Để sản xuất số lượng lớn các chế phẩm sinh học hay chất có hoạt tính sinh học để chữa bệnh nhưng vẫn hạn chế được tình trạng khai thác quá mức các loài dược liệu quý hiếm, người ta sử dụng kĩ thuật nuôi cấy tế bào tách rời ở quy mô công nghiệp rồi thu chế phẩm sinh học cần sử dụng.

Quy trình công nghệ tế bào thực vật gồm 3 giai đoạn:

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

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

- Giai đoạn 3 – Thu nhận: Thu nhận sản phẩm có thể là cây con hoặc sinh khối tế bào.

Khi chuẩn bị thiết bị, dụng cụ nuôi cấy mô tế bào cần đảm bảo điều kiện vô trùng để mẫu nuôi không bị nhiễm khuẩn trong quá trình nuôi cấy. Thông thường, các dụng cụ và thiết bị được khử trùng bằng tia UV hoặc nồi hấp khử trùng.

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

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

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

- Mục đích sử dụng của các sản phẩm khi nuôi cấy mô tế bào:

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

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

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

- Ưu điểm của nuôi cấy mô tế bào thực vật in vitro:

+ Tạo ra được số lượng lớn các giống cây trồng trong một thời gian ngắn.

+ Tái sinh được các cây con hoàn chỉnh từ những bộ phận khác nhau của cây gốc.

+ Tạo ra các cây con đồng nhất về mặt di truyền tạo điều kiện thuận lợi cho việc chăm sóc, thu hoạch và tiêu thụ sản phẩm.

+ Tạo ra nguồn cây giống sạch bệnh.

- Nhược điểm:

+ Đòi hỏi trình độ kĩ thuật cao.

+ Do đồng nhất về mặt di truyền nên khi điều kiện môi trường sống trở nên bất lợi có thể gây chết hàng loạt, dẫn đến thiệt hại lớn về mặt kinh tế.

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

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

Colchicine gây lưỡng bội hóa bằng cách ức chế sự hình thành thoi phân bào dẫn đến các nhiễm sắc thể đã nhân đôi nhưng không phân li. Do đó, từ bộ nhiễm sắc thể n tạo thành bộ nhiễm sắc thể 2n.

- Đặc điểm của các cây con tạo ra bằng phương pháp nuôi cấy hạt phấn là có kiểu gene đồng hợp tử về tất cả các gene.

- Đặc điểm này có lợi ích là tính trạng chọn lọc sẽ rất ổn định.

Phương pháp nuôi cấy và dung hợp tế bào trần có ưu thế là tạo được giống mới mang đặc điểm của hai loài mà các phương pháp tạo giống thông thường khác không tạo ra được.

Cần loại bỏ thành cellulose trước khi tiến hành dung hợp tế bào vì: Thành cellulose có cấu tạo vững chắc nên không thể dung hợp lại với nhau. Khi loại bỏ thành cellulose thì tế bào chỉ còn màng sinh chất. Lúc này, do tính chất của màng nên các tế bào trần sẽ dễ dung hợp với nhau.

Khi nhân của hai tế bào ban đầu không dung hợp thì tế bào lai không thể tiếp tục phát triển vì: Khi nhân của hai tế bào không dung hợp thì trong tế bào sẽ xảy ra hiện tượng đào thải chọn lọc nhiễm sắc thể; nhân tế bào không điều khiển được quá trình sinh trưởng và phân chia tế bào.

Trong quy trình ứng dụng công nghệ tế bào không thể thiếu bước chọn lọc các dòng tế bào vì: Trong quá trình thu nhận tế bào hoặc nuôi cấy tế bào sẽ có nhiều dạng tế bào khác nhau do kết quả của quá trình tạo giao tử hoặc do nhiễm khuẩn,.... Vì vậy, cần chọn lọc để chọn những dòng tế bào mang đặc tính mong muốn và đem nuôi cấy để thu nhận sản phẩm.

- Học sinh tìm hiểu và trình bày theo các nội dung sau:

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

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

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

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

- Ví dụ: Quy trình nhân giống mía bằng nuôi cấy mô của Viện Di truyền Nông nghiệp.

Việc nhân giống mía bằng nuôi cấy mô giúp cung cấp nhanh nguồn mía giống sạch bệnh để mở rộng diện tích trồng mía, đáp ứng nhu cầu nguyên liệu cho lĩnh vực sản xuất mía đường.

- Học sinh tìm hiểu thông tin về các thành tựu của công nghệ tế bào thực vật trong sách chuyên đề và đưa ra câu trả lời theo hướng: Thành tựu đó đem lại lợi ích gì cho con người, tác động đến sự phát triển kinh tế – xã hội như tế nào, cơ hội nghề nghiệp,...

- Câu trả lời tham khảo: Trong các thành tựu của công nghệ tế bào thực vật, em quan tâm đến thành tựu thu nhận các chất có hoạt tính sinh học. Vì việc ứng dụng công nghệ tế bào thực vật để thu nhận các chất có hoạt tính sinh học có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng các chất có hoạt tính sinh học trong nhiều lĩnh vực y học, mĩ phẩm, thực phẩm. Đồng thời, việc ứng dụng công nghệ tế bào thực vật này còn giúp hạn chế được tình trạng khai thác quá mức các loài cây dược liệu quý hiếm, có nguy cơ tuyệt chủng.

Để phân biệt được một giống cây ăn quả được nhân bản bằng phương pháp nuôi cấy mô tế bào hay được tạo ra bằng phương pháp lai hữu tính thông thường có thể dựa vào các đặc điểm:

- Cây được nhân bản bằng phương pháp nuôi cấy mô được tạo ra do quá trình nguyên phân nên sẽ có đặc điểm giống nhau.

- Cây tạo ra bằng phương pháp lai hữu tính sẽ có nhiều đặc điểm khác nhau do có sự tái tổ hợp lại vật chất di truyền của bố và mẹ, tạo ra nhiều biến dị tổ hợp.

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

- Lợi thế của việc nuôi cấy hạt phấn so với phương pháp lai hữu tính thông thường là tạo ra được các cây con đều thuần chủng về tất cả các gene nên tính trạng chọn lọc được sẽ rất ổn định.

Em không đồng ý với ý kiến trên. Vì không phải ứng dụng công nghệ tế bào thực vật luôn tạo ra giống mới, mà có những phương pháp không tạo ra được giống cây trồng mới mà chỉ giúp nhân nhanh các giống cây mang các đặc tính tốt như như nuôi cấy in vitro, nuôi cấy hạt phấn.

Ví dụ về ý tưởng tạo ra một giống cây trồng mới bằng công nghệ tế bào: Tạo ra cây lai giữa 2 loài thuộc họ cải là su hào và súp lơ dựa trên cơ sở kĩ thuật nuôi cấy và dung hợp tế bào trần.

- Cơ sở khoa học: Sự dung hợp tế bào trần có thể xảy ra giữa các chi, bộ và họ để tạo ra giống mới mang đặc tính của cả hai loài.

- Quy trình thực hiện:

(1) Loại bỏ thành cellulose của hai tế bào su hào và súp lơ để tạo thành tế bào trần.

(2) Cho 2 tế vào vào trong môi trường đặc biệt để chúng dung hợp với nhau.

(3) Nuôi cấy tế bào lai trong môi trường đặc biệt để chúng phân chia và tái sinh thành cây lai khác loài.

(4) Dùng kĩ thuật nuôi cấy tế bào soma để tạo thành nhiều cây từ một cây lai khác loài rồi đưa vào trồng đại trà.

- Lợi ích của giống cây trồng mới: Mong muốn tạo ra được loài thực vật mới có phần gốc tạo củ su hào và phần ngọn tạo bông súp lơ giúp làm tăng hiệu quả kinh tế của cây trồng.

Ví dụ về ý tưởng tạo ra một giống cây trồng mới bằng công nghệ tế bào: Tạo ra cây lai giữa 2 loài thuộc họ cải là su hào và súp lơ dựa trên cơ sở kĩ thuật nuôi cấy và dung hợp tế bào trần.

- Cơ sở khoa học: Sự dung hợp tế bào trần có thể xảy ra giữa các chi, bộ và họ để tạo ra giống mới mang đặc tính của cả hai loài.

- Quy trình thực hiện:

(1) Loại bỏ thành cellulose của hai tế bào su hào và súp lơ để tạo thành tế bào trần.

(2) Cho 2 tế vào vào trong môi trường đặc biệt để chúng dung hợp với nhau.

(3) Nuôi cấy tế bào lai trong môi trường đặc biệt để chúng phân chia và tái sinh thành cây lai khác loài.

(4) Dùng kĩ thuật nuôi cấy tế bào soma để tạo thành nhiều cây từ một cây lai khác loài rồi đưa vào trồng đại trà.

- Lợi ích của giống cây trồng mới: Mong muốn tạo ra được loài thực vật mới có phần gốc tạo củ su hào và phần ngọn tạo bông súp lơ giúp làm tăng hiệu quả kinh tế của cây trồng.

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

b.

- Bổ sung chú thích hai giai đoạn (1) và (2):

(1) – Kiểm tra sự có mặt của gene chuyển

(2) – Nuôi cấy rễ tơ in vitro

- Ý nghĩa của hai giai đoạn trên:

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

(2) – Việc nuôi cấy rễ tơ in vitro giúp tăng số lượng tế bào và tăng sinh khối.

c. Ý kiến này đúng vì người ta có thể tiến hành nuôi cấy các cơ quan khác nhau ở thực vật.

d. Trong thực tế, người ta có thể thay giai đoạn (2) bằng phương pháp nuôi cấy rễ tơ bằng hệ thống khí canh hoặc thủy canh.