Ứng dụng và thành tựu của tạo giống bằng công nghệ tế bào

1. Tạo giống bằng công nghệ tế bào là gì?

Tạo giống bằng công nghệ tế bào là một ngành kĩ thuật về quy trình ứng dụng nuôi cấy tế bào hoặc mô để tạo ra cơ quan hay cơ thể hoàn chỉnh. Có hai loại chính của công nghệ tế bào là nhân bản và tạo giống. Nhân bản là quá trình tạo ra một cá thể mới từ một cá thể hiện có, trong khi tạo giống là quá trình kết hợp các tế bào của hai cá thể khác nhau để tạo ra một cá thể mới có đặc điểm di truyền của cả hai. Công nghệ này có thể áp dụng cho cả thực vật và động vật, nhằm tạo ra các giống mới có kiểu gen đồng nhất, năng suất cao, chất lượng tốt và thích nghi với điều kiện sinh thái nhất định. Công nghệ này cũng giúp nhân nhanh các giống quý hiếm hay khó sinh sản hữu tính, cũng như tạo ra các cá thể lai mang bộ NST lưỡng bội của hai loài khác nhau.

2. Phân loại tạo giống bằng công nghệ tế bào:

Tạo giống bằng công nghệ tế bào là một phương pháp nhân giống sinh vật dựa trên khả năng phân hóa và phản phân hóa của tế bào. Công nghệ tế bào có thể áp dụng cho cả thực vật và động vật, nhưng có những phương pháp khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của loài sinh vật.

Các cách tạo giống bằng công nghệ tế bào với thực vật là một lĩnh vực quan trọng trong nông nghiệp và sinh học. Công nghệ tế bào thực vật có thể giúp nhân nhanh giống cây trồng có chất lượng cao, sạch bệnh, chịu được điều kiện khắc nghiệt, hoặc tạo ra các giống cây mới có đặc tính mong muốn. Có nhiều phương pháp tạo giống bằng công nghệ tế bào thực vật, như sau:

– Nuôi cấy hạt phấn: Là phương pháp nuôi cấy các hạt phấn của cây trồng trong môi trường nhân tạo để tạo ra các dòng thuần chủng, có kiểu gen đồng hợp về tất cả các gen. Phương pháp này có ứng dụng trong việc chọn các giống cây trồng có khả năng chịu hạn, chịu lạnh, chịu mặn, kháng thuốc diệt cỏ, … 

– Nuôi cấy tế bào thực vật in vitro tạo mô sẹo: Là phương pháp nuôi cấy các mẫu mô của cây trồng trong ống nghiệm để tạo ra các mô sẹo, rồi kích thích mô sẹo này phân hóa thành các cơ quan hoặc cơ thể hoàn chỉnh. Phương pháp này có ứng dụng trong việc nhân nhanh giống cây trồng quý hiếm và sạch bệnh, hoặc giống cây khó sinh sản hữu tính. 

– Chọn dòng tế bào xô ma có biến dị: Là phương pháp dùng các yếu tố gây đột biến số lượng NST để tạo ra các thể lệch bội từ các dòng tế bào xô ma của cây trồng. Phương pháp này có ứng dụng trong việc tạo ra các giống cây trồng mới, có kiểu gen khác nhau của cùng một giống ban đầu. 

– Dung hợp tế bào trần: Là phương pháp dùng muối CaCl2 hoặc keo sinh học Etylen glycol để gây trần nhân của các tế bào từ hai loài cây khác nhau, rồi dung hợp chúng lại với nhau để tạo ra các cây lai mang bộ NST lưỡng bội của hai loài. Phương pháp này có ứng dụng trong việc tạo ra các giống cây trồng mới từ hai loài có họ hàng xa. 

Đối với động vật, có hai phương pháp chính để tạo giống bằng công nghệ tế bào với động vật là nhân bản và biến đổi gen.

Nhân bản là quá trình sao chép một cá thể động vật từ một tế bào của nó, không cần sự tham gia của hai bộ gen từ hai cá thể khác nhau. Nhân bản có thể được thực hiện bằng cách lấy nhân của một tế bào thể của động vật gốc và chuyển nó vào một quả trứng đã được loại bỏ nhân. Quả trứng này sau đó được kích thích để phát triển thành một phôi và được cấy ghép vào tử cung của một cá thể mang thai. Cá thể sinh ra từ quá trình này sẽ có cấu trúc gen giống hệt với động vật gốc. Một ví dụ nổi tiếng của nhân bản là cừu Dolly, con cừu đầu tiên được nhân bản từ một tế bào thể vào năm 1996.

Biến đổi gen là quá trình thay đổi hoặc chèn các đoạn gen mới vào DNA của một cá thể động vật, nhằm mục đích cải thiện hoặc thay đổi các tính trạng của nó. Biến đổi gen có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các công cụ như kỹ thuật CRISPR-Cas9, virus hoặc vi khuẩn để chuyển các gen mong muốn vào tế bào của động vật. Các tế bào này sau đó có thể được sử dụng để tạo ra các phôi biến đổi gen và được cấy ghép vào tử cung của một cá thể mang thai. Cá thể sinh ra từ quá trình này sẽ có các tính trạng mới do các gen mới gây ra. Một ví dụ của biến đổi gen là chuột GloFish, con chuột có khả năng phát sáng do có gen từ san hô và sinh vật phát quang.

3. Ứng dụng của tạo giống bằng công nghệ tế bào:

Tạo giống bằng công nghệ tế bào là một phương pháp áp dụng khả năng phân hóa và phản phân hóa của tế bào để tạo ra các mô, cơ quan hay cơ thể hoàn chỉnh mang đặc tính của cơ thể cho mô, tế bào. Công nghệ tế bào có ứng dụng thực tế trong việc tạo giống cây trồng và vật nuôi có năng suất cao, chất lượng tốt, thích nghi với điều kiện sinh thái nhất định. Công nghệ tế bào cũng giúp nhân nhanh các giống cây trồng quý hiếm hay giống cây khó sinh sản hữu tính, cũng như các giống vật nuôi quý hiếm hay có kiểu gen đặc biệt. Ngoài ra, công nghệ tế bào còn có ý nghĩa trong việc tạo ra các cá thể lai mang bộ NST lưỡng bội của hai loài khác nhau, hoặc các cá thể mang gen người để ứng dụng trong y học.

Ứng dụng thực tế tạo giống bằng công nghệ tế bào là một trong những tiến bộ khoa học đáng kinh ngạc nhất của thế kỷ 21. Bằng cách sử dụng các phương pháp như chuyển nhân, phân bào và chỉnh sửa gen, các nhà khoa học có thể tạo ra các bản sao hoặc các biến thể của các loài động vật, thực vật và thậm chí cả con người. Mục tiêu của ứng dụng này là tăng cường đa dạng sinh học, bảo tồn các loài nguy cấp, cải thiện năng suất nông nghiệp và y tế, và khám phá những khả năng mới của sự sống. Tuy nhiên, ứng dụng này cũng đặt ra nhiều vấn đề đạo đức, pháp lý và xã hội, như quyền sở hữu, an toàn, sự chấp nhận và trách nhiệm. Do đó, ứng dụng này cần được quản lý và giám sát một cách cẩn thận để đảm bảo lợi ích cho con người và môi trường.

4. Thành tựu của tạo giống công nghệ bằng tế bào:

Trong lĩnh vực tạo giống bằng công nghệ tế bào thực vật, một số thành tựu đáng chú ý là:

– Tạo ra giống lúa có khả năng tổng hợp β-caroten trong hạt. β-caroten là chất tiền vitamin A, có vai trò quan trọng trong sự phát triển của mắt và hệ miễn dịch. Giống lúa này được gọi là lúa vàng hay lúa Golden Rice.

– Tạo ra giống dâu tằm tam bội có năng suất cao. Dâu tằm tam bội là loại dâu tằm có ba bội số (3n) thay vì hai bội số (2n) như thông thường. Dâu tằm tam bội có khả năng sinh trưởng và phát triển nhanh hơn, cho lượng tơ cao hơn và chất lượng tốt hơn so với dâu tằm thông thường.

Trong lĩnh vực tạo giống bằng công nghệ tế bào động vật, một số thành tựu đáng chú ý là:

– Tạo ra chủng vi khuẩn E.coli có khả năng sản xuất insulin người. Insulin là một loại hormone cần thiết cho quá trình điều hòa đường huyết trong cơ thể. Người bị tiểu đường loại 1 không thể tự sản xuất insulin, do đó cần tiêm insulin để duy trì sức khỏe. Vi khuẩn E.coli biến đổi gen có thể sản xuất insulin người với chi phí thấp và hiệu quả cao.

– Tạo ra cừu Đôli. Cừu Đôli là con cừu đầu tiên được nhân bản vô tính ở động vật bằng kỹ thuật chuyển nhân. Cừu Đôli được sinh ra vào năm 1996 và sống được 6 năm. Cừu Đôli có kiểu gen giống hệt con cừu cho nhân .

5. Bài tập về tạo giống bằng công nghệ tế bào và lời giải:

Bài tập 1: Cho biết các bước thực hiện để tạo ra một con bò nhân bản từ một tế bào da của con bò gốc.

Lời giải: Các bước thực hiện như sau:

– Lấy một quả trứng của con bò cái và loại bỏ nhân của nó.

– Lấy một tế bào da của con bò gốc và đặt vào quả trứng đã loại bỏ nhân.

– Kích thích quả trứng bằng điện để nó phát triển thành phôi.

– Cấy ghép phôi vào tử cung của một con bò cái khác làm mẹ nuôi.

– Sau khoảng 9 tháng, con bò nhân bản sẽ được sinh ra.

Bài tập 2: Cho biết ưu và nhược điểm của phương pháp tạo giống bằng cấy ghép phôi so với phương pháp lai giống truyền thống.

Lời giải: Ưu điểm của phương pháp cấy ghép phôi là có thể sản xuất được nhiều con vật có chất lượng cao từ một con cái có năng suất cao, không cần phải đợi thời gian mang thai và sinh đẻ. Nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao, đòi hỏi kỹ thuật cao, có nguy cơ gây ra các vấn đề về sức khỏe và di truyền cho con vật.

Bài tập 3: Cho biết nguyên lý hoạt động của máy sinh sản vô tính (cloning machine) và ứng dụng của nó trong nông nghiệp.

Lời giải: Nguyên lý hoạt động của máy sinh sản vô tính là sử dụng công nghệ tế bào gốc để tạo ra các tế bào mới có cùng đặc tính gen với tế bào gốc. Ứng dụng của máy sinh sản vô tính trong nông nghiệp là có thể sản xuất được các loại cây trồng có năng suất cao, chống chịu sâu bệnh, khí hậu, đất đai, hoặc có các tính chất mong muốn như màu sắc, hương vị, dinh dưỡng.

Bài tập 4: Cho biết cách thức để tạo ra một con người nhân bản từ một tế bào máu của người gốc và những vấn đề đạo đức liên quan đến việc này.

Lời giải: Cách thức để tạo ra một con người nhân bản từ một tế bào máu của người gốc là tương tự như cách thức để tạo ra một con vật nhân bản từ một tế bào da, chỉ khác là sử dụng tế bào máu thay vì tế bào da. Những vấn đề đạo đức liên quan đến việc này là vi phạm quyền sống và quyền tự do của con người, xâm phạm sự đa dạng sinh học và di truyền của loài người, gây ra các rủi ro về sức khỏe và xã hội cho con người nhân bản và người xung quanh.

Bài tập 5: Cho biết ý kiến cá nhân của bạn về việc sử dụng công nghệ tế bào để tạo giống các loài động vật và thực vật bị đe dọa tuyệt chủng.

Lời giải: Ý kiến cá nhân của tôi về việc sử dụng công nghệ tế bào để tạo giống các loài động vật và thực vật bị đe dọa tuyệt chủng là một biện pháp có tính khả thi và có ích cho việc bảo tồn các loài quý hiếm. Tuy nhiên, việc này cũng cần được thực hiện một cách cẩn trọng và có sự giám sát của các cơ quan chức năng, để tránh những hậu quả tiêu cực như gây mất cân bằng sinh thái, làm suy giảm sự thích nghi và tiến hóa của các loài, hoặc bị lợi dụng cho mục đích thương mại hoặc quân sự.