Sinh vật biến đổi gen - Phần IV

SINH VẬT BIẾN ĐỔI GEN

Trần-Đăng Hồng, PhD

Phần IV: Lai-tạo DNA hay Kỹ Thuật Chuyển Gen

Trong kỹ thuật lai-tạo cổ điển, dùng phương pháp thụ tinh giữa hạt phấn của giống cha với bầu noãn của giống mẹ, trong đó người lai tạo không biết chính xác gen nào được nhập vào giống mới, vì vậy có nhiều may rủi. Chẳng hạn, lai tạo giống khoai tây có năng xuất cao, kháng được sâu bệnh, đồng thời cũng có thể đưa gen sản xuất chất độc solanine vào hệ gen giống mới.

Ngược lại, trong lai tạo tân tiến, nhờ sự phát triển của ngành sinh học phân tử (molecular biology) người lai tạo biết chính xác vị trí của một gen hay nhiều gen chi phối một đặc tính tốt nào đó nằm trên nhiễm thể nào đó, và họ có khả năng cắt lấy gen hay một đoạn nhiễm thể chứa gen này để chuyển ghép vào nhiễm thể hệ-gen của loài, giống khác với mục đích tạo giống mới có đặc tính mong muốn. Chính xác hơn, đây là phương pháp lai-tạo-DNA.

Để tạo ra cây biến-đổi-gen mang đặc tính mới, kỹ thuật gồm các giai đoạn:

Đánh dấu gen để tuyển chọn (Marker assisted selection, MAS)

Một đặc tính di truyền do một hay nhiều gen chi phối. Dụng cụ đánh dấu phân tử (molecular marker) hay kỹ thuật điểm-chỉ-DNA (DNA fingerprinting, DNA profile) giúp vẻ bản đồ hàng ngàn gen. Phương pháp này giúp người lai tạo tìm kiếm được trong cộng đồng những cây nào có đặc tính muốn tuyển chọn, qua cách tuyển lựa nhóm gen ở phòng thí nghiệm chứ không quan sát bằng mắt qua hình thái như ở lai-tạo cổ điển. Ví dụ, việc tìm kiếm cây có tiềm ẩn nhiễm bệnh nào đó mà mắt ta chưa hay không nhận thấy trước được. Bởi vì đặc tính nhiễm bệnh này do allele chi phối, vì vậy dùng kỹ thuật đánh dấu gen để tìm allele đó có hay không. Dựa vào đó, có thể biết được vị trí gen kháng bệnh này trên bản đồ hệ-gen.

Kỹ-thuật chuyển-gen

Cây chuyển-gen được tạo thành bằng phương pháp lai-tạo ( hybridization). Nếu đoạn lấy từ cây cùng loài (species) gọi là cây chuyển-gen-đồng-loài (cisgenic plant, Intragenesis), còn lấy từ cây khác loài gọi là cây chuyển-gen-khác-loài (transgenic plant).

Trước nhất, nhà khoa học phải biết đặc tính tốt muốn chuyển do gen nào ở vị trí nào của đoạn DNA mã-hóa trên dây nhiễm-thể. Chẳng hạn, gen-kháng-trụ-sinh hay gen-kháng-thuốc-diệt-cỏ phải được tuyển chọn trước qua kỹ thuật đánh dấu gen. Thứ đến, việc chuyển gen mong muốn này qua hệ-gen cây muốn cải thiện phải nhờ trung gian của vi-khuẩn hay bằng phương pháp cơ học.

Trong thiên nhiên, có nhiều loại sinh vật có khả năng làm biến đổi hệ-gen của cây ký chủ. Chẳng hạng, vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens sống trong đất gây các bứu-u ung-thư ở cây ký chủ. Vi khuẩn chuyển vào tế bào của cây ký chủ Vòng-Ti (Ti plasmid, Ti = tumor inducing), tức một phần thuộc hệ gen của vi khuẩn, để kết hợp với hệ gen cây ký chủ sản xuất chất kích-thích-tố như auxin, cytokinin để gây bứu-u và sản xuất thực phẩm cho vi khuẩn sinh sống nẩy nở. Bứu u càng phát triển lớn càng sản xuất nhiều thực phẩm cho vi khuẩn. Vòng-Ti chứa 196 gen mã hóa 195 loại protein. Vòng-Ti mất khả năng gây bứu u khi nhiệt độ nuôi Agrobacterium cao quá 28 °C.

Để chuyển gen mong muốn vào tế bào cây lai-tạo- , trước nhất các nhà khoa học làm vô hiệu hóa Vòng-Ti của vi khuẩn bằng cách xóa bỏ các gen tạo kích-thích-tố và thực phẩm, rồi thay thế vào đó bằng gen-đánh-dấu (marker). Gen-đánh-dấu thường là mã-hóa các loại proteins dùng làm phân hủy chất trụ-sinh (antibiotics) như kanamycin. Kanamycin là thuốc trụ-sinh được trích từ vi khuẩn Streptomyces kanamyceticus dùng chửa trị các bệnh nhiễm độc. Như vậy Vòng-Ti của vi khuẩn Agrobacterium chứa gen mong muốn. Tiếp theo là giai đoạn chuyển Vòng-Ti từ vi khuẩn Agrobacterium đến mô tế bào của cây định chuyển gen.

Ngoài vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens, còn dùng Agrobacterium rhizogenes. Vi khuẩn này sống trong đất gây bệnh ở rễ cây song-tử-diệp bằng cách làm rễ mọc các nhánh dài như các sợi lông (hairy root disease). Các lông này thải hóa chất lôi cuốn vi khuẩn, và một đoạn hệ-gen của vi khuẩn tức vòng-Ri (root inducing plasmid) được chuyển vào hệ-gen của cây.

Ngoài ra, để ghép gen mới vào hệ-gen, còn có thể xử dụng súng-bắn-gen (gene gun) hay bằng cách xử dụng kim chích cực vi (microinjection).

Cũng có thể xử dụng virus để ghép gen vào hệ-gen cây muốn cải thiện, nhưng kỹ thuật còn nhiều hạn chế. Ví dụ, siêu-vi-khuẩn gây bệnh khảm lá ở cải hoa (Cauliflower mosaic virus, CaMV) chỉ gây bệnh ở cải-hoa và các loại cải tương tự, chứ không ở loài, họ cây khác.

Mô tế bào chuyển gen được nuôi thành cây con. Bây giờ là giai đoạn tuyển chọn. Cây được nuôi trong môi trường dinh dưỡng có chứa thuốc kháng sinh hay thuốc diệt cỏ. Cây không có gen kháng bịnh hay kháng thuốc diệt cỏ sẽ bị chết. Cây nào sống sót mạnh là cây đó đã ghép DNA thành công vì có chứa gen kháng được bệnh hay kháng được thuốc diệt cỏ.

Nếu lai-tạo cổ điển phải mất rất nhiều năm, chẳng hạn với lúa phải tối thiểu 5 năm, hay trải qua 12-15 thế hệ tuyển chọn mới có một giống cải thiện mới, vì tốn nhiều công sức và thời gian để tuyển chọn thành rặc dòng mang đặc tính tốt; ngược lại kỹ thuật chuyển-gen tạo ra một giống mới với những đặc tính mong muốn rất nhanh chóng, vì bộ gen không bị biến đổi.

Kỹ thuật chuyển gen hiện nay được áp dụng rộng rãi trên nhiều lãnh vực: như nông nghiệp: tạo giống hoa màu mới có dinh dưỡng cao, năng xuất lớn, kháng nhiều sâu, bệnh, canh tác tốt trong môi trường xấu (như hạn hán hay ngập lụt, đất phèn, đất mặn, v.v.); trong y dược: tạo cây sản xuất nhiều dược chất; trong hoa viên với hoa kiểng nhiều màu sắc, v.v.

Đa số giống chuyển-gen hiện nay là giống kháng côn trùng hay kháng thuốc diệt cỏ. Giống kháng côn trùng được kết hợp gen Bt từ Bacillus thuringiensis mang mã số sản xuất protein độc hại với côn trùng. Chẳng hạn, sâu đục trái bông vải (cotton bollworm, Helicoverpa zea) khi ăn trái bông vải chuyển gen Bt sẽ bị ngộ độc chết. Sâu Helicovera Zea không những phá hoại trái bông vải, mà còn phá nhiều loại hoa màu quan trọng như bắp, đậu, cà chua, v.v., nên gen Bt được chuyển vào hệ gen của nhiều loại hoa màu. Ngoài ra, Bt có nhiều dòng sinh lý, mỗi dòng gây bệnh cho một số loài côn trùng này nhưng vô hại cho loài côn trùng khác. Công ty Mosanto đã phát triển nhiều giống bắp chuyển-gen-Bt (MON 802, MON 809, MON 863, MON 810), đậu nành-Bt, và bông vải-Bt.

Còn cây được chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ thì khi được xịt thuốc diệt cỏ chỉ có cỏ dại chết, còn cây hoa-màu-chuyển-gen vẫn bình thường. Thuốc diệt cỏ giết cây bằng cách ngăn chận enzyme cần thiết cho cây phát triển. Cây được chuyển gen kháng thuốc diệt cỏ bảo vệ các enzymes này không bị phá hủy bởi thuốc diệt cỏ. Hảng Monsanto của Mỹ thành công tạo cây hoa màu kháng được chất glyphosate, chất căn bản lảm thuốc diệt cỏ thương mại mang tên Roundup của hảng Monsanto, được xử dụng cho bông vải, bắp, v.v. Monsanto xử dụng gen EPSP lấy từ gen AroA của vi khuẩn Salmonella typhimurium, hay gen CP4 EPSPS từ vi khuẩn Agrobacterium.

Hảng Monsanto thành công tạo được nhiều giống kháng thuốc diệt cỏ “Roundup” (chất căn bản là Glyphosate), nên các giống-chuyển-gen này mang tên “Roundup Ready”, như bắp Mon 832, đậu nành MON-04032-6, bông vải, củ cải đường, canola, lúa mì MON 71800.

Còn hảng Bayer của Đức thì xử dụng gen LibertyLink đề kháng glufosinate lấy từ vi khuẩn Streptomyces. Gen LibertyLink được chuyển vào lúa, bắp, bông vải., canola, củ cải đường, đậu nành, và nhiều hoa màu khác đề kháng được các thuốc diệt cỏ sản xuất bởi hảng Bayer.

Kỹ thuật biến đổi gen cũng còn áp dụng để sản xuất cây chứa nhiều dược tính để trích làm dược phẩm, hay gia tăng chất dinh dưỡng, vitamines, v.v.

KỸ THUẬT TUYỆT-TỰ (Terminator, traitor)

Kỹ thuật này chỉ sản xuất hạt làm giống một đời ở thế hệ 1, không dùng được để làm giống ở thế hệ hai, bởi vì ở thế hệ này hạt trở thành bất-thụ (sterile). Vì vậy, hàng năm nông dân bắt buộc phải mua giống để canh tác, vì không giữ làm giống được cho mùa sau. Thoạt tiên, bảng quyền kỹ thuật tuyệt tự thuộc hảng Delta & Pine Land Company hợp tác với Bộ Nông Nghiệp Hoa Kỳ. Năm 2006 công ty Monsanto mua lại kỹ thuật này.

Lợi ích của kỹ thuật này là ngăn chận việc lan tràn gen đến các cây hoa màu cùng loài hay khác loài do lai phấn chéo, lai phấn tự do giữa cây hoa màu chuyển-gen với đồng loại canh tác hay cây đồng chủng hoang dại.

Trong di truyền học, gen-tuyệt-tự hay phiên-mã-tuyệt-tự (transcription terminator) là một đoạn trong chuỗi DNA đánh dấu việc chấm dứt giải mã của gen. Đây là một kỹ thuật hạn chế xử dụng di truyền – GURT (Genetic use restriction technology). Có 2 quan niệm về kỹ thuật GURT.

1. V-GURT: Với kỹ thuật này, nông dân phải mua hạt giống của công ty, bởi vì không giữ được giống tuyệt-tự để canh tác mùa sau. Kỹ thuật này bị thế giới lên án, nhất là các nước đang phát triển,

2. T-GURT: Kỹ thuật này cũng cho hạt tuyệt-tự ở đời 2. Tuy nhiên, nông dân có thể giữ hạt đời sau làm giống với điều kiện là hoa màu phải xử lý với một hóa chất khởi động tái tạo cho hạt trở lại hữu tính bình thường, dĩ nhiên hóa chất này cũng do công ty sản xuất.

Cho tới nay, chưa có giống hoa màu chuyển-gen-tuyệt-tự được thương mại.

Reading, 2/2013

Trần-Đăng Hồng, PhD

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÁNH

1. TS Lê Thị Hoàn & TS Trần Văn Đạt. 2010. Công nghệ sinh học xanh: Tiến bộ, thách thức và công luận. Trong Phát triển nông nghiệp Việt Nam trong thế kỷ 21. Chủ biên: TS Trần Văn Đạt. Chương 20, trang399-436. Nhà Xuất Bản Nông Nghiệp.

2. Arizona State University. 2007. Course MBB 343 Bio 343: Plant Genetic Engineering: Methodology (Chapter 17).

http://bioenergy.asu.edu/photosyn/courses/bio_343/lecture/geneng.html

Mời đọc:

Phần I. Tuyển chọn bởi thiên nhiên

Phần II. Đại cương di-truyền học

Phần III. Tuyển chọn bởi con người

Phần IV. Lai-tạo DNA hay Kỹ Thuật Chuyển Gen

Phần V. Cây hoa màu biến-đổi-gen

Phần VI. Chống đối sinh-vật biến-đổi-gen

Phần VII. Tranh luận sinh-vật biến-đổi-gen