Giáo trình CN nuôi cấy mô tế bào thực vật - Chương 5 pot

166

Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật

Chương 5. NUÔI CẤY GIAO TỬ, TẠO CÂY ĐƠN BỘI IN VITRO

5.1. Vấn đề đơn bội của thực vật

Hầu hết các loài cây trồng của chúng ta đều có mức bội thể lớn hơn 1, phổ biến là

nhị bội (2n) và tứ bội (4n). Như vậy, mỗi đặc điểm di truyền ở những cá thể này đều bị

hai hay nhiều allen của một gen chi phối. Nếu đó là những cá thể dị hợp tử, tức là các gen

trong mỗi hệ gen nhị bội hay tứ bội khác nhau thì biểu hiện tính trạng (phenotype) của

gen đó hoàn toàn tùy thuộc vào tính trạng lặn hay trội của chúng quyết định. Vì vậy, mức

bội thể lý tưởng để tiến hành nghiên cứu di truyền các tính trạng phải là mức đơn bội (1n)

hoặc các mức đa bội khác nhưng chúng phải đồng nhất tuyệt đối.

Giá trị của cây đơn bội trong các nghiên cứu di truyền và chọn giống đã được phát

hiện từ lâu. Kể từ khi Blakeslee (1921) mô tả cây đơn bội tự nhiên đầu tiên ở Datura

stramonium, cây đơn bội tự nhiên đã được tìm thấy ở rất nhiều loài cây khác nhau. Tuy

vậy, các cây đơn bội tự nhiên xuất hiện một cách ngẫu nhiên với tần suất rất thấp không

thể đáp ứng yêu cầu của nghiên cứu và chọn giống.

Năm 1964, lần đầu tiên trên thế giới, hai nhà khoa học ấn Độ Guha và

Maheshwari thành công trong việc tạo cây đơn bội từ nuôi cấy bao phấn in vitro cây cà

Datura innoxia. Ngay sau đó, cây đơn bội đã được tạo ra bằng nuôi cấy bao phấn ở hàng

loạt cây trồng khác nhau. Các nhà khoa học đã tìm ra những yếu tố quan trọng ảnh hưởng

đến thành công của quá trình nuôi cấy như ảnh hưởng của kiểu gen, giai đoạn phát triển

của hạt phấn và các điều kiện môi trường nuôi cấy. Ngoài nuôi cấy bao phấn, các nhà

khoa học còn có những thành công rất lớn trong nuôi cấy noãn chưa thụ tinh, nuôi cấy hạt

phấn tách rời. Kỹ thuật tạo cây đơn bội in vitro thông qua kích thích tiểu bào tử hoặc đại

bào tử trong nuôi cấy hạt phấn và noãn cho phép tạo ra nhanh chóng hàng loạt cây đơn

bội, phục vụ đắc lực cho mục đích nghiên cứu di truyền và tạo giống cây trồng.

Hai phương pháp cơ bản của kỹ thuật đơn bội hiện nay là:

- Nuôi cấy bao phấn hay tiểu bào tử tách rời hay còn gọi là như phương pháp trinh

sinh đực trong ống nghiệm (in vitro androgenesis).

- Nuôi cấy tế bào trứng chưa thụ tinh hay còn gọi là phương pháp trinh sinh cái

trong ống nghiệm (in vitro gynogenesis).

Vật liệu ban đầu cho quá trình nuôi cấy in vitro tạo cây đơn bội thường là:

167

Giáo trình nuôi cấy mô tế bào thực vật

- Bao phấn, hạt phấn tách rời, cụm hoa (phương pháp này hay được áp dụng cho

những loài có hoa nhỏ).

- Cứu phôi sau lai xa. Khi lai xa giữa hai loài lúa mạch Hordeum vulgare và H.

bulbosum, quá trình thụ phấn phôi đơn bội xảy ra do nhiễm sắc thể của H. bulbosum bị

loại trừ, nhưng nội nhũ của phôi đơn bội lại không phát triển. Sử dụng phương pháp nuôi

cấy phôi đã cứu được những phôi này và tạo ra hàng loạt cây đơn bội (Jensen, 1977).

- Thụ tinh giả. Đây là quá trình thụ phấn nhưng không xảy ra sự thụ tinh. Mặc dù vậy,

tế bào trứng vẫn được kích thích phát triển thành cây đơn bội. Hess và Wagner

(1974) đã tiến hành thụ phấn in vitro giữa Mimulus luteus với Torenia fournieri

và kết quả là đã tạo được cây đơn bội.

- Noãn chưa thụ tinh.

Trong số các vật liệu trên, bao phấn, hạt phấn tách rời và noãn chưa thụ tinh là

những nguồn nguyên liệu quan trọng, được sử dụng phổ biến hơn để tạo cây đơn bội.

Kể từ thành công đầu tiên của Guha và Meheshinari (1996, 1967), các cây đơn

bội của hơn 247 loài thuộc 88 chi và 34 họ thực hạt kín đã được tạo ra từ nuôi cấy bao

phấn và hạt phấn (Bajaj, 1990). Cây đơn bội từ nuôi cấy noãn hình thành theo kiểu trinh

sinh cái.

Tại Trung Quốc, công nghệ đơn bội đã được triển khai có hệ thống trên quy mô

lớn và có định hướng chiến lược rõ ràng trong tạo giống mới. Hơn một nghìn cơ sở nuôi

cấy bao phấn đã hoạt động trên toàn quốc từ những năm 1970, kết quả đã tạo được trên

100 giống lúa mới trong một thời gian ngắn. Trong đó, giống lúa nước và lúa mì mới tạo

ra từ kỹ thuật đơn bội đã mở rộng sản xuất trên diện tích vài triệu ha. Tại Triều Tiên, kỹ

thuật nuôi cấy bao phấn đã tạo ra 42 giống lúa mới (Sasson,1993; Jain cs., 1997). Ưu thế

của các phương pháp nuôi cấy này là tất cả các cây tạo thành đều có nguồn gốc từ tiểu

bào tử hoặc đại bào tử, vì vậy cây con nhận được sẽ là cây đơn bội hoặc cây nhị bội đồng

hợp tử tuyệt đối với các cặp nhiễm sắc thể tương đồng hoàn toàn giống nhau (trừ trường

hợp đột biến). Cây nhị bội thu được là do quá trình nhị bội hoá tự nhiên của hạt phấn đơn

bội trong nuôi cấy hoặc xử lý đa bội hoá bằng thực nghiệm.

Từ lâu, các nhà di truyền và chọn giống cây trồng đã sử dụng trạng thái đơn bội

của cây trồng để tiến hành nghiên cứu và thông qua đa bội hóa thể đơn bội đó để thu

được các dạng đồng hợp tử tuyệt đối. Tuy nhiên, các phương pháp kinh điển để thu nhận

cây đơn bội cho hiệu quả rất thấp. Kỹ thuật tạo cây đơn bội in vitro thông qua kích thích

tiểu bào tử phát triển thành cây trong nuôi cấy bao phấn và hạt phấn cho phép nhanh

chóng tạo ra hàng loạt cây đơn bội đã là một biện pháp hữu hiệu đối với lĩnh vực ứng