợp khi lai ở Linum spp. Laibach F., J Hered., 20: 201-208. 1934 White đã thành công khi nuôi cấy mô rễ cà chua trong thời gian dài. White P. R., Plant Physiol., 9: 585-600. 1934 Kogl lần đầu tiên xác định được vai trò của IAA, 1 hoocmon thực vật đầu tiên có khả năng kích thích sự tăng trưởng và phân chia tế bào. Kogl F. et al., Z. Physiol. Chem., 228: 90-103. 1936 Nuôi cấy phôi các loài cây hạt trần khác nhau. LaRue C. R., Bull. Torrey Bot. Club, 63: 365-382 1939 Gautheret, Nobecourt và White lần đầu tiên nuôi cấy mô sẹo thành công trong thời gian dài từ mô thượng tầng (cambium) ở cà rốt và thuốc lá. Gautheret R. J., C. R. Acad. Sci. (Paris), 208: 118-120; Nobecourt P., C. R. Soc. Biol. (Paris), 130: 1270-1271; White P. R., Am. J. Bot., 26: 59-64. 1941 Overbeek và cs đã sử dụng nước dừa trong nuôi cấy phôi non ở cà rốt. Overbeek Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
10. 10 J. van et al., Science, 94: 350-351. 1942 Gautheret lần đầu tiên theo dõi sự hình thành chất trao đổi thứ cấp trong nuôi cấy mô sẹo thực vật. Gautheret R. J. Bull. Soc. Chim. Biol. 41: 13 1944 Skoog lần đầu tiên nghiên cứu sự hình thành chồi phụ từ nuôi cấy mô thuốc lá in vitro. Skoog F., Am. J. Bot., 31: 19-24. 1946 Sự tạo cây đầu tiên từ đỉnh chồi ở Lupinus và Tropaeolum. Ball E., Am. J. Bot., 33: 301-318. 1948 Hình thành chồi phụ và rễ ở thuốc lá. Skoog F. and Tsui C., Am. J. Bot., 355: 782-787. 1950 Lần đầu tiên nuôi cấy thành công cây một lá mầm bằng nước dừa. Morel G. C. R. Acad. Sci., 230: 2318-2320. 1951 Nitsch lần đầu tiên nghiên cứu nuôi cấy noãn tách rời in vitro. Nitsch J. P., Am. J. Bot., 38: 566-577. 1951 Skoog nghiên cứu sử dụng các hoá chất điều hoà sinh trưởng và phát sinh cơ quan. Skoog F., Annee Biol., 26: 545-562. 1952 Morel và Martin lần đầu tiên tạo được cây Dahlia sạch virus bằng nuôi cấy đỉnh sinh trưởng. Morel G. and Martin C., C. R. Hebd. Seances Acad. Sci. (Paris), 235: 1324-1325. 1952 Morel và Martin lần đầu tiên thực hiện vi ghép in vitro thành công. Morel G. and Martin C., C. R. Acad. Sci. (Paris), 235: 1324-1325. 1953 Tulecke lần đầu tiên thành công trong nuôi cấy bao phấn và tạo mô sẹo đơn bội từ hạt phấn Ginkgo biloba. Tulecke W. R , Science, 117: 599-600. 1954 Muir và cs lần đầu tiên tạo được mô sẹo từ mô nuôi dưỡng (nurse culture). Muir W. H. et al., Science, 119: 877-878. 1955 Miller và cs đã phát minh cấu trúc và con đường sinh tổng hợp kinetin. Miller C. et al., J. Am. Chem. Soc., 77: 1392 & 2662-2663. 1957 Skoog và Miller đã khám phá vai trò tỷ lệ nồng độ các chất auxin : cytokinin trong môi trường đối với sự phát sinh cơ quan (rễ hoặc chồi). Skoog F. and Miller C. O., In vitro Symp. Soc. Exp. Biol., No. 11: 118-131. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
11. 11 1957 Vasil nghiên cứu nuôi cấy bao phấn tách rời ở Allium cepa. Vasil I. K., Phytomorph., 7: 138-149. 1958 Maheshwari thực hiện nuôi cấy noãn tách rời in vitro ở cây anh túc Papaver somniferum. Maheshwari N., Science, 127: 342. 1958 Maheshwari đã tái sinh thành công phôi soma từ phôi tâm (nucella) trong nuôi cấy noãn Citrus. Maheshwari P. and Rangaswamy N. S., Ind. J. Hort., 15: 275- 281. 1959 Tulecke và Nickell thử nghiệm sản xuất sinh khối thực vật quy mô lớn (134 L) bằng nuôi cấy chìm. Tulecke W. and Nickell L. G., Science, 130: 863-864. 1959 Reinert và Steward lần đầu tiên tạo được phôi vô tính từ nuôi cấy mô cà rốt. 1960 Kanta lần đầu tiên thực hiện thụ tinh trong ống nghiệm ở Papaver rhoeas. Kanta K., Nature, 188: 683-684. 1960 Cocking lần đầu tiên đã sử dụng enzym phân giải thành tế bào để tạo ra số lượng lớn tế bào trần. Cocking E. C., Nature, 187: 927-929. 1960 Morel lần đầu tiên thành công trong nuôi cấy mô đỉnh sinh trưởng để nhân nhanh phong lan. Morel G., Am. Orchid Soc. Bull., 29: 495-497. 1962 Murashige và Skoog phát minh môi trường nuôi cấy mô tế bào thực vật- môi trường MS. Murashige T. and Skoog F., Physiol. Plant., 15: 473-497. 1964 Guha và Maheshwari lần đầu tiên thành công trong tạo được cây đơn bội từ nuôi cấy bao phấn của cây cà rốt. Guha S. and Maheshwari S. C., Nature, 204: 497 and Nature, 212: 97-98 (1966). 1967 Bourgin và Nitsch tạo cây đơn bội từ hạt phấn thuốc lá. Bourgin J. P. and Nitsch J. P., Ann. Physiol. Veg., 9: 377-382 & 10: 69-81. 1969 Phân lập tế bào trần từ nuôi cấy tế bào dịch lỏng (huyền phù) của Hapopappus gracilis. Ericksson T. and Jonassen K., Planta, 89: 85-89 1970 Chon lọc đột biến sinh hoá ở thuốc lá. Carlson P. S., Science, 168: 487-489. 1971 Takebe và cs đã tái sinh được cây từ tế bào trần mô thịt lá ở thuốc lá. Takebe I. et al., Naturewiss., 58: 318-320. 1972 Carlson và cs tạo được cây từ lai xa tế bào trần đầu tiên nhờ dung hợp tế bào trần của 2 loài thuốc lá Nicotiana glauca và N. langsdorfii. Carlson P. S. et al., P. N. A. S. (USA), 69: 2292-2294. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
12. 12 1973 Phát hiện cytokinin có khả năng phá ngủ ở Gerberas. Pierik R. L. M. et al., Sci. Hort., 1: 117-119. 1974 Zaenen và cs phát hiện plasmid Ti đóng vai trò là yếu tố gây u (crown gall) ở cây trồng. Zaenen I. et al., J. Molec. Biol., 86: 109-127; Larebeke N. van et al., Nature, 252: 169-170. 1974 Melchers và Lalib tạo được cây đa bội từ dung hợp tế bào trần đơn bội. Melchers G. and Lalib G., Mol. Gen. Genet. 135: 277-294. 1975 Gengenbach và Green chọn lọc dòng tế bào kháng bệnh nấm Helminthosporium maydis trong nuôi cấy mô sẹo ngô. Gengenbach B. G. and Green C. E., Crop Sci., 15: 645-649. 1977 Chilton và cs chuyển thành công T-DNA vào thực vật. Chilton M. D. et al., Cell, 11: 263-271. 1977 Noguchi và cs nuôi cấy tế bào thuốc lá trong bioreactor 20,000 L. Noguchi M. et al., Plant Tissue Culture & its Biotechnological Application, Springer Verlag, Berlin,: 85-94. 1978 Melchers và cs tạo được cây lai soma cà chua- thuốc lá bằng dung hợp tế bào trần. Melchers G. et al., Carlsburg Res. Comm., 43: 203-218. 1978 Tabata và cs nuôi tế bào thực vật ở quy mô công nghiệp phục vụ sản xuất shikonin (chọn lọc dòng tế bào cho sản lượng các sản phẩm thứ cấp cao hơn). Tabata M. et al., Frontiers of Plant Tissue Culture 1978, Univ. Calgary Press, Calgary,: 213-222. 1979 Marton và cs xây dựng quy trình chuyển gen vào tế bào trần bằng đồng nuôi cấy tế bào và Agrobacterium. Marton L. et al., Nature, 277: 129-131 1980 Alfermann và cs sử dụng các tế bào nuôi cấy trong chuyển hoá sinh học digitoxin thành digoxin. Alfermann A. W. et al., Planta Medica, 40: 218. 1981 Larkin và Scowcroft đưa ra thuật ngữ "biến dị soma" để chỉ các thay đổi di truyền tính trạng xảy ra do nuôi cấy mô và tế bào in vitro. Larkin P. J. and Scowcroft W. R., Theor. Appl. Gen., 60: 197-214. 1982 Krens đã chyển DNA vào tế bào trần. Krens F. A. et al., Nature, 296: 72-74. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
13. 13 1982 Zimmerman sử dụng kỹ thuật xung điện trong dung hợp tế bào trần. Zimmermann U., Biochim. Biophys. Acta, 694: 227-277. 1983 Công ty Mitsui Petrochemicals lần đầu tiên đã sản xuất chất trao đổi thứ cấp trên quy mô công nghiệp bằng nuôi cấy tế bào dịch lỏng Lithospermum spp. Mitsui Petrochemicals. 1983 Zambryski và cs thiết kế các vector chuyển gen thông qua Agrobacterium. Zambryski P. et al., EMBO J., 2: 2143-2150. 1984 Chuyển gen vào tế bào trần thuốc lá Nicotiana bằng ADN plasmid và tái sinh cây chuyển gen. Paszkowski J. et al., EMBO J., 3: 2717-2722. 1985 Fraley và cs thiết kế vector Ti plasmid đã loại bỏ các gen độc gây hại cho việc chuyển gen vào thực vật. Fraley R. T. et al., Bio/Technol., 3: 629-635. 1985 Horsch và cs chuyển gen vào mảnh lá bằng Agrobacterium tumefaciens và tái sinh cây chuyển gen. Horsch R. B. et al., Science, 227: 1229-1231. 1985 An và cs đã phát triển hệ thống hai vector cho chuyển gen thực vật. An G. et al., EMBO J., 4: 277-284. 1985 Chuyển gen vào tế bào trần cây một lá mầm và hai lá mầm bằng phương pháp điện thẩm. Fromm M. E., P. N. A. S. (USA), 82: 5824-5828. 1985 Flores và Filner lần đầu tiên sản xuất chất trao đổi thứ cấp từ nhân nuôi rễ tơ ở Hyoscyamus muticus. Những rễ này sản xuất nhiều hoạt chất hyoscyamine hơn cây tự nhiên. Flores H. E. and Filner P., Primary & Secondary Metabolism of Plant Cell Cultures. Springer Verlag, (Eds. Neumann K. H., Barz W. and Reinhard E.): 174-186. 1986 Crossway và cs chuyển gen vào tế bào trần thuốc lá bằng vi tiêm AND trực tiếp. Crossway A. et al., Mol. Gen. Genet., 202: 179-185. 1987 Klein và cs đã sử dụng súng bắn gen (Particle gun) mang vi đạn trong chuyển gen và tái sinh cây biểu hiện gen chuyển. Klein T. M. et al., Nature, 327: 70-73. 1987 Bytebier và cs lần đầu tiên đã chuyển gen vào cây một lá mầm (Asparagus) bằng Agrobacterium tumefaciens. Bytebier B. et al., P. N. A. S. (USA), 84: 5345- 5349. 1988 Klein và cs tái sinh cây chuyển gen ổn định thông qua phương pháp bắn gen. Klein T. M. et al., P. N. A. S. (USA), 85: 4305-4309. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
14. 14 1991 Sản xuất cây mang gen đầu tiên ở thông Larix decidua bằng chuyển gen qua Agrobacterium rhizogenes. Huang Y. et al., In vitro Cell Dev. Biol., 27: 201- 207. 1992 Lúa kháng chất diệt cỏ nhờ chuyển gen vào tế bào trần thông qua PEG. Dutta S. K. et al., Plant Mol. Biol., 20: 619-629. 1993 Kranz và Lorz thực hiện thụ tinh in vitro tạo ra và nuôi cấy phôi hợp tử ở ngô. Các quá trình phát triển và phân hoá của phôi sau đó đã được quan sát dưới kính hiển vi và phân tích biểu hiện của gen nhằm xác định các gen tham gia trong từng giai đoạn phát triển của phôi. Kranz E. and Lorz H., The Plant Cell, 5: 739- 746. 1994 Thương mại hoá giống cà chua chuyển gen 'Flavr-Savr' 1998 Hamilton và cs đã phát triển vector mang NST nhân tạo của hai vi khuẩn (BBIC) cho chuyển gen thông qua Agrobacterium (khả năng chuyển 150 kb). Hamilton C. M. et al., P. N. A. S. (USA), 93: 9975-9979 1.3 Sơ lược các kỹ thuật dùng trong nuôi cấy mô 1.3.1. Nuôi cấy phôi. Sự ghi nhận đầu tiên về nuôi cấy phôi là công trình của Charles Bonnet ở thế kỷ XVIII. Ông tách phôi Phascolus và Fagopyrum trong trong đất và nhận được cây nhưng là cây lùn. Từ đầu thế kỷ XX các công trình nuôi cấy phôi dần được hoàn thiện hơn. Từ các công trình nghiên cứu trước đó, Knudson (1922) đã nuôi cấy thành công phôi cây lan trong môi trường chứa đường và khám phá ra một điều là nếu thiếu đường thì phôi không thể phát triển thành protocom. Raghavan ( 1976, 7980) đã công bố rằng phôi phát triển qua hai giai đoạn dị dưỡng và tự dưỡng. Ở giai đoạn dị dưỡng ( tiền phôi) cần có các chất điều hoà sinh trưởng để phát triển. Trong giai đoạn tự dưỡng sự phát triển của phôi không cần chất điều hoà sinh trưởng. Đối với nuôi cấy phôi, như đã biết đường đóng vai trò rất quan trọng. Trong nhiều trường hợp thì đường sucrose cho kết qủa tốt hơn các đường khác. Ngoài ra một số chất tự nhiên như nước dừa, nước chiết malt, casein thuỷ phân, là những chất rất cần trong nuôi cấy phôi. Các chất kích thích sinh trưởng như GA 3, auxin, cytokinine thường được Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
15. 15 dùng nhiều trong nuôi cấy phôi. Auxin thường dùng ở nồng độ thấp. Kinetin có vai trò đặc biệt cho sự phát triển của phôi. Các yếu tố ngoại cảnh như nhiệt độ, ánh sáng cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của phôi nuôi cấy in vitro. Thường phôi nuôi cấy cần nhiệt độ và ánh sáng thấp hơn phôi phát triển tự nhiên. 1.3.2. Nuôi cấy mô và cơ quan tách rời Wetmore (1946) nuôi cấy đỉnh chồi cây nho dại, cùng với một số tác giả khác, ông đã chứng minh các bộ phận của cây đều có thể nuôi cấy khi gặp điều kiện thuận lợi. Lon và Ball (1946) với thí nghiệm nuôi cấy đỉnh chồi cây măng tây đã cho thấy khi nuôi các bộ phận của cây như lá, thân, hoa thì khả năng tạo mô sẹo nhiều hơn. Nhu cầu dinh dưỡng khi nuôi cấy các bộ phận khác nhau của cây là khác nhau nhưng có thể thấy một số yêu cầu chung như nguồn cacbon dưới dạng đường và các muối của các nguyên tố đa lượng ( nito, phospho, kali, calxi) và vi lượng ( Mg, Fe, Mn, Co,Zn, ). Ngoài ra cần một số chất đặc biệt như vitamin (B 1, B6, B3, ) và các chất điều hoà sinh trưởng. Muốn duy trì sinh trưởng và phát triển của cơ quan nuôi cấy cần thường xuyên cấy chuyền qua môi trường mới. Đối với nuôi cấy mô, ngoài những thành phần dinh dưỡng như đối với nuôi cấy cơ quan tách rời, cần bổ sung thêm các chất hữu cơ chứa ít nitơ dưới dạng acide amine, đường và inositol. Trong trường hợp nuôi cấy mô, các chất điều hoà sinh trưởng có vai trò quan trọng hơn vì các mô tách rời không có khử năng tổng hợp các chất này. 1.3.3. Nuôi cấy mô phân sinh Mô phân sinh thường là các mô đỉnh chồi và cành có kích thước 0,1mm÷ 1cm. Các mô phân sinh dùng để nuôi cấy thường tách từ các mầm non, các chồi mới hình thành hoặc các cành non. Đối với nuôi cấy mô phân sinh sự cân bằng giữa các chất điều hoà sinh trưởng rất quan trọng. Muốn kích thích tạo chồi cần bổ sung cytokinine hoặc tổ hợp cytokinine với auxin. Muốn tạo rễ thì bổ sung các auxin như NAA, IAA, Nuôi cấy mô phân sinh được sử dụng để loại virus tạo cây sạch virus và nhân giống in vitro. Nuôi cấy mô phân sinh còn được sử dụng để nghiên cứu quá trình hình thành cơ quan, tạo cây đa bội qua xử lý colchicin. 1.3.4. Nuôi cấy bao phấn Kỹ thuật nuôi cấy bao phấn đã phát triển và hoàn thiện nhờ công trình nghiên cứu của Bourgin và Nitsch (1967) trên cây thuốc lá, Niizeki và Oono (1968) trên lúa.Từ cuối Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
16. 16 những năm 1970 đã nhận được cây đơn bội từ nuôi cấy bao phấn trên 30 loại cây. Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy hạt phấn nuôi cấy có thể phát triển thành cây đơn bội hoàn chỉnh trong điều kiện nuôi cấy in vitro bằng con đường tạo phôi trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua tạo mô sẹo và tạo cơ quan. Hình 1.1 Một số kỹ thuật dùng trong nuôi cấy mô tế bào thực vật A. Mô sẹo từ Catharanthus roseus. (B)Nuôi cấy dịch tế bào từ Coryphanta spp. (C) Nốt sần C. roseus. (D) Đầu rễ từ C. roseus. (E)Tái sinh cây từ C. roseus callus. (F) Protoplasts từ Coffea arabica (G) Vi nhân giống của Agave tequilana. (H) Phôi vô tính của cây Coffea canephora. (I) Nuôi cấy rễ cây Psacalium decompositum. 1.3.5. Nuôi cấy tế bào đơn Ngoài khả năng nuôi cấy các cơ quan và mô thực vật, tế bào thực vật có thể được tách và nuôi riêng rẽ trong môi trường phù hợp. Những công trình về nuôi cấy tế bào đơn được tiến hành từ những năm 50 của thế kỷ XX. Tế bào đơn có thể nhận được bằng con đường nghiền mô, hoặc xử lý enzym. Mỗi lọai cây, mỗi loại tế bào khác nhau đòi hỏi những kỹ thuật nuôi cấy khác nhau. Nuôi cấy tế bào đơn được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tế bào, nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện khác nhau lên các quá trình sinh trưởng, phát triển và phân hoá của tế bào. Nuôi cấy tế bào đơn còn được sử dụng trong chọn dòng tế bào. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
17. 17 1.3.6. Nuôi cấy protoplast Nuôi cấy protoplats được phát triển nhờ công trình của Cocking (1960). Ông là người đầu tiên dùng enzym để thuỷ phân thành tế bào và tách được protoplast từ tế bào rễ cà chua. Trong điều kiện nuôi cấy phù hợp protoplast có thể tái sinh thành tế bào mới, phân chia và tái sinh thành cây hoàn chỉnh. Do không có thành tế bào nên protoplast trở nên một đối tượng lý tưởng trong nghiên cứu biến đổi di truyền ở thực vật. Bằng phương pháp dung hợp hai protoplast có thể tạo ra các cây lai soma. Ngoài ra còn có thể sử dụng kỹ thuật dung hợp protoplast để chuyển các bào quan và chuyển gene. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
18. 18 Chương 2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.1. Học thuyết tế bào Năm 1662, Robert Hooke đã thiết kế kính hiển vi đơn giản đầu tiên và quan sát được cấu trúc của miếng bấc bần bao gồm nhiều hạt nhỏ, ông gọi các hạt nhỏ đó là tế bào (cells). Năm 1675, Anton Van Leeuwenhoek xác nhận cơ thể động vật cũng bao gồm các tế bào. Ông quan sát dưới kính hiển vi thấy máu động vật có chứa các hồng cầu và ông gọi đó là các tế bào máu. Nhưng mãi đến năm 1838, Matthias Jacob Schleiden (nhà thực vật học) và 1839, Theodor Schwann (nhà động vật học) mới chính thức xây dựng học thuyết tế bào. Schleiden và Schwann khẳng định rằng: Mỗi cơ thể động thực vật đều bao gồm những thể tồn tại hoàn toàn độc lập, riêng rẽ và tách biệt, đó chính là tế bào. Có thể nói Schleiden và Schwann là hai ông tổ của học thuyết tế bào. Tuy nhiên, cả hai ông không phải là các tác giả đầu tiên phát biểu một nguyên tắc nào đó, mà chỉ là diễn đạt nguyên tắc ấy rõ ràng và hiển nhiên tới mức nó được phổ biến rộng rãi và cuối cùng đã được đa số các nhà sinh học thời ấy thừa nhận. 2.1.1. Tính toàn thế của tế bào (cell totipotency). Haberlandt (1902) là người đầu tiên đề xướng ra phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật để chứng minh cho tính toàn thế của tế bào. Theo ông mỗi một tế bào bất kỳ của một cơ thể sinh vật đa bào đều có khả năng tiềm tàng để phát triển thành một cá thể hoàn chỉnh.Như vậy mỗi tế bào riêng rẽ của một cơ thể đa bào đều chứa đầy đủ toàn bộ lượng thông tin di truyền cần thiết của cả sinh vật đó và nếu gặp điều kiện thích hợp thì mỗi tế bào có thể phát triển thành một cơ thể sinh vật hoàn chỉnh. Hơn 50 năm sau, các nhà thực nghiệm về nuôi cấy mô và tế bào thực vật mới đạt được thành tựu chứng minh cho khả năng tồn tại và phát triển độc lập của tế bào. Tính toàn thế của tế bào thực vật đã được từng bước chứng minh. Nổi bật là các công trình: Miller và Skoog (1953) tạo được rễ từ mảnh mô cắt từ thân cây thuốc lá, Reinert và Steward (1958) đã tạo được phôi và cây cà rốt hoàn chỉnh từ tế bào đơn nuôi cấy trong dung dịch, Cocking (1960) tách được tế bào trần và Takebe (1971) tái sinh được cây hoàn chỉnh từ nuôi cấy tế bào trần của lá cây thuốc lá. Kỹ thuật tạo dòng (cloning) các tế bào đơn được phân lập trong điều kiện in vitro đã chứng minh một thực tế rằng các tế bào soma, dưới các điều kiện thích hợp, có thể phân hóa để phát triển thành một cơ thể thực vật hoàn chỉnh. Sự phát triển của một cơ thể trưởng thành từ tế bào đơn (hợp tử) là kết quả của sự hợp nhất sự phân chia và phân Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
19. 19 hóa tế bào. Để biểu hiện tính toàn thế, các tế bào phân hóa đầu tiên trải qua giai đoạn phản phân hóa (dedifferentiation) và sau đó là giai đoạn tái phân hóa (redifferentiation). Hiện tượng tế bào trưởng thành trở lại trạng thái phân sinh và tạo ra mô callus không phân hóa (undifferentiation) được gọi là phản phân hóa, trong khi khả năng để các tế bào phản phân hóa tạo thành cây hoàn chỉnh (whole plant) hoặc các cơ quan thực vật được gọi là tái phân hóa. Ở động vật, sự phân hóa là không thể đảo ngược trở lại. Như vậy, sự phân hóa tế bào là kết quả cơ bản của sự phát triển ở những cơ thể bậc cao, nó thường được gọi là cytodifferentiation. 2.1.2. Thể bội và gen Gen quyết định các tính trạng ở thực vật. Có tính trạng tương ứng với một gen nhưng cũng có nhiều tính trạng liên quan đến nhiều gen, các tính trạng đó gọi là tính trạng đơn gen và tính trạng đa gen. Hai gen nằm trên một vị trí nhất định trên nhiễm sắc thể tương đồng gọi là allen. Tuy cùng tham gia quyết định một tính trạng nhưng mỗi allen qui định một đặc điểm riêng. Ví dụ màu hoa, một allen có thể mang thông tin di truyền cho hoa màu đỏ , allen kia cho hoa màu trắng.Trường hợp này ta có cá thể dị hợp tử về tính trạng màu hoa, nếu cả 2 allen đều mang thông tin di truyền cho màu đỏ thì ta có cá thể đồng hợp tử. Đối với cá thể dị hợp tử, một allen có thể là allen trội, allen còn lại là allen lặn. Allen trội quyết định tính trạng. Có trường hợp trội hoàn toàn và trội không hoàn toàn. Trội không hoàn toàn khi tổ hợp 2 allen sẽ cho tính trạng trung gian. Thể bội là danh từ chỉ số bộ nhiễm sắc thể có trong tế bào, mô, cá thể thực vật với qui định chung là ở các tế bào sinh sản có 1 bộ nhiễm sắc thể được gọi là thể đơn bội. Hợp tử, sản phẩm dung hợp của 2 giao tử đơn bội, có thể là nhị bội với số nhiễm sắc thể 2n. Tất cả các tế bào soma hình thành do sự phân chia hợp tử đều là nhị bội. Trên thực tế có thể tìm thấy cùng lúc nhiều mức bội thể khác nhau ở các mô khác nhau của cơ thể thực vật.(4n, 8n) Đólà hiện tượng đa bội hóa do nội giảm phân. Khoảng một nửa thực vật bật cao ở mức đa bội thể. Số nhiễm sắc thể cơ bản của loài là X ( là số đơn bội nhỏ nhất trong dãy đa bội), các cá thể có X nhiễm sắc thể được gọi là thể nhất bội để phân biệt với thể đơn bội. Ví dụ : cây lúa mì có 2n=42 . Trên thực tế nó là thể lục bội 6X, trong đó số nhiễm sắc thể cơ bản của loài là X=7. Thể đơn bội của cây lúa có n=3X=21 nhiễm sắc thể. 2.1.3.Thể bào tử và thể giao tử Thể bào tử gồm có hợp tử và tất cả các tế bào sản sinh từ hợp tử kể cả hạt phấn trong túi phấn và noãn. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
20. 20 Thể giao tử gồm có hạt phấn đã nảy mầm và tất cả các tế bào do nó sản sinh ra, bao gồm các giao tử. Khi 2 giao tử khác giống dung hợp, thể bào tử 2n được tái lập. Ở thực vật bậc cao, thể giao tử thường không quá 3 tế bào trong đó 2 tế bào là các giao tử. Ở các loài thực vật mức thể bội dao động theo chu trình sau: Thể bào tử (2n) Giảm phân Bào tử (n) Thụ tinh Thể bào tử đơn bội (n) giao tử (n) Thể giao tử (n) Sơ đồ 2.1. Chu trình dao động mức bội thể Ở thực vật bậc cao, thể giao tử ( trong các trường hợp đặc biệt, có thể phát triển thành bào tử đơn bội) chứa n nhiễm sắc thể. Thể bào tử đơn bội có thể ra hoa nhưng các bào tử hình thành không có sức sống. Tạo thể bào tử đơn bội và những cây đơn bội kép là mục đích của nuôi cấy túi phấn và hạt phấn. 2.1.4. Sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính Sinh sản vô tính là hiện tượng 1 cơ thể tạo ra các cơ thể mới từ một phần cơ quan sinh dưỡng của mình, không hề có sự tham của các yếu tố quy định giới tính, cơ thể con sinh ra hoàn toàn giống hệt cơ thể mẹ. Sinh sản vô tính có rất nhiều hình thức. Ở sinh vật đơn bào có phân đôi tế bào. Một số cơ thể đa bào bậc thấp thì một tế bào sinh dưỡng phân chia tạo ra một nhánh mới và sau đó tách ra khỏi cơ thể chính như ở thủy tức chẳng hạn, cũng có thể một mẫu của cơ thể mẹ đứt ra rồi nó mọc ra một cơ thể khác kiểu như tảo lam. Một số khác thì có hẳn một loại tế bào sinh sản riêng nhưng mà vẫn hoàn toàn không có tính chất giới tính gì cả mà chỉ là từ cơ thể mẹ tạo ra mà thôi. Đó chính là hiện tượng sinh sản vô tính bằng bào tử. Bào tử ở các cơ thể đơn bào có thể là khi môi trường bất lợi thì chúng tự rút nước ra khỏi tế bào, trở thành dạng tiềm sinh đợi thời cơ để sống lại. Ở sinh vật đa bào thì túi đựng các tế bào gọi là bào tử vô tính. Đến mùa sinh sản chúng sẽ phát tán các tế bào đó ra môi trường xung quanh. Khi gặp điều kiện thuận lợi thì mỗi bào tử tạo ra một cơ thể mới. Ở thực vật thì khác, nó tồn tại cả hai kiểu sinh sản vô Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
21. 21 tính và hữu tính. Sinh sản vô tính ở đây cũng là từ một phần của cơ thể mẹ tách ra và tạo ra một cơ thể mới. Sinh sản hữu tính phải có sự tham gia của các yếu tố quy định giới tính, bao gồm đực và cái. Các yếu tố này có thể ở trên cùng một cơ thể hay khác cơ thể, bản chất của các yếu tố đó là do các nhiễm sắc thể giới tính quy định. Sinh sản hữu tính cũng có nhiều kiểu. Kiểu sơ khai nhất là tiếp hợp, là hiện tượng hai tế bào đực, cái trao đổi nhân cho nhau. Sau đó là sinh sản hữu tính bằng bào tử như ở rêu, dương xỉ, Lên tới những lớp ở trên thì là thụ tinh với sự tham gia của các giao tử đực và cái, mỗi loại giao tử nằm ở các tế bào khác nhau. 2.2. Tế bào thực vật. Cơ thể sống cấu tạo từ một tế bào đơn độc hoặc một phức hợp các tế bào. Tế bào rất đa dạng, khác nhau về hình thái, kích thước, cấu trúc và chức năng. Tế bào động vật và tế bào thực vật là những biến đổi của cùng một kiểu cơ sở của đơn vị cấu trúc. Trên cơ sở đó học thuyết tế bào đã được hình thành do Mathias Schleiden và Theodor Schawn vào nữa đầu thế kỉ XIX. Thuật ngữ tế bào lần đầu tiên được Robert Hooke đặt ra vào năm 1665 dựa trên những quan sát các khoang nhỏ có vách bao quanh của nút bần và về sau ông còn quan sát thấy trên mô của nhiều cây khác. Nội chất của tế bào về sau mới được phát hiện và được gọi là chất nguyên sinh, còn thuật ngữ “thể nguyên sinh” là do Hanstein đề xướng năm 1880 để chỉ chất nguyên sinh có trong 1 tế bào đơn độc. Nhân được Robert Brown phát hiện năm 1831. Mỗi tế bào là một hệ thống mở, tự duy trì và tự sản xuất: tế bào có thể thu nhận chất dinh dưỡng, chuyển hóa các chất này thành năng lượng, tiến hành các chức năng chuyên biệt và sản sinh thế hệ tế bào mới nếu cần thiết. Mỗi tế bào chứa một bản mật mã riêng hướng dẫn các hoạt động trên. Mọi tế bào đều có một số khả năng sau: - Sinh sản thông qua phân bào - Trao đổi chất tế bào bao gồm thu nhận các vật liệu thô, chế biến thành các thành phần cần thiết cho tế bào, sản xuất các phân tử sinh năng lượng và các sản phẩm phụ. Để thực hiện được các chức năng của mình, tế bào cần phải hấp thu và sử dụng được nguồn năng lượng hóa học dự trữ trong các phân tử hữu cơ. Năng lượng này được giải phóng trong các con đường trao đổi chất - Tổng hợp các protein, đây là những phân tử đảm nhiệm những chức năng cơ bản của tế bào, ví dụ như enzyme. Một tế bào động vật thông thường chứa khoảng 10,000 loại protein khác nhau. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
22. 22 - Đáp ứng với các kích thích, hoặc thay đổi của môi trường bên trong và bên ngoài như những thay đổi về nhiệt độ, pH hoặc nguồn dinh dưỡng. - Di chuyển các túi tiết. 2.2.1. Cấu trúc của tế bào thực vật Các tế bào thực vật ở các cơ thể khác nhau, hoặc ở các mô, các cơ quan khác nhau của cùng một cơ thể sẽ không giống nhau vê hình dạng, kích thước và cấu trúc nhưng về bản chất cơ bản các tế bào đều có một số đặc điểm chung. Tế bào thực vật chia làm 2 phần chính: Thành tế bào và phần nguyên sinh chất, đây là phần quyết định những đặc tính sống chủ yếu của tế bào thực vật. Hình 2.1. Mô hình cấu trúc tế bào thực vật điển hình Mọi tế bào đều có màng tế bào, dùng để bao bọc tế bào, cách biệt thành phần nội bào với môi trường xung quanh, điều khiển nghiêm ngặt sự vận chuyển vào và ra của các chất, duy trì điện thế màng và nồng độ các chất bên trong và bên ngoài màng. Bên trong màng là một khối tế bào chất đặc (dạng vật chất chiếm toàn bộ thể tích tế bào). Mọi tế bào đều có các phân tử DNA, vật liệu di truyền quan trọng và các phân tử RNA tham gia trực tiếp quá trình tổng hợp nên các loại protein khác nhau, trong đó có các enzyme. Bên Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
23. 23 trong tế bào, vào mỗi thời điểm nhất định tế bào tổng hợp nhiều loại phân tử sinh học khác nhau. 2.2.1.1. Thành tế bào Thành tế bào là cấu trúc thiết yếu đối với nhiều quá trình sinh lí và phát triển của thực vật. Là lớp vỏ bao bọc, thành tế bào có vai trò như bộ khung xương qui định hình dạng tế bào. Thành tế bào có mối quan hệ mật thiết đến thể tích và áp suất của tế bào do đó rất cần thiết cho quá trình trao đổi nước bình thường ở thực vật. Thành tế bào thực vật tham gia xác định độ dài cơ học của cấu trúc thực vật, cho phép chúng sinh trưởng đến một độ cao khá lớn. Sự đa dạng về chức năng của thành tế bào bắt nguồn từ sự đa dạng và phức tạp trong cấu trúc của chúng. Nhìn chung các thành tế bào được chia thành hai nhóm chính: thành sơ cấp và thành thứ cấp. Thành sơ cấp hình thành bởi các tế bào đang tăng trưởng và thường được coi là tương đối chưa biệt hóa. Thành thứ cấp được hình thành sau khi tế bào đã ngừng tăng trưởng, có mức độ chuyên hóa cao cả về thành phần và cấu trúc. Trong thành tế bào sơ cấp các vi sợi xeluloza được gắn chặt trong một mạng lưới hydrat hóa cao. Mạng lưới này bao gồm số các nhóm polisaccarit thường là hemixenluloza và pectin cùng 1 lượng nhỏ protein cấu trúc. Bộ khung tế bào là một thành phần quan trọng, phức tạp và linh động của tế bào. Nó cấu thành và duy trì hình dáng tế bào; là các điểm bám cho các bào quan; hỗ trợ quá trình thực bào (tế bào thu nhận các chất bên ngoài); và cử động các phần tế bào trong quá trình sinh trưởng và vận động. các protein tham gia cấu thành bộ khung tế bào gồm nhiều loại và có chức năng đa dạng như định hướng, neo bám, phát sinh các tấm màng. 2.2.1.2. Các bào quan Không bào Không bào là một khoang lớn nằm trong trung tâm chất nguyên sinh của tế bào. Những tế bào thực vật trưởng thành thường có một không bào lớn chứa đầy nước và chiếm từ 80-90% thể tích tế bào. Không bào được bọc trong một lớp màng gọi là màng không bào (tonoplast). Trong không bào chứa nước, các muối vô cơ, đường, các enzim và nhiều chất trao đổi thứ cấp. Màng sinh chất Ranh giới giữa thành tế bào với chất nguyên sinh cũng như giữa chất nguyên sinh với không bào được hình thành bởi các màng. Màng sinh chất ngăn cách chất nguyên sinh với môi trường xung quanh nhưng cũng cho phép chất nguyên sinh có thể hấp thụ hay đào thải các chất khác ra khỏi tế bào. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
24. 24 Màng tế bào - Tấm áo ngoài Vỏ bọc bên ngoài của một tế bào eukaryote gọi là màng sinh chất (plasma membrane). Màng này cũng có ở các tế bào prokaryote nhưng được gọi là màng tế bào (cell membrane). Màng có chức năng bao bọc và phân tách tế bào với môi trường xung quanh. Màng được cấu thành bởi một lớp lipid kép và các protein. Các phân tử protein hoạt động như các kênh vận chuyển và bơm được nằm khảm vào lớp lipid một cách linh động (có thể di chuyển tương đối). Vỏ bọc bên ngoài của một tế bào eukaryote gọi là màng sinh chất (plasma membrane). Mạng lưới nội chất Mạng nội chất là một hệ thống màng phức tạo,thể hiện trên bản cắt ngang là hệ thống các túi dẹp hoặc các ống nhỏ gồm hai lớp màng và ở giữa là một khoảng hẹp Tế bào chất Bên trong các tế bào là một không gian chứa đầy dịch thể gọi là tế bào chất (cytoplasm). Nó bao hàm cả hỗn hợp các ion, chất dịch bên trong tế bào và cả các bào quan. Các bào quan bên trong tế bào chất đều có hệ thống màng sinh học để phân tách với khối dung dịch này. Chất nguyên sinh (cytosol) là để chỉ riêng phân dịch thể, chứ không có các bào quan.Đối với các sinh vật prokaryote, tế bào chất là một thành phần tương đối tự do. Tuy nhiên, tế bào chất trong tế bào eukaryote thường chứa rất nhiều bào quan và bộ khung tế bào. Chất nguyên sinh thường chứa các chất dinh dưỡng hòa tan, phân cắt các sản phẩm phế liệu, và dịch chuyển vật chất trong tế bào tạo nên hiện tượng dòng chất nguyên sinh. Nhân tế bào thường nằm bên trong tế bào chất và có hình dạng thay đổi khi tế bào di chuyển. Tế bào chất cũng chứa nhiều loại muối khác nhau, đây là dạng chất dẫn điện tuyệt vời để tạo môi trường thích hợp cho các hoạt động của tế bào. Môi trường tế bào chất và các bào quan trong nó là yếu tố sống còn của một tế bào. Nhân tế bào - trung tâm tế bào: Nhân tế bào là bào quan tối quan trọng trong tế bào eukaryote. Nó chứa các nhiễm sắc thể của tế bào, là nơi diễn ra quá trình nhân đôi DNA và tổng hợp RNA. Nhân tế bào có dạng hình cầu và được bao bọc bởi một lớp màng kép gọi là màng nhân. Màng nhân dùng để bao ngoài và bảo vệ DNA của tế bào trước những phân tử có thể gây tổn thương đến cấu trúc hoặc ảnh hưởng đến hoạt động của DNA. Trong quá trình hoạt động, phân tử DNA được phiên mã để tổng hợp các phân tử RNA chuyên biệt, gọi là RNA thông tin (mRNA). Các mRNA được vận chuyển ra ngoài nhân, để trực tiếp tham gia quá trình tổng hợp các protein đặc thù. Ở các loài Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
25. 25 prokaryote, các hoạt động của DNA tiến hành ngay tại tế bào chất (chính xác hơn là tại vùng nhân). Ribosome - bộ máy sản xuất protein: Ribosome có cả trong tế bào eukaryote và prokaryote. Ribosome được cấu tạo từ các phân tử protein và RNA ribosome ( rRNA). Đây là nơi thực hiện quá trình sinh tổng hợp protein từ các phân tử mRNA. Quá trình này còn được gọi là dịch mã vì thông tin di truyền mã hóa trong trình tự phân tử DNA truyền qua trình tự RNA để quyết định trình tự amino acid của phân tử protein. Quá trình này cực kỳ quan trọng đối với tất cả mọi tế bào, do đó một tế bào thường chứa rất nhiều phân tử ribosome—thường hàng trăm thậm chí hàng nghìn phân tử. Ty thể và lục lạp - các trung tâm năng lượng: Ty thể là bào quan trong tế bào eukaryote có hình dạng, kích thước và số lượng đa dạng và có khả năng tự nhân đôi. Ty thể có genome riêng, độc lập với genome trong nhân tế bào. Ty thể có vai trò cung cấp năng lượng cho mọi quá trình trao đổi chất của tế bào. Lục lạp cũng tương tự như ty thể nhưng kích thước lớn hơn, chúng tham gia chuyển hóa năng lượng mặt trời thành các chất hữu cơ (trong quá trình quang hợp). Lục lạp chỉ có ở các tế bào thực vật. Mạng lưới nội chất và bộ máy Golgi - nhà phân phối và xử lý các đại phân tử: Mạng lưới nội chất (ER) là hệ thống mạng vận chuyển các phân tử nhất định đến các địa chỉ cần thiết để cải biến hoặc thực hiện chức năng, trong khi các phân tử khác thì trôi nổi tự do trong tế bào chất. ER được chia làm 2 loại: ER hạt (rám) và ER trơn (nhẵn). ER hạt là do các ribosome bám lên bề mặt ngoài của nó, trong khi ER trơn thì không có ribosome. Quá trình dịch mã trên các ribosome của ER hạt thường để tổng hợp các protein tiết (protein xuất khẩu). Các protein tiết thường được vận chuyển đến phức hệ Golgi để thực hiện một số cải biến, đóng gói và vận chuyển đến các vị trí khác nhau trong tế bào. ER trơn là nơi tổng hợp lipid, giải độc và bể chứa calcium. Lysosome và peroxisome - hệ tiêu hóa của tế bào: Lysosome và peroxisome thường được ví như hệ thống xử lý rác thải của tế bào. Hai bào quan này đều dạng cầu, màng đơn và chứa nhiều enzyme tiêu hóa. Ví dụ, lysosome có thể chứa vài chục enzyme phân huỷ protein, nucleic acid và polysacharide mà không gây hại cho các quá trình khác của tế bào khi được bao bọc bởi lớp màng tế bào. Vật liệu di truyền - Yếu tố duy trì thông tin giữa các thế hệ: Vật liệu di truyền là các phân tử nucleic acid (DNA và RNA). Hầu hết các sinh vật sử dụng DNA để lưu trữ dài hạn thông tin di truyền trong khi chỉ một vài virus dùng RNA cho mục đích này. Thông tin di truyền của sinh vật chính là mã di truyền quy định tất cả protein cần thiết Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
26. 26 cho mọi tế bào của cơ thể. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây cho thấy có thể một số RNA cũng được sử dụng như là một bản lưu đối với một số gene đề phòng sai hỏng. Ở các sinh vật prokaryote, vật liệu di truyền là một phân tử DNA dạng vòng đơn giản. Phân tử này nằm ở một vùng tế bào chất chuyên biệt gọi là vùng nhân. Tuy nhiên, đối với các sinh vật eukaryote, phân tử DNA được bao bọc bởi các phân tử protein tạo thành cấu trúc nhiễm sắc thể, được lưu giữ trong nhân tế bào (với màng nhân bao bên ngoài). Mỗi tế bào thường chứa nhiều nhiễm sắc thể (số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi tế bào là đặc trung cho loài). Ngoài ra, các bào quan như ty thể và lục lạp đều có vật liệu di truyền riêng của mình (xem thêm thuyết nội cộng sinh). Ví dụ, một tế bào người gồm hai genome riêng biệt là genome nhân và genome ty thể. Genome nhân (là thể lưỡng bội) bao gồm 46 phân tử DNA mạch thẳng tạo thành các nhiễm sắc thể riêng biệt. Genome ty thể là phân tử DNA mạch vòng, khá nhỏ và chỉ mã hóa cho một vài protein quan trọng. 2.2.2. Các quá trình chức năng của tế bào 2.2.2.1. Sinh trưởng và trao đổi chất của tế bào Giữa những lần phân bào, các tế bào thực hiện hàng loạt quá trình trao đổi chất nội bào nhằm duy trì sự tồn tại cũng như sinh trưởng của mình. Trao đổi chất là các quá trình mà tế bào xử lý hay chế biến các phân tử dinh dưỡng theo cách riêng của nó. Các quá trình trao đổi chất được chia làm 2 nhóm lớn: Quá trình dị hóa (catabolism) nhằm phân huỷ các phân tử hữu cơ phức tạp để thu nhận năng lượng (dưới dạng ATP) và lực khử; Quá trình đồng hóa (anabolism) sử dụng năng lượng và lực khử để xây dựng các phân tử hữu cơ phức tạp, đặc thù và cần thiết. Một trong các con đường trao đổi chất quan trọng là đường phân (glycolysis), con đường này không cần oxy. Mỗi một phân tử glucose trải qua con đường này sẽ tạo thành 4 phân tử ATP và đây là phương thức thu nhận năng lượng chính của các vi khuẩn kị khí. Đối với các sinh vật hiếu khí, các phân tử pyruvat, sản phẩm của đường phân, sẽ tham gia vào chu trình Kreb (hay còn gọi là chu trình TCA) để phân huỷ hoàn toàn thành CO2, đồng thời thu nhận thêm nhiều ATP. Ở sinh vật eukaryote, chu trình TCA tiến hành trong ty thể trong khi sinh vật prokaryote lại tiến hành ở ngay tế bào chất. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
27. 27 2.2.2.2.Sinh tổng hợp protein Sơ đồ quá trình sinh tổng hợp protein: Trong vùng chất nhân, các gene được phiên mã thành những phân tử RNA. Sau khi thực hiện các sửa đổi sau phiên mã, phân tử mRNA trưởng thành được vận chuyển ra tế bào chất để tiến hành tổng hợp protein tại đây. Các ribosome tiến hành dịch mã của mRNA nhờ mối liên kết hydro theo nguyên tắc bổ sung giữa bộ ba mã sao trên mRNA với bộ ba đối mã trên tRNA tương ứng. Những phân tử protein sau khi được tổng hợp thường được tiến hành một số sửa đổi cho phù hợp với chức năng, ví dụ gắn thêm các gốc đường Sinh tổng hợp protein là quá trình tế bào tổng hợp những phân tử protein đặc trưng và cần thiết cho hoạt động sống của mình. Quá trình phiên mã là quá trình tổng hợp những phân tử RNA thông tin dựa trên trình tự khuôn của DNA. Trên khuôn mRNA mới được tạo ra, một phân tử protein sẽ được tạo thành nhờ quá trình dịch mã. Bộ máy tế bào chịu trách nhiệm thực hiện quá trình tổng hợp protein là những ribosome. Ribosome được cấu tạo từ những phân tử RNA ribosome và khoảng 80 loại protein khác nhau. Khi các tiểu đơn vị ribosome liên kết với phân tử mRNA thì quá trình dịch mã được tiến hành. Khi đó, ribosome sẽ cho phép một phân tử RNA Hình 2.2. Quá trình vận chuyển (tRNA) mang một loại amino acid đặc trưng đi sinh tổng hợp protein vào. tRNA này bắt buộc phải có bộ ba đối mã có trình tự bổ sung với bộ ba mã sao trên mRNA. Các amino acid lần lượt tương ứng với trình tự các bộ ba nucleotide trên mRNA sẽ liên kết với nhau để tạo thành một chuỗi polypeptide. 2.2.2.3.Hình thành các tế bào mới Phân bào là quá trình sinh sản từ một tế bào (gọi là tế bào mẹ) phân chia thành hai tế bào non. Đây là cơ chế chính của quá trình sinh trưởng của sinh vật đa bào và là hình thức sinh sản của sinh vật đơn bào. Những tế bào prokaryote phân chia bằng hình thức phân cắt (binary fission) hoặc nảy chồi (budding). Tế bào eukaryote thì sử dụng hình thức Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
28. 28 phân bào là nguyên phân (mitosis) (một hình thức phân bào có tơ). Những tế bào lưỡng bội thì có thể tiến hành giảm phân để tạo ra tế bào đơn bội. Những tế bào đơn bội đóng vai trò giao tử trong quá trình thụ tinh để hình thành hợp tử (lưỡng bội). Trong phân bào, quá trình nhân đôi DNA (dẫn đến nhân đôi nhiễm sắc thể) đóng vai trò cực kỳ quan trọng và thường diễn ra tại kỳ trung gian giữa các lần phân chia. Các pha trong chu kỳ tế bào: Pha G0 là một giai đoạn của chu kỳ tế bào cell cycle mà tế bào ở trạng thái lặng yên. Pha G1 là pha phát triển đầu tiên của chu kỳ. Pha S, trong pha này DNA được sao chép, chữ S xuất phát từ synthesis of DNA có nghĩa là tổng hợp DNA (còn gọi là axít nhân ADN: Axít Dezoxy riboNucleic). Pha G2 là pha phát triển thứ hai, cũng là pha chuẩn bị cho tế bào phân chia. Pha M, hay pha phân bào mitosis, và trạng thái hoạt động của tế bào (cytokinesis), sự phân chia tế bào thực sự đã diễn ra để tạo thành hai tế bào mới giống nhau. Hệ thống kiểm soát, còn gọi là các điểm kiểm soát, kiểm tra các tổn thương của DNA và các sai sót trong các quá trình quan trọng của chu kỳ tế bào. Trong trường hợp có sự không tương thích nào đó, các điểm kiểm soát có thể chặn quá trình luân chuyển qua các pha của chu kỳ tế bào. Chẳng hạn như, điểm kiểm soát điều khiển sao chép DNA và giữ cho tế bào sao chép hoàn toàn DNA trước khi bước vào quá trình phân bào (mitosis). Cũng vậy, điểm kiểm soát con thoi (spindle checkpoint) sẽ ngăn cản quá trình chuyển dịch từ pha biến kỳ (metaphase) sang pha hậu kỳ trong (anaphase) trong quá trình phân bào nếu như không có đủ tất cả các nhiễm sắc thể (chromosomes) tập trung đính vào thoi phân bào. Nếu hệ thống này phát hiện có điều gì bất thường, thì một mạng lưới các phân tử dẫn truyền thông tin (signal transduction) sẽ hướng dẫn tế bào ngưng phân chia ngay. Chúng còn cón thể giúp cho tế bào biết được có thể sửa chữa tổn thương hay không hay là khởi động quá trình tế bào chết được lập trình, một dạng của nó được gọi là apoptosis. Quá trình tế bào chết được lập trình giúp hạn chế các tế bào tổn thương phát triển. Ví dụ như, một protein, được gọi là p53, nhận cảm các tính hiệu xuất phát từ các DNA tổn thương. Nó đáp ứng bằng cách kích thích sản xuất ra các protein ức chế để dừng quá trình sao chép DNA lại. Nếu chức năng của p53 không hoạt động đúng thì dẫn đến việc ứ đọng Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
29. 29 các DNA tổn thương không được kiểm tra. Hậu quả trực tiếp của điều đó là các gene tổn thương sẽ phát triển sang các dạng ung thư. Ngày nay, những thăm dò cho thấy p53 được phối hợp với nhiều loại ung thư khác nhau như là một vài dạng ung thư vú và ung thư đại tràng. Một vài tế bào như là tế bào thần kinh, không bao giờ phân chia khi đó nó luôn dừng lại ở pha G 0. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây cho thấy ở những trường hợp tổn thương chết tế bào thì tế bào thần kinh vẫn có thể đi vào lại chu kỳ tế bào. Ngoài ra các chất ức chế chu kỳ tế bào ngăn cản tế bào khỏi cái chết được lập trình được biết như là apoptosis. 2.3. Thực vật Cơ thể thực vật được cấu tạo từ những đơn vị hình thái được gọi là tế bào, mỗi tế bào được liên kết với những tế bào khác bởi chất kết dính gian bào bao quanh. Trong khối liên kết đó có những nhóm tế bào khác biệt về hình thái hoặc về chức năng hoặc cả hai với những nhóm khác. Nhũng nhóm như thế được gọi là mô. Một số mô cấu tạo đơn giản, chỉ gồm một loại tế bào, những mô khác phức tạp hơn gồm nhiều hơn một kiểu tế bào Các mô tế bào trong cơ thể thực vật đều có nguồn gốc từ hợp tử tức là từ tế bào trứng đã thụ tinh qua các giai đoạn phát triển của phôi và sau đó phát triển thành cơ thể trưởng thành. Cơ thể thực vật sinh trưởng nhờ có mô phân sinh. Mô phân sinh ngọn phân chia và phân hóa thành các phần mới của chồi và rễ. Đó là sự sinh trưởng sơ cấp. Sự sinh trưởng thứ cấp ở thực vật hai lá mầm và hạt trần là do hoạt động của mô phân sinh thứ cấp được gọi là tầng phát sinh. Trong sự sinh trưởng thứ cấp còn có tầng phân sinh bần là mô phân sinh thứ cấp hình thành nên chu bì. Tầng phát sinh và tầng sinh bần được gọi là mô phân sinh bên vì nó ở vị trí bên của than và rễ để phân biệt với mô phân sinh sơ cấp là mô phân sinh ngọn. Cơ thể thực vật có phôi phát triển kể từ khi hạt nảy mầm gồm rễ phát triển xuống đất và chồi gồm thân mang lá phát triển trong khí quyển. Sự phát triển của chồi và rễ là từ các tế bào của mô phân sinh ngọn. Thân lá và rễ được gọi là cơ quan dinh dưỡng. Khi trưởng thành thì hoa được hình thành. Sau sự thụ phấn là sự thụ tinh và sự hình thành phôi, hạt và quả. Những cơ quan đó được gọi là cơ quan sinh sản. Chu trình phát triển của cơ thể thực vật có thể kể từ khi hợp tử hình thành và kết thúc trước khi xảy ra sự thụ tinh của các giao tử để tạo nên thế hệ sau. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
30. 30 2.3.1. Sự nẩy mầm của hạt và sự phát triển của cây con a. Sự nẩy mầm của hạt Sự nẩy mầm của hạt bắt đầu khi hạt hấp thu rất nhiều nước và tăng thể tích lên một cách đáng kể, có khi đến 200%. Kết quả của sự hấp thu nước này làm cho phôi giải phóng gibberellin, và đây là yếu tố cảm ứng để tổng hợp một số các enzim thủy giải trong đó có cả amylaza. Những enzim này thủy phân những chất dự trữ trong phôi nhũ, cung cấp năng lượng cho sự tăng trưởng của phôi. Tế bào bắt đầu phân cắt, tổng hợp thêm tế bào chất mới, gia tăng kích thước nhờ sự hấp thu nước. Phôi tăng trưởng làm bung vỏ hạt ra và nhanh chóng hình thành một cây con, có rễ và thân phân biệt. Hình 2.3. Sự nảy mầm của hạt Khi hạt nẩy mầm, trục hạ diệp được mọc ra trước tiên. Trục hạ diệp mọc xuống theo chiều trọng lực, dù hạt nằm theo hướng nào. Cùng lúc đó trục thượng diệp bắt đầu phát triển nhanh chóng, rễ mầm ở phần cuối của trục hạ diệp, tạo ra một hệ thống rễ con để gắn vào trong đất và hấp thu nước và muối khoáng. Ở một số cây song tử diệp, phần trên của trục hạ diệp mọc dài ra thành dạng hình vòm, mọc ngược lên và chui ra khỏi mặt đất. Khi trục hạ diệp lộ ra ngoài không khí, nó mọc thẳng lên, tử diệp và trục thượng diệp được đưa ra khỏi mặt đất. Sau đó trục thượng diệp bắt đầu mọc dài ra. Ðây là kiểu nẩy mầm thượng địa. Những cây Song tử diệp khác, thí dụ như đậu Hà lan, Nhản có một kiểu nẩy mầm hơi khác, ở những cây này, trục hạ diệp không mọc thành hình vòm và tử diệp không Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
31. 31 được đưa lên khỏi mặt đất. Thay vào đó là trục thượng diệp bắt đầu mọc dài ra ngay sau khi hệ thống rễ con bắt đầu được hình thành; nó luôn luôn mọc thẳng đứng và chẳng bao lâu nhô ra khỏi mặt đất. Kiểu nẩy mầm này tương tự như ở hạt Lúa, Bắp thuộc các cây đơn tử diệp, chỉ có một tử diệp, nhưng giàu phôi nhũ . Ðây là kiểu nẩy mầm hạ địa. Ở Bắp trục thượng diệp bắt đầu dài ra ngay sau khi hệ thống rễ được thành lập. Thân non được diệp tiêu (lá đầu tiên hình ống) bao bọc. b. Sự phát triển của cây con Ðầu tiên cây con tăng trưởng hơi chậm, nhưng sau đó tăng trưởng với một tốc độ nhanh hơn trong một thời gian dài hơn và cuối cùng chậm lại và có thể dừng tăng trưởng khi cây sắp trưởng thành. Ở những cây đa niên, sự tăng trưởng tiếp tục xảy ra trong suốt đời sống của cây, trong khi ở những cây nhất niên như các cây Ðậu, cây Củ cải tăng trưởng ngừng lại khi cây trưởng thành và cây chết đi sau một mùa sinh trưởng. Sự tăng trưởng của rễ và thân của cây con có được là nhờ sự phân cắt và sự tăng dài của tế bào. Hai hoạt động này chịu ảnh hưởng của nhiều hormon sinh trưởng khác nhau, đặc biệt là auxin, gibberellin và cytokinin. Ở những cây chỉ có mô sơ cấp thì sự phân cắt tế bào và sự tăng dài của tế bào tùy thuộc vào sự hoạt động của hai mô phân sinh ngọn rễ và ngọn thân. 2.3.2. Sự tăng trưởng của rễ và thân a. Sự tăng trưởng của rễ Sự hoạt động của mô phân sinh ngọn rễ làm cho rễ tăng trưởng. Mô phân sinh rễ được bảo vệ bởi một chóp rễ hình nón, gồm một khối tế bào không phân cắt được. Khi rễ mọc dài ra và đầu rễ mọc sâu vào trong đất thì một số tế bào ở mặt ngoài của chóp rễ có thể bị tổn thương và sau đó được thay thế bằng những tế bào mới do sự phân cắt tế bào của mô phân sinh ngọn. Ngay sau của chóp rễ là vùng mô phân sinh ngọn rễ, vùng này ngắn và gồm những tế bào nhỏ có khả năng phân chia tích cực. Phần lớn các tế bào mới được tạo ra nằm xa chóp rễ. Mô phân sinh tiếp tục phân cắt cho tế bào mới và đầu rễ tiếp tục mọc sâu vào trong đất. Chính các tế bào được tạo ra từ mô phân sinh này sẽ thành lập mô sơ cấp cho rễ. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
32. 32 Khi các tế bào được mới được đẩy ra khỏi vùng mô phân sinh ngọn, do số lượng tế bào tăng lên sự phân cắt chậm lại thì sự gia tăng kích thước tế bào là quá trình chính. Phần lớn sự tăng kích thước làm rễ tăng trưởng chiều dài nhiều hơn là chiều rộng. Sự tăng dài của tế bào chịu tác động của các hormon mà đặc biệt là auxin và gibberellin. Vùng tế bào tăng dài nhiều nhất là vùng ngay sau vùng mô phân sinh và thường dài chỉ vài milimet. Kế tiếp là vùng tế bào trưởng thành, nơi đây tế bào bắt đầu trưởng thành và có hình thành dạng đặc trưng. Vùng này dễ nhận biết nhờ các lông hút được mọc dài ra từ những tế bào biểu bì. b. Sự tăng trưởng của thân Sự phân cắt tế bào ở mô phân sinh Hình 2.4 Cấu tạo của rễ ngọn thân tạo ra mô sơ cấp của thân và khối sơ khởi của lá Các tế bào mới được tạo ra từ mô phân sinh ngọn thân gần đỉnh ngọn, mọc dài đẩy ngọn thân thẳng đứng lên. Sự tăng trưởng của thân khác với sự tăng trưởng của rễ là có sự tạo ra lá ở phía Hình 2.5. Ảnh cắt dọc của chồi ngọn bên của đỉnh ngọn thân. Cách khoảng đều đặn mô phân sinh ngọn thân tạo ra những khối sơ khởi của lá (leaf primordia), sau này sẽ tạo ra những lá mới. Nơi lá mọc ra từ thân gọi là mắt (node) và khoảng giữa hai mắt là lóng (internode). Phần lớn thân dài ra là do sự tăng dài của tế bào ở những lóng còn non. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
33. 33 Ở đỉnh của thân là một chuỗi những lóng chưa được mọc dài ra. Những khối sơ khởi của lá rất nhỏ ngăn cách các lóng uốn cong; các khối sơ khởi già hơn, to hơn của lá bao lấy các khối sơ khởi trẻ hơn, nhỏ hơn ở bên trong. Cấu trúc gồm mô phân sinh ngọn và các lóng chưa được tăng dài được bao bọc trong các khối sơ khởi của lá được gọi là chồi (bud). Ở những cây tăng trưởng theo mùa thì chồi được bảo vệ bởi những vảy, là những lá biến đổi mọc từ dưới đáy của chồi. Vào mùa xuân, khi các chồi ngủ này nở ra, thì các vảy che chở rụng đi và những lóng chứa bên trong các chồi bắt đầu tăng dài một cách nhanh chóng. Do đó các lóng sẽ dần dần được tách xa nhau ra, sự phân cắt tế bào xảy ra ở khối sơ khởi của lá và tạo ra lá non. Trước khi lá được hình thành một cách hoàn chỉnh, một u nhỏ của mô phân sinh thường mọc ra ở giữa đáy lá và lóng. Mỗi một vùng mô phân sinh mới này sẽ tạo ra một chồi bên (lateral, axillary bud) có đặc điểm tương tự như chồi ngọn . Sự tăng dài của các lóng của chồi bên trong mùa sinh trưởng kế tiếp sẽ tạo ra nhánh. 2.3.3. Sự chuyên hóa của tế bào Tất cả những tế bào mới được sinh ra từ mô phân sinh thì cơ bản giống nhau, chúng sẽ trở thành các loại mô khác nhau. Quá trình tế bào thay đổi từ những hình dạng chưa trưởng thành đến trưởng thành gọi là sự chuyên hóa (differentiation). Trong sự tăng trưởng của rễ và thân, tế bào bắt đầu chuyên hóa thành các loại mô khác nhau khi chúng vẫn còn ở trong vùng mô phân sinh. Sau khi sự phân cắt tế bào và sự tăng dài của tế bào đã hoàn tất, tế bào bắt đầu trưởng thành có hình dạng nhất định. Ở lát cắt ngang có thể phân biệt được ba vùng đồng tâm ngay sau mô phân sinh của rễ đó là lớp tiền bì (protoderm), kế tiếp là một vùng mô căn bản dày nằm ngay dưới tiền bì và trong cùng là mô tiền dẫn truyền (provascular tissue) gồm những tế bào. Ngay trong phôi, tiền bì ngoài trở thành biểu bì, mô căn bản trở thành vỏ và nội bì, phần trong cùng tạo ra mô dẫn truyền sơ cấp, chu luân và tượng tầng libe gỗ. Sự chuyên hóa trong thân đang tăng trưởng cũng theo cách tương tự ngoại trừ có hai vùng mô căn bản, một vùng nằm giữa tiền bì và trụ tiền dẫn truyền sẽ tạo ra vỏ và nội bì, và một vùng thứ hai nằm trong trụ tiền dẫn truyền sẽ trở thành lõi. Sự tăng trưởng theo đường kính của rễ và thân tùy thuộc vào sự thành lập mô thứ cấp do sự hoạt động của những mô phân sinh bên, đặc biệt là tượng tầng libe gỗ. Dưới ảnh hưởng của auxin, những tế bào mới được tạo ra ở phía ngoài của tượng tầng sẽ chuyên hóa thành mô libe thứ cấp, trong khi đó những tế bào mới được tạo ra ở phía trong của tượng tầng sẽ tạo nên mô gỗ thứ cấp. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
34. 34 Hình 2.6. Sự chuyên hoá của rễ non Thực vật có xu hướng mọc về hướng có ánh sáng. Ðặt một chậu cây trong phòng, cây sẽ mọc cong hướng về phía cửa sổ, nếu xoay cây hướng vào trong, sau một thời gian ngắn cây lại mọc hướng về phía cửa sổ. Hiện tượng cây đáp ứng lại với ánh sáng bởi sự xoay này được gọi là quang hướng động (phototropism) của thực vật. Thực vật còn có các tính hướng động khác như địa hướng động (gravitropism) là đáp ứng của cây hướng theo chiều của trọng lực, thủy hướng động (hydrotropism) đáp ứng với nước. Ðáp ứng này là do sự sinh trưởng chuyên hóa; một phía của thân cây hay rễ mọc nhanh hơn phía bên kia, làm cho cây cong đi. Thân có quang hướng động dương, xoay về hướng có ánh sáng; rễ thì ngược lại, có quang hướng động âm, xoay tránh ánh sáng. Ý nghĩa thích nghi của quang hướng động ở thân là xoay thân để lá nhận được ánh sáng tối đa cần thiết cho sự quang hợp. 2.4. Phòng thí nghiệm 2.4.1. Các thiết bị , dụng cụ cần thiết của phòng thí nghiệm nuôi cấy mô Một phòng thí nghiệm nuôi cấy mô tế bào thường bao gồm: -Phòng rửa dụng cụ -Phòng chuẩn bị môi trường, hấp tiệt trùng và chứa dụng cụ Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
35. 35 - Phòng cấy vô trùng - Phòng nuôi mẫu - Phòng quan sát và thu nhận số liệu Sơ đồ tổng quan như sau: 1 2 3 4 5 6 10 9 8 7 1.Phòng rửa và sản xuất nước cất 2. Phòng sấy hấp, kho thủy tinh sạch 3. Phòng chuẩn bị môi trường 4. Phòng chuẩn bị mẫu 5. Phòng cấy vô trùng 6. Phòng ảnh 7. Phòng kính hiển vi 8. Phòng nuôi 9.Phòng nuôi 10. Phòng sinh hóa Bên cạnh phòng thí nghiệm cần có hệ thống nhà lưới và vườn ươm để trồng cây lấy nguyên liệu nuôi cấy và trồng cây tái sinh trong quá trình chọn lọc ìnvitro. a. Phòng rửa và cất nước: Phòng rửa dụng cụ phải có bồn rửa lớn , có đường thoát nước riêng cho axit, có kệ để các thiết bị: - Máy cất nước một lần - Máy cất nước hai lần - Máy sản xuất nước khử ion b.Phòng sấy hấp: - Tủ sấy 60-6000C (loại có dung tích lớn) - Nồi áp suất loại nhỏ (20-30 lít) - Nồi áp suất loại lớn (70-100 lít) c.Phòng chuẩn bị môi trường: Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
36. 36 - pH meter - Máy khuấy từ - Cân phân tích 10-4 g - Cân kỹ thuật 100-2g - Máy rót môi trường - Bếp điện - Microwave - Tủ lạnh 100-200 l - Tủ lạnh sâu (-20 đến -800C) d. Phòng cấy vô trùng Phòng cấy vô trùng nên là một phòng nhỏ, kín, sàn và tường cần được lát gạch men hoặc sơn để lau chùi và khử trùng thường xuyên. Cửa phòng cấy nên là cửa kính vì trong khi thao tác cấy rất dễ bị phụt đèn cồn do đó cần phải dễ liên lạc với bên ngoài trong lúc cần thiết. Trên tường gắn đèn UV để khử trùng phòng. Có hai loại tủ cấy thường được sử dụng: tủ cấy tĩnh và tủ cấy thổi khí vô trùng. Trong tủ cấy phải có đèn trắng để dễ làm việc và có đèn UV để khử trùng trước khi làm việc - Laminar -Quạt thông gió - Đèn tử ngoại treo trần hoặc treo tường - Thiết bị lọc không khí - Giá và bàn để môi trường - Bộ dụng cụ cấy, đèn cồn e. Phòng nuôi mẫu cấy: Tất cả các mẫu cấy đều được nuôi trong điều kiện nhiệt độ ánh sáng, độ ẩm, độ dài chiếu sáng, độ thông khí thích hợp. Phòng nuôi có nhiệt độ 15-30 0C tùy theo mẫu cấy và mục đích của thí nghiệm. Nhiệt độ phải được phân bố đều trong toàn phòng nuôi, phải có đầy đủ ánh sáng huỳnh quang và có thể điều khiển được cường độ và thời gian chiếu sáng. Phòng nuôi phải được thổi khí đồng nhất và biên độ độ ẩm được điều chỉnh từ 20-98%. - Phòng nuôi sáng: tường nên sơn màu trắng. Các giá đèn được lắp đèn ống để chiếu sáng. Trong phòng cần gắn các máy móc kiểm tra chính xác nhiệt độ, độ ẩm. - Phòng nuôi tối để nuôi mô sẹo và các xử lí đặc biệt. Phòng cần tất cả các điều kiện như phòng sáng chỉ khác là không cần lắp đèn chiếu sáng cho cây, cửa sổ cần được che kín bằng vải đen. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
37. 37 - Các giàn đèn huỳnh quang nhiều ngăn, có độ chiếu sáng ở chỗ để bình nuôi cấy từ 2000-3000 lux. - Máy điều hòa nhiệt độ - Máy lắc nằm ngang 100-200 vòng/phút - Các thiết bị và dụng cụ nuôi cấy tế bào đơn -Tủ ấm. f. Phòng sinh hóa : Phòng này dùng để tiến hành các phân tích sinh hóa, phân tử và di truyền. - Tủ hút, tủ ấm - Cân các loại - Máy cắt tiêu bản - Máy đo pH - Ly tâm lạnh - Máy điện di, máy soi AND - Máy PCR,máy sắc kí,quang phổ - Tủ lạnh thường, tủ lạnh sâu - Lò vi sóng - Pipet tự động các loại - Máy soi và chụp ảnh gel -Các tủ đựng hóa chất, tủ hút khí độc. * Các nhân tố đảm bảo thành công trong nuôi cấy mô tế bào thực vật: có 3 nhân tố chính: - Đảm bảo điều kiện vô trùng. -Chọn đúng môi trường và chuẩn bị môi trường đúng cách - Chọn mô cấy và xử lí mô cấy thích hợp trước và sau khi cấy. 2.4.2. Các thủ tục cơ bản trong phòng thí nghiệm: 2.4.2.1. Cân Việc chuẩn bị môi trường đòi hỏi thao tác cân phải chính xác. Trước hết cân phải được đặt ở vị trí ổn định, không bị rung, không khí không bị dao động nhiều. Cân và dĩa cân phải được giữ gìn sạch sẽ. Quan trọng nhất là không được cân qúa trọng lượng cho phép và nên sử dụng các vật đựng hóa chất có trọng lượng nhỏ hoặc bằng giấy khi cân. Không được để hóa chất tiếp xúc trực tiếp với mặt cân. 2.4.2.2. Đong chất lỏng Các dụng cụ thủy tinh có chia vạch (ống hút có chia độ, cốc thủy tinh có chia vạch, ống đong) cần thiết để pha môi trường. Ống đong có thể tích 10,20,100 và 1000ml Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
38. 38 được sử dụng để đong những chất lỏng có thể tích lớn còn ống hút có chia độ, bình định mức dung để đong những thể tích cần chính xác. Đong các dung dịch chỉ chính xác khi đáy của không khí ngang với vạch đánh dấu. 2.4.2.3. Xác định độ pH Độ pH của môi trường cấy hầu hết được chỉnh ở 5,5 +-0,1 trước khi hấp khử trùng. Độ pH ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của các ion trong môi trường khoáng, khả năng đông tụ agar và sự tăng trưởng của tế bào. Vì vậy xác định chính xác độ pH là cần thiết. Murashige và Shoog nhận thấy rằng pH 5,7-5,8 thích hợp để duy trì sự hòa tan các chất khoáng trong môi trường MS. Nếu môi trường MS được sử dụng ở dạng lỏng thì có thể chỉnh pH ở 5, môi trường cấy huyền phù có pH thấp phần nào giảm bớt tính trạng nhiễm. Độ pH của môi trường thường được điều chỉnh bằng NaOH hoặc HCl sau khi đã pha xong môi trường và chuẩn bị đưa và hấp khử trùng. Có thể chỉnh pH bằng pH kế để bàn, pH kế cầm tay hoặc giây đo pH. Thường thì nhiệt độ cao sẽ làm tăng tính axit của môi trường. Mann và cộng sự nhận thấy rằng nếu trước khi hấp pH=5,7 thì sau khi hấp pH =5, Nếu muốn pH =5,7-5,9 thì trước khi hấp khử trùng cần điều chỉnh pH đến 7. 2.4.2.4. Rửa dụng cụ thủy tinh và bình nuôi cấy bằng plastic Thông thường bình nuôi cấy sau khi sử dụng cần phải được rửa kỹ bằng xà bông bột cho hết các chất bám trên thành chai rồi tráng lại nhiều lần bằng nước sạch cuối cùng tráng lại bằng nước cất. Các dụng cụ thủy tinh bị quá bẩn cần phải được ngâm trong axit HCl hoặc sulfuric sau đó rửa sạch bằng nước máy và tráng bằng nước cất. Các bình môi trường bị nhiễm trùng trong quá trính nuôi cấy cần phải được hấp tiệt trùng trước khi rửa. Các dụng cụ thủy tinh sau khi rửa phải được sấy khô trong tủ sấy và được cất cẩn thận. 2.5. Đảm bảo điều kiện vô trùng 2.5.1. Ý nghĩa của vô trùng trong nuôi cấy mô và tế bào thực vật Môi trường để nuôi cấy mô và tế bào thực vật có chứa đường, muối khoáng, vitamin rất thích hợp cho các loại nấm và vi khuẩn phát triển. Do tốc độ phân bào của nấm và vi khuẩn lớn hơn nhiều so với các tế bào thực vật, nếu trong môi trường nuôi cấy bị nhiễm bào tử nấm hoặc vi khuẩn thì sau vài ngày sẽ phủ đầy vi khuẩn hoặc nấm,khi đó mô nuôi cấy sẽ chết dần thí nghiệm phải bỏ đi. Thông thường một chu kì nuôi cấy mô và tế bào thực vật dài từ 1-5 tháng, trong khi thí nghiệm vi sinh vật có thể kết thúc trong một vài ngày. Như vậy mức độ vô trùng trong thí Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
39. 39 nghiệm nuôi cấy mô và tế bào thực vật đòi hỏi rất nghiêm ngặt, điều kiện này đặc biệt quan trọng trong nuôi cấy tế bào đơn trong các bioreactor. Có 3 nguồn nhiễm tạp chính: - Dụng cụ thủy tinh, môi trường và nút đậy không được vô trùng tuyệt đối. - Trên bề mặt hoặc bên trong mô nuôi cấy tồn tại các sợi nấm, bào tử vi khuẩn. - Trong quá trình thao tác làm rơi nấm hoặc vi khuẩn theo bụi lên môi trường. 2.5.2.Khử trùng 2.5.2.1. Khử trùng phòng cấy và tủ cấy Phòng cấy thường là phòng có diện tích hẹp, rộng từ 10-15m 2, có hai lớp của để tránh không khí chuyển động từ bên ngoài trực tiếp đưa bụi vào. Sàn và tường được lát gạch men để dễ lau chùi. Trước khi đưa vào sử dụng buồng cấy cần được xử lí bằng hơi Formol bằng cách rót formaldehyde (formalin)4% ra một số dĩa petri để rãi rác vài nơi trong phòng cho bốc hơi tự nhiên. Đóng kín cửa phòng cấy trong 24 giờ, sau đó bỏ formaldehyde đi và khử hơi formaldehyde dư bằng dung dịch NH3 25% trong 24 giờ. Các dụng cụ mang vào buồng cấy đều vô trùng trước: tủ quần áo choàng, mũ vải, khẩu trang, dao kéo Trên bàn cấy thường xuyên có một đèn cồn để sử dụng khi cấy và một cốc đựng cồn 95% để nhúng dụng cụ làm việc Trước khi cấy, thí nghiệm viên cần rửa tay bằng xà phòng và lau kỹ đến khuỷu tay bằng cồn 90 0. Để đảm bảo mức độ vô trùng cao cần có một đèn tử ngoại treo trên trần. Phòng cấy lớn được khử trùng tiện nhất là bằng đèn cực tím.Thời gian khử trùng tùy theo kích thước của phòng và đèn cực tím chỉ được sử dụng khi không có người. Phòng cũng có thể được khử trùng bằng cách lau rửa hai lần/tháng với các dung dịch chống nấm. Phòng nhỏ hơn và tủ cấy cũng được khử trùng bằng tia cực tím hay các dung dịch khử trùng. Tủ cấy thổi gió được khử trùng bằng cách mở quạt gió và lau tất cả các bề mặt bằng cồn 95% trong 15 phút trước khi bắt đầu làm việc. Phòng nuôi cũng được khử trùng trước hết là bằng xà bông bột. Sau đó lau bằng dung dịch hypoclorit sodium 2% hoặc bằng cồn 95%. Tất cả sàn, trần đều được lau như vậy mỗi tuần. Cẩn thận không nên khuấy động những nơi bị nhiễm để tránh phát tán bào tử.Cần giảm sự chuyển động của không khí trong buồng cấy đến mức tối thiểu vì vậy tất cả các dụng cụ phục vụ việc cấy đều phải chuẩn bị đầy đủ để trong khi cấy tránh đi lại ra vào buồng cấy nhiều lần. 2.5.2.2. Khử trùng bình cấy và các dụng cụ khác a. Dụng cụ: Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
40. 40 Dụng cụ thủy tinh dung cho nuôi cấy mô và tế bào thực vật phải là bình thủy tinh trong suốt để ánh sáng qua được ở mức tối đa và trung tính để tránh kiềm từ bình thủy tinh gây ảnh hưởng đến sự phát triển của mô nuôi cấy. Cần rửa sạch dụng cụ thủy tinh trước khi đưa vào sử dụng. Thông thường chỉ cần xử lí bằng sulfochromate một lần đầu khi đưa vào sử dụng về sau chỉ cần rửa sạch bằng xà phòng, tráng nhiều lần bằng nước máy cuối cùng tráng bằng nước cất. Sauk hi để ráo nước dụng cụ thủy tinh cần được vô trùng bằng cách sấy ở 160 0C/giờ. Sau khi nguội được lấy ra cất vào chỗ ít bụi. Dụng cụ kim loại, giấy nhôm cần được khử trùng bằng không khí nóng (130- 1700C) trong 2-4 giờ trong tủ sấy. Tất cả các vật dụng này phải được gói kín trước khi khử trùng nhưng không được gói bằng giấy vì giấy bị phân rã ở 170 0C. Không nên hấp khử trùng dụng cụ kim loại vì điều kiện nóng ẩm sẽ làm cho kim loại bị rỉ sét và bị ăn mòn. Trước khi sử dụng các dụng cụ đã được khử trùng bằng không khí nóng, các dụng cụ được lấy ra khỏi giấy gói, nhúng vào cồn 95 0 và đốt trên ngọn lửa đèn cồn. Sauk hi dùng xong, dụng cụ này phải được đốt lại bằng cồn trước khi sử dụng tiếp. Khi sử dụng cồn cần lưu y đến sự an toàn tối đa vì rất dễ bị phụt. Autoclave là phương pháp khử trùng bằng hơi nước dưới áp suất nhất định.Nút gòn, vải, các dụng cụ thủy tinh, bình nuôi cấy bằng plastic, nút cao su, pipet, nước, môi trường khoáng đều có thể khử trùng bằng nồi hấp. Gần như tất cả vi sinh đều bị chết bởi hơi nước trong nồi hấp trong 10-15 phút ở 1210C. b. Nút đậy: Thường dùng nhất là nút đậy làm bằng bông không thấm nước. Nút phải tương đối chặt để đảm bảo bụi không đi qua được, đồng thời nước từ môi trường không bị bốc hơi quá dễ dàng trong quá trính nuôi cấy. Bông không thấm nước là loại nút đơn giản nhất nhưng có nhược điểm sau: + Nếu khi hấp nút bông bị ướt hoặc dính môi trường thì về sau sẽ bị nhiễm nấm nhất là các thí nghiệm nuôi cấy trong thời gian dài. +Thao tác làm nút bông chậm, không thuận tiện khi nuôi cấy trên qui mô lớn. + Chỉ dùng được một vài lần sau phải bỏ. Hiện nay người ta sử dụng nhiều loại nắp đậy khác nhau để thay thế nút bong. Các hãng sản xuất dụng cụ nuôi cấy mô cung cấp loại nắp ống nghiệm và bình tam giác bằng nhựa chịu nhiệt có thể hấp ở 120 0C mà không bị biến dạng. Một số phòng thí nghiệm sử dụng nắp inox hoặc cao su rất thuận tiện cho việc vôt trùng. Các dung dịch mẹ dùng để pha chế môi trường (dung dịch muôi khoáng, vitamin ) cần được bảo quản trong tủ lạnh. Dung dịch vitamin nên chia thành nhiều loại Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
41. 41 nhỏ và bảo quản trong ngăn đá của tủ lạnh. Không nên pha một lượng quá lớn dung dịch mẹ các chất sinh trưởng, thường chỉ nên dùng các lọ có dung tích 100-200 ml. c. Khử trùng môi trường khoáng: Để khử trùng môi trường khoáng thường sử dụng hai phương pháp hấp tiệt trùng và lọc bằng màng lọc vô trùng. Môi trường nuôi cấy, nước cất và các hóa chất ổn định khác có thể chứa trong bình thủy tinh và đậy bằng nút gòn, giấy nhôm hoặc nắp nhựa. Tuy nhiên môi trường có các chất không bền nhiệt thì cần sử dụng phin lọc milipore. Nói chung môi trường khoáng được hấp tiệt trùng ở 121 0C, 1 atm. Với những thể tích nhỏ (100 ml hoặc ít hơn) thời gian khử trùng là15-20 phút. Với lượng môi trường lớn thì phải khử trùng trong 30-40 phút. Áp suất không nên cao quá 1 atm vài áp suất cao sẽ làm phân hủy carbohydrate và các phức hợp nhạy cảm với nhiệt độ Bảng 2.1 . Thời gian tối thiểu để hấp khử trùng môi trường nuôi cấy mô ở0C 121 (Burgerr, 1988) Thể tích môi trường (ml) Thời gian khử trùng tối thiểu (phút) 20-25 24 50 26 100 28,5 250 31,5 500 35 1000 40 2000 48 3000 55 4000 63 Nhiều loại protein, vitamin, amino axit, hormone không bền nhiệt vì vậy nên dùng phin lọc micropore để khử trùng. Phin lọc milipore hoặc phin lọc seitz đều có thể sử dụng với kích thước lỗ không lớn hơn 0,2 m. Các bình đựng thủy tinh cần phải được hấp tiệt trùng trước khi lọc. Môi trường khoáng có chất không bền nhiệt có thể được tiến hành chuẩn bị theo các bước sau: đầu tiên các chất khoáng bền với nhiệt độ được hấp tiệt trùng, sau đó làm lạnh xuống còn 50-600C trong điều kiện vô trùng khi đó những chất không bền với nhiệt độ sẽ được lọc vô trùng. Dung dịch đã khử trùng này sẽ phối hợp với nhau trong điều kiện vô trùng để tạo ra một môi trường hoàn chỉnh 2.5.2.3.Khử trùng mẫu cấy thực vật Các loại mẫu cấy thường được sử dụng trong nuôi cấy mô Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
42. 42 Về mặt nguyên tắc, các tế bào còn sống đã phân hóa đều có khả năng phản phân hóa trở lại trạng thái trẻ hóa và tái lập khả năng phân chia. Tuy nhiên có thể nhận xét chung là các mô đang phát triển mạnh (mô phân sinh ngọn, tượng tầng ) khi đặt vào môi trường có chứa một lượng chất sinh trưởng thích hợp đều có khả năng tạo mô sẹo cao. Để bắt đầu nghiên cứu nhân giống vô tính một cây nhất định, trước tiên người ta chú y đến chồi nách và mô phân sinh ngọn.Các mô thực vật thường được sử dụng để nuôi cấy là: - Đỉnh sinh trưởng thân, rễ - Chồi bên - Tượng tầng - Vảy củ - Chồi ngọn - Nhu mô lá, nhu mô vỏ thân - Chồi nảy từ củ Cần biết là tuy mang một lượng thông tin di truyền như nhau, các mô khác nhau trên cùng một cây có thể cho các mô sẹo phát triển khác nhau với khả năng tái sinh chồi, rễ hay cây hoàn chỉnh rất khác nhau. Vì vậy khi khởi đầu chọn giống, nhân giống một cây cụ thể trước hết cần tìm hiểu phản ứng của các bộ phận khác nhau của cây trong nuôi cấy ở các nồng độ chất sinh trưởng khác nhau. Khử trùng mẫu cấy là việc làm khó vì mẫu sống không thể khử bằng nhiệt độ cao mà phải giữ được bản chất sinh học của nó. Do đó mẫu cấy thực vật phải được khử trùng bằng các dung dịch khử trùng. Các dung dịch khử trùng thường dùng là hypoclorit calcium, hypoclorit sodium, chlorua thủy ngân, oxi già Tỉ lệ vô trùng thành công phụ thuộc thời gian khử trùng và nồng độ các chất khử trùng và khả năng xâm nhập của chúng vào các kẽ lách lồi lõm trên bề mặt mô nuôi cấy, khả năng đẩy hết các bọt khí bám trên bề mặt mô nuôi cấy. Các dung dịch dùng để khử trùng mẫu phải bảo vệ được mô thực vật nhưng thời gian khử trùng phải đủ để tiêu diệt nguồn gây nhiễm là nấm và vi khuẩn. Các mẫu cấy khi chọn lựa phải được rửa trước bằng xà phòng dưới dòng nước chảy rồi mới cho vào ngâm trong dung dịch khử trùng Để tăng tính linh động và khả năng xâm nhập của chất diệt khuẩn, thông thường người ta xử lí mô nuôi cấy trong cồn 70% trong 30 giây, sau đó mới xử lí trong dung dịch diệt khuẩn. Trong thời gian xử lí, mô cấy phải được ngập hoàn toàn trong dung dịch diệt khuẩn. Khi xử lí xong mô cấy được rửa nhiều lần trong nước cất vô trùng (3-5 lần). Những phần trên mô cấy bị tác nhân vô trùng làm cho trắng phải cắt bỏ trước khi đặt mô cấy lên môi trường. Để tránh ảnh hưởng trực tiếp của tác nhân vô trùng lên mô Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
43. 43 cấy, nên chú y để lại một lớp bọc ngoài khi ngân mô vào dung dịch diệt khuẩn. Lớp cuối cùng này sẽ được cắt bỏ hoặc bóc đi trước khi đặt mô cấy lên môi trường. Đối với những mẫu khó khử trùng thì việc xử lí mẫu phải được lặp lại sau 24-48 h trước khi cấy. Điều này cho phép những vi sinh vật chưa chết có thời gian phát triển đến giai đoạn nhạy cảm với thuôc khử trùng. Bảng 2.2. Nồng độ và thời gian sử dụng 1 số chất diệt khuẩn xử lí mô cấy thực vật Stt Chất khử trùng Nồng độ Thời gian khử Hiệu quả trùng (phút) 1 Hypochlorite 9-10% 5-30 Rất tốt calcium 2 Hypochlorite 0,5-5% 5-50 Rất tốt sodium 3 Nước bromine 1-2% 2-10 Rất tốt 4 Oxy già 3-12% 5-15 Tốt 5 Chlorua thủy 0,1-1% 2-10 Tốt ngân 6 Nitrate bạc 1% 5-30 Tốt 7 Kháng sinh 4-50mg/l 30-60 khá Các chất kháng sinh trên thực tế ít được sử dụng vì tác dụng không triệt để và có ảnh hưởng xấu ngay lên sự sinh trưởng của mô cấy. Việc xử lí thành công nguồn gây nhiễm phần lớn phụ thuộc vào kỹ thuật xử lí trong nuôi cấy vô trùng. Các nguồn gây nhiễm là bụi tóc, tay, quần áo vì vậy trong khi cấy phải rửa tay,lau bằng cồn 70 0 tới khủy tay, tay áo phải xoắn cao lên, kẹp tóc gọn Không nói chuyện hoặc nhảy mũi trong khi đang cấy. Khi cấy không nên chạm tay vào mặt trong của bình cấy cũng như các dụng cụ cấy. Không đưa vào tủ cấy các bình cấy đã bị nhiễm vì bào tử có thể phát tán trong tủ cấy. 2.6. Môi trường Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong sự tăng trưởng và phát triển hình thái của tế bào và mô thực vật trong nuôi cấy mô là thành phần môi trường nuôi cấy. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
44. 44 Thành phần môi trường nuôi cấy tế bào và mô thực vật thay đổi tùy theo loài và bộ phận nuôi cấy. Đối với cùng một mẫu cấy nhưng tùy theo mục đích thí nghiệm thì thành phần môi trường cũng sẽ thay đổi tùy theo giai đoạn phân hóa của mẫu cấy. 2.6.1. Thành phần hoá học của các môi trường nuôi cấy mô, tế bào thực vật Môi trường nuôi cấy mô và tế bào thực vật tuy rất đa dạng nhưng đều gồm một số thành phần cơ bản sau: - Các muối khoáng đa lượng và vi lượng - Các vitamin - Các amino axít - Nguồn các- bon: một số các loại đường - Các chất điều hoà sinh trưởng - Các chất hữu cơ bổ sung: nước dừa, dịch chiết nấm men, dịch chiết khoai tây, bột chuối khô - Chất làm thay đổi trạng thái môi truờng: các loại thạch (agar) Tất cả các hợp chất này đều tham gia vào một hoặc nhiều chức năng trong sự sinh trưởng và phân hoá của thực vật nuôi cấy in vitro. Các nhà khoa học sử dụng các môi trường nuôi cấy rất khác nhau. Việc lựa chọn môi trường nuôi cấy với thành phần hoá học đặc trưng phụ thuộc vào một số yếu tố: - Đối tượng cây trồng hoặc mô nuôi cấy khác nhau có nhu cầu khác nhau về thành phần môi trường. - Mục đích nghiên cứu hoặc phương thức nuôi cấy khác nhau (nuôi cấy tạo mô sẹo phôi hoá hoặc phôi vô tính, nuôi cấy tế bào trần hoặc dịch lỏng tế bào, vi nhân giống ) - Trạng thái môi trường khác nhau (đặc, lỏng, bán lỏng ). 2.6.1.1. Các chất khoáng Đối với cây trồng, các chất vô cơ đóng vai trò rất quan trọng. Ví dụ, Mg là một phần của phân tử diệp lục, Ca là thành phần của màng tế bào, N là thành phần quan trọng của amino axít, vitamin, protein và các axít nucleic. Tương tự, Fe, Zn và Mo cũng là thành phần của một số enzym. Các môi trường khác nhau có hàm lượng và thành phần chất khoáng khác nhau, ví dụ thành phần và nồng độ khoáng của môi trường White hoặc Knop khá nghèo nàn, nhưng lại rất giàu ở môi trường MS và B5. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
45. 45 Muối khoáng là thành phần không thể thiếu trong các môi trường nuôi cấy mô và tế bào thực vật: - Muối khoáng là các vật liệu (nguồn N, S, P ) cho sự tổng hợp các chất hữu cơ. Nitơ, lưu huỳnh, phốt-pho là các thành phần không thể thiếu của các phân tử protein, các axít nucleic và nhiều chất hữu cơ khác. Canxi và axít boric được tìm thấy chủ yếu ở thành tế bào, đặc biệt là canxi có nhiệm vụ quan trọng giúp ổn định màng sinh học. - Đóng vai trò như một thành phần không thể thiếu của nhiều enzym (là các co- factor): Magie, kẽm, sắt và nhiều nguyên tố vi lượng là những phần quan trọng của các enzym. - Các ion của các muối hoà tan đóng vai trò quan trọng ổn định áp suất thẩm thấu của môi trường và tế bào, duy trì thế điện hoá của thực vật. Ví dụ, K và C rất quan trọng trong điều hoà tính thấm lọc của tế bào, duy trì điện thế và tham gia hoạt hoá nhiều enzym. Trong môi trường, các muối khoáng được chia thành các nguyên tố vi lượng và đa lượng: - Các chất dinh dưỡng đa lượng bao gồm sáu nguyên tố: nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg) và sulphur (S) tồn tại dưới dạng muối khoáng, là thành phần của các môi trường dinh dưỡng khác nhau. Tất cả các nguyên tố này là rất cần thiết cho sinh trưởng của mô và tế bào thực vật. Môi trường nuôi cấy phải chứa ít nhất 25 mmol/L nitrate và potassium. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều cho thấy nguồn N cung cấp trong môi trường dưới cả 2 dạng nitrate và amonium (2-20 mmol/L) là tốt hơn cả. Trong trường hợp chỉ dùng amonium, thì cần phải bổ sung thêm một acid dạng mạch vòng (cycle acids), tricarboxylic acid hoặc một số acid khác nữa (dạng muối), như: citrate, succinate, hoặc malate sao cho mọi ảnh hưởng độc do nồng độ của amonium vượt quá 8 mmol/L trong môi trường được giảm bớt. Khi các ion nitrate và amonium cùng hiện diện trong môi trường nuôi cấy, thì ion sau được sử dụng nhanh hơn. Các nguyên tố chính khác, như: Ca, P, S và Mg, nồng độ thường dùng trong khoảng 1-3 mmol/L. 2.6.1.2. Các nguyên tố đa lượng a. Nguồn carbon (C) Đường sucrose (saccharoza) là nguồn cacbon chủ yếu và được sử dụng thường xuyên trong hầu hết các môi trường nuôi cấy mô, kể cả khi mẫu nuôi cấy là các chồi xanh có khả năng quang hợp. Khi khử trùng, đường sucrose bị thuỷ phân một phần, thuận lợi hơn cho cây hấp thụ. Trong một số trường hợp, ví dụ nuôi cấy mô cây một lá mầm, đường glucose tỏ ra tốt hơn so với sucrose. Mô thực vật có khả năng hấp thu một số Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
46. 46 đường khác như maltose, galatose, lactose, mannose, thậm chí tinh bột, nhưng các loại đường này hầu như rất ít được sử dụng trong nuôi cấy tế bào và mô thực vật. Mô và tế bào thực vật nuôi cấy in vitro sống chủ yếu theo phương thức dị dưỡng, mặc dù ở nhiều trường hợp chúng có thể sống bán dị dưỡng nhờ điều kiện ánh sáng nhân tạo và lục lạp có khả năng quang hợp. Vì vậy, việc đưa vào môi trường nuôi cấy nguồn carbon hữu cơ là điều bắt buộc. Nguồn carbon thông dụng nhất đã được kiểm chứng là sucrose, nồng độ thích hợp phổ biến là 2-3%, song cũng còn phụ thuộc vào mục đích nuôi cấy mà thay đổi có khi giảm xuống tới 0,2% (chọn dòng tế bào) và tăng lên đến 12% (cảm ứng stress nước). Tiếp đến là glucose cũng thường được đưa vào môi trường nuôi cấy và cho hiệu quả tương đương sucrose (glucose thường dùng cho nuôi cấy protoplast), còn fructose cho hiệu quả kém hơn. Sucrose, trong khi khử trùng môi trường, bị biến đổi thành glucose và fructose. Trong tiến trình này, đầu tiên glucose sẽ được sử dụng và sau đó là fructose. Các carbohydrate khác, như: lactose, galactose, rafinose, maltose, cellobiose, melibiose và trehalose cũng đã được thí nghiệm, nhưng tỏ ra kém hiệu quả và chỉ được dùng trong những trường hợp đặc biệt. Các dạng polysaccharide như tinh bột, pectine, dextrine cũng có thể dùng cho nuôi cấy, tuy nhiên những loại tế bào được nuôi trên môi trường có chứa một trong các polysaccharide trên nhất định phải thể hiện khả năng thủy phân thông qua các enzyme chẳng hạn như amylase. Có những chủng tế bào nuôi cấy giải phóng ra môi trường chứa tinh bột khá nhiều amylase. Chuyển chúng lên môi trường chỉ chứa sucrose lượng amylase thải ra sẽ giảm ngay. Glycerin cũng có thể được tế bào sử dụng. Mannitol hoặc sorbitol hoàn toàn trung tính vì không thâm nhập vào bên trong tế bào, nhưng chúng được sử dụng rộng rãi trong nuôi cấy huyền phù và nuôi cấy protoplast với chức năng là chất ổn định áp suất thẩm thấu, hoặc tương tự sucrose chúng cũng được dùng để cảm ứng stress nước. Các loại rượu như ethanol, methanol ít hiệu quả, còn propanol và butanol thì rất độc. Acid hữu cơ thường không phải là nguồn carbon thích hợp cho tế bào nuôi cấy. Thí nghiệm với các acid: folic, succinic, pyruvic và keto-glutaric chỉ đạt 15% sinh trưởng so với sucrose. Các mô và tế bào thực vật trong môi trường nuôi cấy ít có khả năng tự dưỡng và vì thế cần thiết phải bổ sung nguồn carbon bên ngoài để cung cấp năng lượng. Thậm chí các mô bắt đầu lục hóa hoặc hình thành diệp lục tố dưới các điều kiện đặc biệt trong suốt quá trình nuôi cấy đã không tự dưỡng carbon. Việc bổ sung nguồn carbon bên ngoài vào môi trường làm tăng phân chia tế bào và tái sinh các chồi xanh. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
47. 47 Sự thủy phân từng phần sucrose xuất hiện khi môi trường được khử trùng. Các tế bào và mô nuôi cấy đã sinh trưởng trên môi trường có sucrose được khử trùng bằng autoclave tốt hơn trên môi trường có sucrose được khử trùng bằng màng lọc (filter). Điều này cho thấy các tế bào thích hợp với nguồn dự trữ có sẵn của glucose và fructose do thủy phân sucrose khi khử trùng bằng autoclave. Sử dụng fructose được khử trùng bằng autoclave không được đề cập đến vì nó có thể gây bất lợi cho sinh trưởng của mô. b. Nitơ (N): - Thành phần chính của hầu hết các môi trường là nitơ vô cơ dưới dạng nitrat (NO 3 + ) hoặc amonium (NH ). Các muối được dùng phổ biến là kali nitrat (KNO ), nitrat amon 4 3 (NH NO ) và canxi nitrat (Ca(NO ) .4H O). Những hợp chất này cung cấp nitơ vô cơ 4 3 3 2 2 cho thực vật để tổng hợp các phân tử chất hữu cơ phức tạp. Mô , tế bào thực vật trong nuôi cấy có thể sử dụng nitrogen khoáng như aminonium và nitrate, đồng thời cũng sử dụng các dạng nitrogen hữu cơ như amino acid. Tỉ lệ amonium và nitrate thay đổi tùy theo loài và trạng thái phát triển của mô. Nitrate được cung cấp dưới dạng muối Ca(NO3)2.4H2O, KNO3, NaNO3 hoặc NH4NO3. Amonium được cung cấp dưới dạng (NH4)2SO4 hoặc NH4NO3. Trong một số ít + + trường hợp có thể cung cấp dưới dạng urea. Tổng nồng độ của NO 3 và NH4 trong môi trường nuôi cấy thay đổi tùy theo đối tượng nuôi cấy và mục đích nghiên cứu. Amonium chủ yếu được dự trữ ở rễ như nguồn nitơ hữu cơ. Nitrat có thể được vận chuyển theo mạch xylem đến các bộ phận của cây, tại đó nó sẽ tham gia vào quá trình đồng hoá nitơ. Nitrat có thể được dự trữ ở không bào và thực hiện chức năng quan trọng trong việc điều chỉnh sự thẩm thấu và cân bằng ion của cây trồng. Sự biến đổi nitrat: Nitrat không thể sử dụng ngay lập tức để sinh tổng hợp các chất hữu cơ phức tạp mà trước tiên cần phải được khử thành amoniac. Phản ứng diễn ra như sau: - + - - NO + 8H + 8e → NH + 2 H O + OH 3 3 2 Phản ứng này được thực hiện qua 2 bước nhờ hai enzym: nitrat- và nitrit reductaza. Trước tiên, nitrat được biến đổi thành nitrit nhờ nitrat reductaza. Tiếp theo, nitrit bị khử thành amoniac nhờ enzym nitrit reductaza. Sự biến đổi của nitrat thành nitrit diễn ra trong tế bào chất. Trong hầu hết các cây trồng, sự khử nitrat có thể diễn ra ở cả lá và đỉnh chồi. Sự khử nitrat diễn ra ở mức độ nào phụ thuộc rất lớn vào các nhân tố như: Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
48. 48 loài, tuổi cây, nồng độ nitrat. Cụ thể, các loài cây thân gỗ có khả năng khử nitrat rất cao. Khi nồng độ nitrat thấp, sự khử hầu như diễn ra ở rễ. Ngược lại, nếu nồng độ nitrat cao thì quá trình này diễn ra cả ở lá. Các cation kết hợp với nitrat có vai trò quan trọng trong + việc hấp thu nitrat. Nếu cation là K thì hoạt động của enzym nitrat reductaza ở rễ thấp và 2+ nitrat sẽ được vận chuyển lên các đỉnh chồi của cây. Trong trường hợp cation là Ca thì sự khử ở rễ lại diễn ra mạnh hơn. Sự khử nitrit thành NH nhờ enzym nitrit reductaza diễn ra trong lá cây, trong đó 3 điện tử cần thiết cho phản ứng này được cung cấp từ sự khử các hợp chất sắt trong hệ thống quang hợp. Sự khử nitơ chứa trong các hợp chất: Amonium và amoniac là những chất độc đối với thực vật ngay ở nồng độ thấp. Do đó chúng cần được chuyển hoá thật nhanh thành các hợp chất phân tử lượng nhỏ có chứa N như: asparagin, arginin, allantoin và betain. Sinh tổng hợp glutamin và glutamat diễn ra cả ở rễ và đỉnh chồi là các quá trình cơ bản trong sự chuyển hoá amonium. Bên cạnh sự khử độc tính của amonium và amoniac, các hợp chất chứa nitơ phân tử lượng thấp còn có một số chức năng khác. Chức năng quan trọng nhất là cung cấp N trong các liên kết hữu cơ và -NH được thực vật hấp thụ như nguồn N hữu cơ cho quá 2 trình sinh tổng hợp các amino axít và protein. Các hợp chất phân tử lượng nhỏ này còn được sử dụng làm chất mang cation như Mn, Cu để vận chuyển các cation qua hệ thống mạch dẫn trong cây. Ngoài ra, chúng còn như một kho dự trữ nitơ dư thừa. Ngược lại với con người và động vật, thực vật không thể bài tiết các hợp chất nitơ hữu cơ như urê nhưng nhờ cơ chế này đã cho phép thực vật dự trữ được nitơ hữu cơ. c. Phospho (P): Photpho là nguyên tố quan trọng trong đời sống thực vật . Nó tham gia vào việc vận chuyển năng lượng, sinh tổng hợp protein, acid nuclêic và tham gia cấu trúc của màng. Trong môi trường nuôi cấy, Photpho được cung cấp dưới dạng mono hay dihydrogenphosphate potasium hay sodium. Ion photphate hóa trị 1 và 2 có thể chuyển - đổi lẫn nhau tùy theo pH. Ion H2PO4 chiếm ưu thế ở pH nhỏ hơn 7, đây là đặc tính của hầu hết môi trường nuôi cấy mô tế bào thực vật cũng là ion dễ được thực vật hấp thụ nhất. Photpho thường được cung cấp dưới dạng photphate hòa tan hạn chế. Nồng độ photphate hòa tan cao trong môi trường sẽ làm giảm sự tăng trưởng của mô, có thể do calcium và một số nguyên tố vi lượng bị kết tủa trong môi trường hoặc bị giảm hấp thu vào trong mô. Nồng độ ion photphate cho vào môi trường cao nhất là 18,9 mM, trung bình là 1,7 mM, hầu hết các môi trường chứa photphate khoảng 1.3 mM. Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật
49. 49 2- Phospho ở dạng HPO được hấp thụ nhờ hệ thống rễ của thực vật và ngược lại với 4 nitrat, sunfat, nó không bị khử. Nó có thể có mặt trong thực vật dưới dạng P vô cơ hoặc dạng hợp chất este (R-O-P). Năng lượng thu được khi giải phóng một nguyên tử P khỏi các liên kết (cao năng lượng) là rất quan trọng đối với quá trình trao đổi chất của tế bào. Axit nucleic : P là một nguyên tố thiết yếu trong cấu tạo của DNA và RNA để nối các đơn phân tử axít ribonucleic để tạo thành đại phân tử. Phospholipid: Phospholipid của màng sinh học cũng có chứa một lượng lớn P. Trong những phospholipid này, P (qua liên kết este) tạo nên cầu nối giữa diglyxerit với một amin, axit amin hoặc một rượu. Phospholipid có một đầu háo nước, phân tử 3- diglyxerit và một đầu kỵ nước có chứa PO . Cả hai đều có chức năng quan trọng trong 4 việc giữ ổn định màng tế bào. Màng tế bào bao gồm hai lớp phospholipid đơn ghép lại tạo thành lớp màng kép lipid. Đầu ưa nước của lớp phospholipid quay ra ngoài hướng về phía các phân tử nước trong khi đuôi kỵ nước lại quay vào phía trong giữa hai lớp của màng tế bào và tương tác lẫn nhau. Quá trình chuyển hoá năng lượng: Phospho ở dạng liên kết este cao năng (C-P) rất quan trọng đối với quá trình chuyển hoá năng lượng và tổng hợp sinh học ở thực vật. Đóng vai trò quan trọng hơn nữa là các liên kết cao năng giữa hai nguyên tử P như trong phân tử ATP (P-P = 30 kJ). Năng lượng giải phóng trong suốt quá trình thuỷ phân glucoza, quá trình oxi hoá, phosphoryl hoá hoặc quang hợp được sử dụng để tổng hợp ATP. Ngược lại năng lượng này khi cần lại được giải phóng ra qua phản ứng thuỷ phân ATP thành ADP và P vô cơ. Vì vậy ATP được chuyển hoá và tổng hợp mới liên tục. Một gram đỉnh rễ đang trong giai đoạn trao đổi chất mạnh có thể tổng hợp 5g ATP/ ngày với tốc độ tổng hợp trung bình là 30 giây. Vùng dự trữ P (phosphat): Trong tế bào bao gồm hai vùng dự trữ phosphat khác nhau. Vùng trao đổi, chủ yếu phosphat ở dạng este, nằm trong tế bào chất và ty thể. Vùng không trao đổi, chủ yếu là dạng P vô cơ, nằm trong không bào. Nếu ngừng cung cấp P cho cây, nồng độ P vô cơ trong không bào ngay lập tức sẽ giảm trong khi ở vùng trao đổi tốc độ giảm chậm hơn nhiều. Khi tăng cường cung cấp P, nồng độ P chứa trong các cơ quan của tế bào cũng tăng theo, tuy nhiên khi tăng quá mức bình thường thì chỉ có P vô cơ trong không bào tăng lên. Vì vậy có thể nói, P dư thừa được dự trữ ở không bào dưới dạng P vô cơ. Các enzym: P vô cơ cũng có khả năng điều chỉnh tốt trong nhiều quá trình trao đổi chất của thực vật. Vậy nên sự phân bố P là cần thiết để điều chỉnh quá trình trao đổi Công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật