Bài 3. Các giai đoạn của công nghệ tế bào thực vật

I. Các giai đoạn của công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật

1. Giai đoạn chuẩn bị mẫu và môi trường nuôi cấy

1.1. Chuẩn bị mẫu nuôi cấy

- Mẫu nuôi cấy là một phần mô hoặc cơ quan từ cây sạch bệnh, không nhiễm vi sinh vật kí sinh và côn trùng.

- Tiến hành khử trùng mẫu thực vật và khử trùng bề mặt thao tác với các dung dịch như sodium hypochloride, chất tẩy rửa, hoặc ethanol (70%) và rửa lại bằng nước cất vô trùng.

1.2. Chuẩn bị môi trường nuôi cấy

- Môi trường nuôi cấy chứa các chất dinh dưỡng và bổ sung các thành phần phù hợp để mô tế bào sinh trưởng và biệt hóa.

- Có nhiều loại môi trường với công thức khác nhau dùng cho việc nuôi cấy mô thực vật, được lựa chọn phù hợp với từng loài thực vật, loại mô và phải được nghiên cứu thử nghiệm.

- Môi trường nuôi cấy và các dụng cụ, thiết bị sử dụng cho nuôi cấy phải được khử trùng trước khi tiến hành nuôi cấy mô tế bào.

2. Giai đoạn nuôi cấy

2.1. Nuôi cấy mảnh mô

- Bước khởi đầu quan trọng trong nuôi cấy mô tế bào thực vật.

- Quy trình nuôi cấy: Cắt nhỏ và khử trùng mẫu mảnh mô ➜ Nuôi cấy trong môi trường vô trùng ➜ Các tế bào đầu tiên di cư khỏi mô và bám vào bề mặt đĩa ➜ Tăng trưởng số lượng và tiếp tục được duy trì hoặc chuyển sang điều kiện môi trường khác.

2.2. Nuôi cấy mô sẹo

- Mô sẹo (callus) là khối lộn xộn các tế bào “không có tổ chức”, không được biệt hóa, có thể đạt được tính toàn năng.

- Thường được tạo thành từ mảnh mô đã được khử biệt hóa trong điều kiện in vitro. Mô sẹo sau đó được cảm ứng để biệt hóa trở lại nếu nuôi cấy trong môi trường phù hợp.

- Mô sẹo là nguyên liệu để tạo sinh khối huyền phù tế bào và chuyển gene vào tế bào mô sẹo.

2.3. Nuôi cấy tế bào đơn

- Quy trình nuôi cấy: Xử lí mô ➜ Tách tế bào đơn ➜ Nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng lỏng ➜ Sử dụng máy lắc cơ học để khuấy.

2.4. Nuôi cấy huyền phù tế bào

- Đây là phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật trong môi trường lỏng, tạo thành một hỗn hợp lỏng (dịch huyền phù) chứa các tế bào đơn hoặc khối tế bào nhỏ.

- Thường được tiến hành trong các bình phản ứng sinh học (bioreactor).

2.5. Nuôi cấy tế bào trần

- Tế bào trần là những tế bào thực vật đã bị loại bỏ thành tế bào (vách tế bào), chỉ còn lại màng sinh chất bao bọc tế bào chất.

- Tạo tế bào trần bằng phương pháp cơ học hoặc enzyme.

- Ứng dụng: Cung cấp nguồn tế bào đơn trong tạo dòng tế bào, chuyển gen, tạo giống cây lai từ lai tế bào soma hoặc dùng để nghiên cứu về các cấu trúc và chức năng của tế bào.

2.6. Nuôi cấy phôi

- Nuôi cấy phôi là kỹ thuật tách phôi từ hạt, sau đó tiến hành nuôi cấy in vitro.

- Cứu phôi là kỹ thuật nuôi cấy phôi chưa trưởng thành, có thể tạo ra cây hoàn chỉnh có khả năng sống sót. Thường áp dụng với các hạt lai, hạt chưa chín và không tự nảy mầm được.

2.7. Tạo phôi soma

- Phôi soma là phôi được hình thành từ các tế bào soma (tế bào sinh dưỡng).

- Tạo phôi soma là quá trình nuôi cấy để tế bào soma được khử biệt hóa và trở thành tế bào gốc phôi toàn năng, từ đó có khả năng phát triển thành cơ thể tương tự như phôi phát triển từ hợp tử.

- Các phương pháp tạo phôi soma: Tạo phôi trực tiếp trên bề mặt mảnh mô; tạo phôi gián tiếp qua nuôi cấy mô sẹo và can thiệp tạo phôi.

- Ứng dụng: Sử dụng trong nhân giống vô tính; cung cấp nguồn mô để chuyển gene, tái sinh cây từ tế bào trần và trong công nghệ hạt nhân tạo.

2.8. Nuôi cấy tạo cơ quan

- Nuôi cấy tạo cơ quan là quá trình nuôi cấy mô tế bào để hình thành hoặc tái tạo cơ quan.

- Quá trình này có thể diễn ra trực tiếp hoặc gián tiếp qua giai đoạn hình thành mô sẹo.

- Nuôi cấy tạo cơ quan được ứng dụng để sản xuất các chất chuyển hóa và để nhân giống ở một số loại cây trồng.

- Duy trì nuôi cấy hoặc cấy chuyển để duy trì sự sinh trưởng phát triển của tế bào và mô, đồng thời loại bỏ các chất độc hại tích lũy trong môi trường nuôi cấy. Khoảng thời gian giữa các lần cấy chuyển phụ thuộc vào môi trường nuôi cấy và đối tượng tế bào của loài thực vật cụ thể.

3. Giai đoạn hoàn thiện và thu nhận sản phẩm

3.1. Sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp

- Để sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp hoặc các sản phẩm khác như protein tái tổ hợp, việc nuôi cấy được tiến hành với quy mô lớn trong các bình phản ứng sinh học (bioreactor).

- Các kỹ thuật nuôi cấy tế bào sử dụng: Tạo mô sẹo, nuôi cấy huyền phù tế bào, nuôi cấy lông rễ (rễ tơ).

- Quá trình nuôi cấy được duy trì bằng việc bổ sung chất dinh dưỡng và cung cấp đủ điều kiện về khí và nhiệt độ.

3.2. Vi nhân giống cây trồng

- Mục tiêu nhân giống là tạo ra các cây trồng với số lượng lớn. Gồm tái sinh cây hoàn chỉnh và sản xuất hạt nhân tạo (hạt tổng hợp). Ứng dụng trong việc đáp ứng nhu cầu về giống cây trồng và góp phần lưu giữ, bảo tồn giống thực vật.

- Tái sinh cây

Tái sinh cây thông qua nuôi cấy chồi là quá trình nuôi cấy để nhân chồi, sau đó chuyển chồi sang môi trường ra rễ và sinh cây hoàn chỉnh.

Tái sinh cây thông qua nuôi cấy tạo phôi soma gồm ba giai đoạn là tạo phôi – tạo cơ quan – làm cứng cây con.

• Giai đoạn tạo phôi soma: Trực tiếp (các tế bào thực vật được nuôi cấy trong điều kiện đặc biệt để mất đi tính biệt hóa và phát triển thành phôi) hoặc gián tiếp (mô thực vật được nuôi cấy tạo thành mô sẹo, sau đó mô sẹo được chuyển sang môi trường khác để kích thích hình thành phôi).
• Giai đoạn tạo cơ quan: Phôi soma hoặc mô sẹo được chuyển sang môi trường thích hợp để phát triển thành cây con hoàn chỉnh, bao gồm rễ, thân và lá.
• Giai đoạn làm cứng cây con: Phôi soma hoặc mô sẹo được chuyển sang môi trường thích hợp để phát triển thành cây con hoàn chỉnh, bao gồm rễ, thân và lá.

- Sản xuất hạt nhân tạo

Hạt nhân tạo được tạo bởi phôi soma hoặc các phần sinh dưỡng của cây.

Sản xuất hạt nhân tạo được áp dụng với nhiều cây trồng có giá trị thương mại.

Ứng dụng trong tạo ra các cây đa bội mang các tính trạng quý và cây trồng chuyển gene.

II. Thực hiện đề tài tìm hiểu về thành tựu công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật

1. Mục tiêu

- Tìm kiếm và thu thập được thông tin từ các tài liệu khoa học.

- Trình bày được báo cáo tổng quan về các thành tựu công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật.

- Thiết kế được tập san gồm hình ảnh, bài viết về thành tựu công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật

2. Nội dung tìm hiểu

- Thành tựu của công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật ứng dụng trong chọn tạo giống cây trồng mới, nhân nhanh giống cây trồng.  

- Thành tựu công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật trong sản xuất các hợp chất thứ cấp.

3. Chuẩn bị

- Máy tính kết nối internet.

- Sách, tạp chí khoa học đã xuất bản dạng in hoặc bản điện tử tại các trang web.

4. Tiến hành

- Chia nhóm và phân công thực hiện nội dung tìm hiểu.

- Học sinh tìm kiếm thông tin từ cơ sở dữ liệu khoa học được công bố; liên hệ thực tế ở địa phương để tìm hiểu về các thành tựu của công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật.

- Thảo luận nhóm, thống nhất về nội dung và hình thức báo cáo.

5. Báo cáo kết quả

- Các nhóm trình bày kết quả tìm hiểu và thảo luận chung cả lớp.

- Xây dựng tập san thu hoạch kết quả tìm hiểu về thành tựu công nghệ nuôi cấy mô tế bào thực vật (hình ảnh, bài viết,...).