Biến đổi di truyền tạo sắc tố hoa

Trường Đại học Qui Nhơn
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHỆ CHUYỂN GEN
1
CHỦ ĐỀ:
BIẾN ĐỔI DI TRUYỀN TẠO SẮC TỐ HOA



GVHD: TS. Trương Thị Huệ
HV: Nhóm 5-Lớp Cao học Sinh-K17



1. Khái niệm sắc tố sinh học
2. Một số sắc tố sinh học ở thực vật
3. Chuyển gen tạo giống hoa có nhiều màu sắc

2
MỤC LỤC
3

Khái niệm
- Sắc tố sinh học (biochrome) là những chất được tạo ra bởi các sinh vật sống mà có màu sắc do sự hấp thu màu sắc chọn lọc.
- Sắc tố sinh học bao gồm sắc tố thực vật và sắc tố từ hoa. Nhiều cấu trúc sinh học, chẳng hạn như da,  mắt,  lông vũ,  lông và tóc đều chứa sắc tố chẳng hạn như melanin trong các tế bào chuyên biệt gọi là tế bào sắc tố.

Sắc tố sinh học là gì ?
2. Một số sắc tố sinh học ở thực vật

- Sắc tố thực vật gồm nhiều loại phân tử đa dạng khác nhau như: porphyrins, carotenoid, anthocyanin và betalain.
- Tất cả các sắc tố sinh học đều hấp thu một cách chọn lọc các bước sóng ánh sángnhất định trong khi phản xạ các bước sóng khác. Phần ánh sáng mà bị hấp thu có thể được sử dụng bởi thực vật để cung cấp năng lượng cho các phản ứng hóa học, trong khi các bước sóng ánh sáng bị phản xạ sẽ quyết định màu nào của sắc tố mà xuất hiện trước mắt.
4


- Chlorophyll là sắc tố quan trọng nhất trong thực vật; là một loại chlorin hấp thu các bước sóng ánh sáng vàng và xanh lam và phản xạ bước sóng ánh sáng màu xanh lục.
- Sự hiện diện tương đối phong phú của nó làm cho thực vậy có màu xanh lục. Mọi loài thực vật trên mặt đất và tảo lục đều sở hữu hai loại sắc tố này: chlorophyll a và chlorophyll b.
5



- Carotenoid là các tetra-terpenoit màu đỏ, cam hay vàng. Chúng có chức năng là các sắc tố phụ trong thực vật, giúp cung cấp nhiên liệu cho sự quang hợp bằng các tập trung các bước sóng ánh sáng mà không sẵn sáng được hấp thu bởi chlorophyll.
- Các loài thực vật nói chung đều có 6 carotenoid thường gặp: neoxanthin, violaxanthin, antheraxanthin, zeaxanthin, lutein và b-carotene, cùng với hai chlorophyll (Chl) chính, Chl a và Chl b. 
Những carotenoid quen thuộc nhất trong thực vật là β-carotene (sắc tố màu cam), lutein (sắc tố màu vàng được tìm thấy trong trái cây và rau quả và là carotenoid dồi dào nhất ở thực vật), và lycopene (sắc tố màu đỏ chịu trách nhiệm cho màu của cà chua).
Nói chung, hợp chất sắc tố quang hợp bị ảnh hưởng bởi các nhân tố bên trong và bên ngoài thực vật.
6


Anthocyanin (theo nghĩa đen là “xanh lam của hoa”) là các sắc tố flavonoid tan được trong nước mà có màu từ đỏ đến xanh lam, tùy vào độ pH. Chúng xuất hiện trong tất cá các mô của thực vật bậc cao, tạo ra màu ở lá,  thân, rễ, hoa, và quả, dù rằng không phải luôn ở lượng đầy đủ để có thể dễ nhận thấy được.
Anthocyanin thường dễ thấy nhất ở cánh hoa, nơi mà chúng có thể chiếm khoảng 30% trọng lượng khô của mô. Chúng cũng chịu trách nhiệm cho màu tím nhìn thấy được ở mặt dưới của các loài thực vật nhiệt đới trong bóng mát chẳng hạn như Tradescantia zebrina, ở những thực vật này, anthocyanin bắt lấy ánh sáng mà đã đi xuyên qua lá và phản xạ ngược lại về phía vùng có chlorophyll, để tối đa hóa việc sử dụng ánh sáng có sẵn.
7



Betalain là các sắc tố màu đỏ hay vàng. Giống như anthocyanin, chúng cũng tan được trong nước, nhưng khác ở chỗ là chúng được tổng hợp từ tyrosine.
Loại sắc tố này chỉ được tìm thấy ở Caryophyllales (bao gồm Họ Xương rồng và Chi Dền), và không bao giờ cùng xuất hiện trong các thực vật có chứa anthocyanin. Belatain chịu trách nhiệm cho màu đỏ thẫm của củ dền, và được sử dụng trong thương mại làm chất tạo màu thực phẩm
8
3. Chuyển gen tạo giống hoa có nhiều màu sắc

- Các sắc tố tạo màu sắc hoa được chứa trong mô của cánh hoa nhất là tế bào biểu bì.
Có 3 nhóm anthocyanin cơ bản tạo ra màu sắc hoa: dẫn xuất của các chất pelargonidin, cyanidin và delphinidin.
Các sắc tố là dẫn xuất của pelargonidin thường có màu da cam, hồng và đỏ; của cyanidin có màu đỏ hoặc màu hoa cà; delphinidin có màu tía, màu xanh và màu xanh đen.
- Trên cơ sở biết gen mã hóa cho các enzym tham gia vào biến đổi sắc tố, người ta đã chuyển gen mã hóa hoặc gen ức chế hoạt động của các enzym nhằm điều khiển hướng chuyển hóa sắc tố tạo ra hoa có nhiều màu sắc khác nhau.
9
QUY TRÌNH CHUNG BIẾN ĐỔI DI TRUYỀN TẠO SẮC TỐ HOA



B1: Xác định gen quy định màu sắc hoa: gen pelargonidin, gen cyanidin hoặc gen delphinidin.
B2: Làm bất hoạt gen hình thành màu sắc hoa bằng kỹ thuật RNA interference.
B3: Sử dụng phương pháp chuyển gen thích hợp để chuyển gen mang màu sắc mong muốn vào cây cần chuyển
10
Ví dụ: Quy trình tạo hoa hồng xanh bằng kỹ thuật RNA interference (RNAi)

- Yếu tố tạo ra màu xanh trên hoa hồng chính là gen delphinidin quy định.
- Gen iris nhằm tạo ra enzyme DFR (the dihydroflavonol reductase), enzyme này sẽ hoàn thành chu trình phản ứng tổng hợp delphinidin trên hoa hồng.
11


- Yếu tố mới chính là một gen nhân tạo. Gen này được tạo ra bởi nhóm các nhà di truyền học của công ty Suntory bằng kỹ thuật mới là RNA interference (viết tắt là RNAi). Kỹ thuật này nhằm mục đích làm ngừng sự hoạt động của gen hình thành màu đỏ trong hoa hồng. Chính gen này đã đánh bại những nỗ lực của nhóm nghiên cứu Florigene nhằm làm hoạt hóa chu trình delphinidin trong hoa hồng gần cả một thập kỷ nay. Vì vậy, các nhà khoa học của Suntory đã tạo ra một gen “câm lặng” để vượt qua sự khó khăn này bằng kỹ thuật RNAi.
12


- Trong cây trồng có một loại phân tử được gọi là anthocyanin được coi là sắc tố chủ đạo trên hoa, trái và các mô tế bào khác. Thông thường, các màu chính của hoa bắt nguồn từ anthocyanin với sự có mặt của một ít các chất carotenoid màu vàng. Ngoài ra, anthocyanin dihydrokaempferol (DHK) lại là một enzyme chi phối cho cả 3 chu trình hình thành sắc tố trên cây trồng bao gồm: cyanidin, pelargonidin và delphinidin.
13

Gen cyanidin mã hóa một enzyme làm thay đổi enzyme DHK nhằm hình thành chu trình cyanidin dẫn đến biểu hiện các màu đỏ, hồng hay màu tím hoa cà. Trong khi đó gen delphinidin không hiện diện trong cây hoa hồng sẽ mã hóa một enzyme khá tương đồng cho việc thay đổi enzyme DHK nhằm hình thành sự tổng hợp màu theo chu trình delphinidin. Một loại enzyme khác có tên gọi là dihydroflavinol reductase (DFR) sẽ hỗ trợ các màu chỉ thị trong cả ba chu trình trên. Enzyme này rất quan trọng vì không có nó sẽ không thể tạo màu trên các cánh hoa.
Chính vì vậy mà các đột biến gen DFR đều cho ra những hoa có màu trắng. Trong hoa hồng không có gen delphinidin để hình thành màu theo chu trình của nó. Chu trình delphinidin có thể hình thành màu đỏ hoặc xanh trên hoa dưới sự tác động của DRF và pH
14

- Để tạo ra một bông hồng màu xanh, các nhà nghiên cứu Florigene cần một loại bông hồng trắng trong đó gene DFR đã bị bất hoạt. Vào năm 2001, TS.Waterhouse đã thảo luận việc sử dụng kỹ thuật RNAi nhằm ức chế một gen mong muốn để sau đó có thể thay thế bằng một gen khác. Do đó, các nhà khoa học của công ty Florigene ngay lập tức nhận ra được lợi ích của việc dùng kỹ thuật RNAi nhằm ức chế hoạt động của gen DFR trong hoa hồng đỏ dẫn đến ức chế chu trình cyanidin và sau đó chuyển gen delphinidin với một gen DFR hoàn toàn mới nhằm hoàn chỉnh chu trình tổng hợp delphinidin trong hoa hồng.
15

Cùng lúc đó các nhà nghiên cứu của công ty Suntory, Nhật Bản cũng có cùng ý tưởng bằng cách dùng kỹ thuật RNAi để ức chế gen DFR sau đó họ tạo dòng (clone) một gen delphinidin mới từ loài hoa păng-xê (pansy) và gen DFR từ hoa iris.
Các gen DFR của hoa hồng và iris khá tương tự nhau và chia sẻ nhiều đoạn mã DNA, kỹ thuật RNAi cũng rất tinh tế bởi vì nó có thể ức chế gen DFR của hoa hồng mà không ảnh hưởng đến gen DFR của hoa iris bằng việc tạo ra một cấu trúc ức chế gen có tác dụng tạo ra các phân tử dsRNA kẹp tóc (hairpin dsRNA) với trình tự tương đồng với gen DFR của hoa hồng.
16


Vì thế để tạo ra bông hồng xanh, các nhà khoa học của Suntory đã áp dụng một bộ 3 gen.
Một gen nhân tạo được dùng cho kỹ thuật RNAi nhằm ức chế gen DFR của hoa hồng làm cho hoa hồng không biểu hiện màu.
Sau đó chuyển gen delphinidin từ loài hoa păng-xê và gen DFR từ loài hoa iris sẽ tạo ra hoa hồng có hàm lượng delphinidin rất cao trong cánh hoa.
Tuy nhiên, cũng phải lưu ý một yếu tố ảnh hưởng đến màu xanh trên cánh hoa đó chính là độ pH tế bào và đó là một trong những lý do chính là tại sao các loài hoa có cùng chu trình anthocyanin nhưng lại có màu khác nhau.
17


Khi nồng độ pH tế bào mang tính kiềm thì sắc tố của anthocyanin thường trở nên xanh hơn, pH của đất không ảnh hưởng hay ảnh hưởng rất ít đến pH của tế bào cánh hoa. Nồng độ pH tế bào cánh hoa thường mang tính di truyền.
Cánh hoa hồng có nồng độ pH khoảng 4,5. Chính vì vậy, để tạo ra các cánh hoa hồng có nồng độ pH thấp thì rất hạn chế.
Vì vậy, các nhà khoa học mới nghĩ đến kỹ thuật ức chế gen bằng kỹ thuật RNAi nhằm xác định những gen ảnh hưởng đến tính axít của cánh hoa hay điều chỉnh màu của cánh hoa theo những hướng khác.
18
19
Đa dạng màu hoa
20
Bông cải chuyển gen
Hoa hồng xanh
Lợi ích
- Mặc dù có nhiều tranh cãi về tiềm năng và nguy cơ của thực vật biến đổi gen. Tuy nhiên, sự biến đổi di truyền tạo ra màu sắc hoa đã tạo ra nhiều loài hoa có màu sắc khác nhau và nó đem lại nguồn thu nhập cao cho người dân trồng hoa. Trước những lợi ích đó, chúng ta có quyền hy vọng sự phát triển của chúng trong tương lai không những góp phần nâng cao thu nhập cho người trồng hoa mà còn giải quyết vấn đề lương thực thực phẩm đang được sự quan tâm của toàn nhân loại.
- Tuy nhiên, cần có các chính sách phù hợp để cân bằng giữa sự phát triển của thực vật biến đổi gen và sức khỏe của con người.
21
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Kỹ thuật chuyển gen thực vật và ứng dụng, Thúy Hồng.
Công nghệ chuyển gen thực vật.
22
23
Cảm ơn cô và các bạn đã quan tâm theo dõi