Ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG NÔNG NGHIỆP Giáo viên giảng dạy: Nguyễn Vũ Phong Nhóm thực hiện: Trần Như Khoa Nguyễn Duy Lan Nguyễn Thị Bích Liễu Nguyễn Thị Kim Ngân Lê Thành Nhân Lương Thị Yến Nguyệt Lê Trần Nhị Thanh Đặng Thị Ái Trinh Võ Đình Trung ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÂY TRỒNG I. CNSH cổ truyền trong việc tạo giống mới I.1. Chọn lọc tự nhiên Cơ sở khoa học của việc tạo dòng mới này là qua quá trình phát triển cá thể, trong điều kiện bất lợi của môi trường cá thể nào không chịu đựng được thì bị tiêu diệt. I.2. Lai hữu tính Muốn có 1 giống cây trồng lí tưởng chứa đựng tất cả các gene tốt của nhiều giống phải tốn thời gian mới làm được. Việc tổng hợp gene mang đặc tính tốt của cây trồng thường được làm bằng phương pháp lai và phải lai trên nhiều cặp phối hợp với nhau từng đôi một mới mong đạt được kết quả tốt I.3. Đột biến Nguyên nhân của sự đột biến là do tác nhân bên trong tế bào và bên ngoài môi trường gây nên . Có 3 loại đột biến: đột biến gene, đột biến nhiễm sắc thể và đột biến gene tế bào chất. Con người có thể sử dụng nó để tạo ra các đột biến mong muốn dùng cho chọn giống. II. CNSH trong việc cải tạo giống và phát triển cây trồng cho năng suất cao Cuộc cách mạng xanh từ những năm 1960- 1970 lúa lúa mì lúa miến ngô Những hướng phát triển của CNSH trong cây trồng Sản xuất nhanh và qui mô lớn 2. Tạo giống mới có năng suất cao 3. Tạo ra những cây lai mới 4. Tạo ra những đặc tính mới mong muốn 5. Bảo vệ cây trồng 6. Phân bón 1. Sản xuất nhanh và qui mô lớn Trong kĩ thuật trồng trọt có nhiều loài cây cần phải nhân giống vô tính ở qui mô lớn Trong những năm 1930, việc tái sinh lại chồi và toàn bộ cây trồng đã được tiến hành một cách thuận lợi nhờ xây dựng được kĩ thuật nuôi cấy mô và tế bào thành công Kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào thực vật : Chuẩn bị môi trường nuôi cấy Điều kiện vô trùng Chọn lựa mô Điều kiện xử lí mô Nhân giống và nhân dòng vô tính có ý nghĩa đặc biệt đối với cây nhiệt đới Rất cây trồng có thể đưa vào nhân giống vô tính in vitro với mục tiêu thương mại hóa trên qui mô lớn vd như: Atiso Măng tây Củ cải đường Khoai tây Raspberry Kiwi Nho Dâu tây Cây cọ dầu Ở Trung Mĩ và Nam Mĩ Nhân giống vô tính cây cọ dầu (Brazil, Colombia, Costa Rica, Cộng hòa Dominique), Cà phê (Costa Rica và Mexico) Chuối ( công ty Honduras) Ở Việt Nam Cây lô hội Lúa basmati Cánh đồng xương rồng Nopal Xương rồng Nopal Việc nhân giống và khai thác cây chịu hạn Từ trái qua :Atriplex nummularia ,Atriplex barclayama và Atriplex lentiformis Jojoba Guayule Ocnothera spp Crambe Nhân giống vô tính in vitro các cây rừng lấy gỗ hay làm bột giấy Chi bạch đàn (Eucalyptus) E. camaldulensis Faidherbia Nghiên cứu tạo phôi soma Một hướng khác được tổ chức trồng trọt là việc tạo phôi soma Sự nuôi cấy phôi của tế bào soma có 1 số tiến bộ Tế bào soma sử dung trong nuôi cấy mô Ở cây cà phê từ 1 mảnh lá duy nhất các nhà nghiên cứu đã tạo hơn 1000 cây con Nghiên cứu nhân giống cây sạch virus Để tiến hành tạo cây sạch bệnh virus bằng kĩ thuật nuôi cấy mô và tế bào, người ta thường dùng mô phân sinh ở đỉnh chồi. Nhân giống bằng sản xuất hạt nhân tạo. Tế bào thực vật có đặc trưng là không chỉ trở thành tế bào sinh dưỡng mà còn trở thành tế bào phôi mầm Cần thiết trong nông lâm nghiệp Tính ưu việt + Dễ làm sạch hết virus + Cung cấp phân đạm cho cây + Bảo vệ cây khỏi bị sâu và cỏ dại phá hoại + Tạo ra các giống mới 2. Tạo giống mới có năng suất cao  Đặc điểm toàn năng của tế bào thực vật: từ các tế bào soma có thể tạo nên bất kì bộ phận nào của cây Phương pháp tạo dòng soma Cơ sở khoa học của việc chọn giống đó là hiện tượng biến dị soma Giống lúa vừa chín sớm vừa có hạt dạng dài Bệnh tàn lụi ở cà chua Chống bệnh tàn lụi cây cà chua Tạo ra được giống mía chống được một số bệnh virus như bệnh fip, nấm lông, bệnh than, và bệnh đột mắt Chống virus khảm thuốc lá trên cây thuốc lá Cây thuốc lá Virus khảm thuốc lá 3. Tạo ra những cây lai mới có tính ưu việt Giới thiệu Protoplast Dung hợp là quá trình hợp nhất 2 protoplast lại làm một 2 giai đoạn chính của Kĩ thuật protoplast 1. Giai đoạn tách và nuôi cấy protoplast 2. Giai đoạn dung hợp protoplast. Cây lai giữa cà rốt và rau mùi, cam và chanh ,khoai tây với cà chua Cây cà rốt-ngò Cây khoai - cà Dung hợp protoplast có thể chọn giúp các dòng cà phê kháng bệnh và các độc tố Lai giữa tế bào thực vật và vi khuẩn Dung hợp được các tế bào soma với tế bào sinh dục (hạt phấn) 4. Tạo ra những đặc tính mới mong muốn 2 con đường tái tổ hợp DNA + Chuyển gene trực tiếp + Chuyển gene gián tiếp Chuyển gen vào cây trồng Ở cây lúa Lúa tiết kiệm nước ở Bangladesh Lúa giàu chất dinh dưỡng ở Đồng bằng sông Cửu Long lúa thơm đột biến Basmati ở Sóc Trăng. Giống lúa chất lượng cao :Việt lai 24 Lúa có mùi thơm của gạo hương lài ở Thái Lan lúa với một phần bộ gene là gene của con người ở Mỹ Lúa chịu mặn ở Trung Quốc Lúa mì ngọt ở Nhật Bản Lúa mì giàu chất dinh dưỡng ở Mỹ và Israel Lúa mì chịu sương giá ở Australia Lúa chịu mặn ở Trung Quốc Cà chua ghép kháng bệnh ở Việt Nam Ở cây cà chua Cà chua màu tím giàu chất dinh dưỡng ở Mỹ Ngô chịu hạn năng suất cao ở Việt Nam Ở cây ngô Ngô biến đổi gen có thể giúp chống lại thiếu hụt sắt ở Đức 5. CNSH trong việc bảo vệ cây trồng. Phương pháp cổ điển Xới đất, bắt sâu, thâm canh Phun thuốc trừ sâu herbicide Phương pháp hiện đại Nuôi cấy đỉnh sinh trưởng (khoai tây, sắn…) Cấy tác nhân gây bệnh vào cây con Tạo dòng kháng độc tố của nấm (Helminthosporium sacchari ) Mía chuyển gene kháng thuốc trừ sâu Helminthosporium sacchari Mía kháng thuốc trừ sâu Mía kháng thuốc trừ sâu Dung hợp protoplast cà phê kháng bệnh Bacillus thuringiensis (Bt) Ba hướng công nghệ để tạo ra thuốc trừ cỏ dại: Dùng thuốc trừ cỏ dại Roundup Công nghệ gene hóa cây trồng không dùng thuốc diệt cỏ sulffonylurea Các hướng khác Tách gene từ vi khuẩn Streptomyces hygroscopicus Tách gene tổng sinh tổng ethylen để bảo vệ nông sản Streptomyces hygroscopicus Các biện pháp sinh học khác Nuôi ong mắt đỏ để diệt sâu đay Bọ rùa để diệt rệp Sâu đay 6. CNSH trong việc sản xuất phân bón . Các phương pháp kĩ thuật khác nhau trong việc cố định Nitơ qui trình Haber-Bosch vi khuẩn. Rhizobium Tảo lam Anabaena Công nghệ gene trong sản xuất phân đạm Chuyển gene sản xuất nitrogenase (gene nif) từ vi khuẩn cố định N2 sang E. coli bằng con đường kĩ thuật gene. Kĩ thuật gene trong chuyển operon nitrogen vào chất nguyên sinh của cây trồng mong muốn. Ứng dụng trong chăn nuôi Công nghệ cổ truyền trong việc tạo giống vật nuôi Công nghệ mới trong việc chuyển phôi và thao tác phôi Công nghệ sinh học trong việc chuyển gene tạo giống vật nuôi Công nghệ cổ truyền trong việc tạo giống vật nuôi Nguyên tắc chung: Công nghệ cổ truyền trong việc tạo giống vật nuôi Các phương pháp lai giống nhằm mục đích tạo giống mới: Lai cải tiến Bò Sahiwal: Giống bò thịt ngoại. Dùng để lai cải tiến giống địa phương Công nghệ cổ truyền trong việc tạo giống vật nuôi Các phương pháp lai giống nhằm mục đích tạo giống mới: Lai cải tạo Giống bò Brahman thường được dùng lai cải tạo với giống bò Vàng Việt Nam để cải thiện tầm vóc Công nghệ mới trong việc chuyển phôi và thao tác phôi Chuyển phôi (embryo transfer): Được sử dụng để tăng khả năng sinh sản của động vật cái. Gia đình bò chuyển phôi (ET family) Gia đình bò chuyển phôi (ET family) Công nghệ mới trong việc chuyển phôi và thao tác phôi Chuyển phôi (embryo transfer): Có hai phương pháp chuyển phôi: Phương pháp không phẫu thuật Phương pháp không phẫu thuật: sử dụng súng chuyển phôi thu nhỏ xuyên qua cổ vào sừng tử cung. Sơ đồ chuyển phôi Công nghệ mới trong việc chuyển phôi và thao tác phôi Chuyển phôi (embryo transfer): Thao tác phôi: chia tách phôi (embryo splitting) 2 phương pháp chia tách phôi: dùng kim và dùng dao cắt Embryos under the microscope day 2 / day 3 embryo splitting- chia tách phôi bằng dao Công nghệ mới trong việc chuyển phôi và thao tác phôi Chuyển ghép nhân (nuclear transplantation): Tạo nên các dòng vô tính . Nguyên lí: Công nghệ sinh học trong việc chuyển gene tạo giống vật nuôi Các phương pháp: Chuyển gen bằng xung điện Công nghệ sinh học trong việc chuyển gene tạo giống vật nuôi Các phương pháp: Thiết bị vi tiêm Công nghệ sinh học trong việc chuyển gene tạo giống vật nuôi Các phương pháp: Vi tiêm DNA vào tế bào Công nghệ sinh học trong việc chuyển gene tạo giống vật nuôi Các bước chính: Tách chiết, phân lập gene mong muốn và tạo tổ hợp gene biểu hiện trong tế bào động vật Tạo cơ sở vật liệu biến nạp gene Chuyển gene vào động vật Nuôi cấy phôi trong ống nghiệm Kiểm tra động vật được sinh ra từ phôi chuyển gene Sơ đồ tạo động vật chuyển gen Chuyển gen động vật. (a) Sinh sản của các động vật chuyển gen bằng các phương thức thao tác tế bào ES. (b) Tiếp theo việc chuyển DNA, các tế bào ES mang thể tái tổ hợp tương đồng có thể được chọn lọc trước khi đưa vào trong túi phôi. Công nghệ sinh học trong việc chuyển gene tạo giống vật nuôi Gia súc chuyển gene: Gia súc chuyển gene hormone sinh trưởng Gia súc chuyển gene cung cấp các dược phẩm chữa bệnh Gia súc chuyển gene kháng bệnh Gia súc chuyển gene cho năng suất cao và chất lượng sản phẩm tốt Gia súc chuyển gene hormone sinh trưởng Gia súc chuyển gene cung cấp các dược phẩm chữa bệnh a1- antitripsin và yếu tố làm đông máu IX (Blood Clotting Factor IX) Chất hoạt hóa plasminogene Gene urokinase Protein C Gia súc chuyển gene kháng bệnh Gia súc chuyển gene cho năng suất cao và chất lượng sản phẩm tốt Hạn chế: Hiện tại mọi sự biến đổi gen trên thế giới (như cắt gen, xen, sắp xếp lại, sửa chữa biến đổi chương trình vật liệu di truyền, các gen động vật thậm chí cả gen người được xen một cách ngẫu nhiên vào nhiễm sắc thể của thực vật, cá, động vật) tạo nên các vật sống chuyển gen. Hàng trăm loại lương thực, thực phẩm mới được tạo ra do biến đổi di truyền Ngày càng nhiều các nhà khoa học cảnh báo rằng hiện tượng kỹ thuật ghép nối gen chưa hoàn chỉnh, chưa chính xác và không biết được điều gì sẽ xẩy ra, đứng đầu là Mỹ vẫn tiếp tục biến đổi di truyền ở lương thực và thực phẩm. Hạn chế: Theo các hãng công nghệ sinh học, 100% thực phẩm và sợi của Mỹ sẽ được biến đổi di truyền trong vòng 5-10 năm nữa. Rất nhiều sản phẩm lương thực, thực phẩm biến đổi di truyền không được dán nhãn mác đang có mặt ở Mỹ như đậu tương, dầu đậu tương, khoai tây, dầu hạt, cà chua, bông sợi, bí và các sản phẩm sữa. Hạn chế: Một số nguy hại của các sản phẩm biến đổi di truyền: Độc tố và chất độc Làm hư hại tới chất lượng và dinh dưỡng thực phẩm Tăng nguy cơ ung thư Ô nhiễm gen Thiệt hại đối với côn trùng có ích và độ phì của đất Tạo các siêu cỏ dại và các siêu sâu bọ công nghệ gen Nguồn gốc xâm nhập sinh học của các động vật chuyển gen Hạn chế: Hiện tại mọi sự biến đổi gen trên thế giới (như cắt gen, xen, sắp xếp lại, sửa chữa biến đổi chương trình vật liệu di truyền, các gen động vật thậm chí cả gen người được xen một cách ngẫu nhiên vào nhiễm sắc thể của thực vật, cá, động vật) tạo nên các vật sống chuyển gen. Hàng trăm loại lương thực, thực phẩm mới được tạo ra do biến đổi di truyền Ngày càng nhiều các nhà khoa học cảnh báo rằng hiện tượng kỹ thuật ghép nối gen chưa hoàn chỉnh, chưa chính xác và không biết được điều gì sẽ xẩy ra, đứng đầu là Mỹ vẫn tiếp tục biến đổi di truyền ở lương thực và thực phẩm. Hạn chế: Theo các hãng công nghệ sinh học, 100% thực phẩm và sợi của Mỹ sẽ được biến đổi di truyền trong vòng 5-10 năm nữa. Rất nhiều sản phẩm lương thực, thực phẩm biến đổi di truyền không được dán nhãn mác đang có mặt ở Mỹ như đậu tương, dầu đậu tương, khoai tây, dầu hạt, cà chua, bông sợi, bí và các sản phẩm sữa. Hạn chế: Một số nguy hại của các sản phẩm biến đổi di truyền: Độc tố và chất độc Làm hư hại tới chất lượng và dinh dưỡng thực phẩm Tăng nguy cơ ung thư Ô nhiễm gen Thiệt hại đối với côn trùng có ích và độ phì của đất Tạo các siêu cỏ dại và các siêu sâu bọ công nghệ gen Nguồn gốc xâm nhập sinh học của các động vật chuyển gen TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Trần Bình, Lê Thị Muội, 1998.Công nghệ gene cây Lúa. Trần Quốc Dung. 2001. Nghiên cứu chuyển gene hormone sinh trưởng người vào cá Chạch (Misgurnus anguillicaudatus) bằng vi tiêm. Luận án Tiến sĩ sinh học, Hà Nội. Đái Duy Ban, Lữ Thị Cẩm Vân, 1994. Công nghệ gene và công nghệ sinh học ứng dụng trong nông nghiệp hiện đại. Nxb Nông nghiệp Hà Nội. Nguyễn Mộng Hùng. 2004. Công nghệ tế bào phôi động vật. Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. Đặng Hữu Lanh. Trần Đình Miên. Trần Đình Trọng. 1999. Công nghệ sinh học với công tác giống vật nuôi, Bò. Trong: “Cơ sở di truyền chọn giống động vật” (Đặng Hữu Lanh, chủ biên), Nxb Giáo dục Hà Nội, tr 433-469. Lê Đình Lương, Quyền Đình Thi. 2003. Kỹ thuật di truyền và ứng dụng. Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. Bản tin Công nghệ Sinh học tháng 01 năm 2005. Các hình ảnh trên www.google.com.vn THE END