SINH VẬT BIẾN ĐỔI GEN

Trần-Đăng Hồng, PhD

Phần III: Tuyển chọn bởi con người

Tuyển chọn của thiên nhiên qua hơn 3 tỉ năm tạo ra hàng triệu loài sinh vật, gồm thế giới virus, vi khuẩn, động vật và thực vật sống trong mọi môi trường, từ đáy biển sâu cho tới mặt biển, sông hồ, từ đất liền đến núi cao, với mọi khí hậu khác nhau. Để sinh sống, các sinh vật này hoặc bằng tự-dưỡng hay dị-dưỡng. Sinh vật tự-dưỡng biến năng lượng mặt trời, khí CO₂ và nước thành đường, tinh bột, rồi từ đó biến ra chất béo, protein cần thiết cho sự sống. Đó là loài thực vật, tảo, và một số vi sinh có lục-lạp. Sinh vật dị dưỡng lấy các sản phẩm của sinh vật tự dưỡng để sống, như động vật ăn cỏ, cá ăn phiêu sinh thực vật, tảo, v.v. Rồi động vật ăn thịt ăn các động vật khác, tạo thành dây chuyền thực phẩm (food chain). Chúng cũng có thể sống cộng sinh (symbiosis) hay ký sinh (parasite)

Con người Homo sapiens biết nói, là tổ tiên của loài người hiện tại, xuất hiện cách nay khoảng 200.000 năm. Con người tiền sử này, như mọi loài thú hoang dã khác, chỉ biết hái trái hoang dại và rượt bắt thú khác để ăn. Con người thông minh tiến bộ dần, biết cách săn bắn thú, biết góp nhặt thức ăn để tồn trữ dành khi thiếu thực phẩm, trước khi biết thuần hóa động thực vật tiến hóa đến dạng chăn nuôi, trồng trọt.

THUẦN HÓA THÚ HOANG THÀNH GIA SÚC

Cách đây 11-12 ngàn năm, con người bắt đầu biết thuần hóa động vật hoang dã (domestication) thành thú nhà, gieo trồng giống cây thực phẩm thu lượm từ đồng hoang để trồng nơi cư trú, để giảm công đi săn bắn hay lượm nhặt lương thực. Nông nghiệp sơ khởi bắt đầu từ đó.

Động vật đầu tiên được con người nuôi là chó do thuần hóa từ loài chó sói (wolf). Chó sói và người tiền sử sống cộng sinh, chó sói không có đủ sức mạnh để giết và ăn thịt người như cọp hay sư tử. Chúng thường quanh quẩn theo người để ăn xương, da dư thừa. Đối với người, chó sói báo động khi có thú dữ đến gần. Thuần hóa chó sói cũng giúp con người đi săn. Qua sống cộng sinh, con người tuyển chọn từ chó sói những đặc tính tốt để biến thành chó nhà, hiền, dễ dạy, thông minh, v.v. Để chứng minh sự thuần hóa thú hoang thành thú nhà, một thí nghiệm kéo dài rất nhiều năm do Dmitri K. Belyaev (Nga) thực hiện trong thập niên 1950s với loài chồn Silver Fox (Vulpes vulpes). Loài chồn này rất nhát, chạy lẫn trốn khi gặp người. Nhóm nghiên cứu tuyển chọn trong số chồn con những con ít sợ người nhất, rồi nuôi và gầy giống. Tiếp tục tuyển chọn với các con thân thiện và dễ dạy. Cuối cùng, nhóm ông tạo được giống chồn màu xám với tánh nết hoàn toàn thay đổi: không còn sợ mà lại thân thiện với người, biết vẫy đuôi quấn quít mừng rỡ, biết liếm vào tay chủ để tỏ sự thương yêu.

Con người tiền sử dựa theo các yếu tố sau đây để thuần hóa thú hoang dã:

1. Thú có thức ăn không cạnh tranh với người. Đó là các thú ăn cỏ (herbivore, như trâu bò, dê, cừu). Nếu là thú ăn thịt (carnivore) thì thú này cũng không cạnh tranh với người (như mèo ăn chuột), hay ăn đồ dư thừa mà người không ăn (như chó ăn xương dư thừa).

2. Mau lớn (như heo)

3. Khả năng sinh sản nhanh và nhiều (như heo, thỏ). Có nhiều loài thú hoang không sinh đẻ khi bị nhốt, nên không thuần hóa.

4. Thú không nguy hiểm cho người. Con người không thuần hóa cọp, sư tử.

5. Thú ít kinh hoàng khi gặp nguy. Nhiều loài thú rất dễ hoảng sợ, chạy thoát, nên không thuần hóa được.

Nhờ tuyển chọn bởi con người, sự thuần hóa làm biến đổi đặc tính con thú. Chẳng hạn trâu nhà trở nên hiền lành khác với trâu rừng; gà vườn không biết bay như gà rừng, gà chăn nuôi kỹ nghệ, vịt hảng không biết ấp trứng.

Lần lượt theo thời gian, con người đã lần lượt thuần hóa thú hoang thành chó, trừu, dê, bò, ngựa, lừa, trâu, llama, lạc đà, nai và voi. Hiện nay con người vẫn tiếp tục thuần hóa, đặc biết thú nuôi trong nhà (pet).

THUẦN HÓA CÂY HOA MÀU

Cây hoa màu được thuần hóa đầu tiên trên thế giới có lẻ là vùng Syria hiện nay cách đây khoảng 13 ngàn năm với loài lúa rye (Secale cereale) hoang dại. Cây hoa màu họ hòa bảng khác như lúa mì, họ đậu như đậu pea và cây ăn trái như táo (apple) được thuần hóa khoảng 11 ngàn năm trước đây ở vùng Trung Đông. Ở vùng Mỹ Châu, bí rợ, bắp, đậu, khoai mì được thuần hóa, trong lúc kê (millet), lúa, đậu nành được thuần hóa ở Á châu.

Con người thời bấy giờ tuyển chọn cây hoa màu dựa theo các hình thái bên ngoài và dễ quan sát từ tập đoàn hoang dại:

- Dễ trồng, hạt nẩy mầm nhanh và đồng bộ.

- Cây có cơ quan sinh dục lớn như gié lúa, trái bắp, trái đậu.

- Sản phẩm ăn phải lớn như hạt, hay củ.

- Hạt già chín không rụng.

- Cây không chứa chất độc.

Tóm lại, tiêu chuẩn tuyển lựa cây hoa màu là dựa vào bộ-hình-thái quan sát được của từng cây trong cộng đồng. Lúa là một ví dụ điển hình tuyển chọn bởi con người tiền sử.

Giống lúa Á Châu (Oryza sativa) được thuần hóa từ giống hoang dại Oryza rufipogon cách đây trên 9.000 năm, và qua hàng ngàn năm tuyển chọn bởi con người, nên thích ứng rộng rải trên nhiều loại khí hậu, từ nhiệt đới đến ôn đới, từ đồng bằng đến núi cao, ở mọi loại đất đai từ ngập nước (lúa nước) đến núi đồi khô hạn (lúa rẩy). Ngoài ra, lúa O. nivara, một loại lúa hoang dại hàng niên, cũng là tổ tiên của lúa Á Châu. Cả 2 loại lúa hoang này đều có mặt ở Việt Nam.

Các nghiên cứu cho biết để biến lúa hoang dại thành lúa canh tác Á châu, việc thuần hóa xảy ra ở 2 vùng địa lý khác biệt, hậu quả tạo thành 2 giống lúa quan trọng là O. sativa indica và O. sativa japonica.

Giống Indica được thuần hóa rộng rải ở phía Nam Hy Mả Lạp Sơn, gồm Đông Ấn Độ, Miến Điện, Thái Lan; còn giống Japonica được thuần hóa ở Đồng Bằng Sông Hồng cho tới nam Trung Quốc.

Cộng đồng lúa hoang trên cánh đồng là một tập hợp của vô số cây lúa có bộ-di-truyền (genotype) khác nhau do đột biến, do lai-tạo tự nhiên, v.v. và chúng có bộ-hình-thái (phenotype) khác nhau. Dựa trên bộ-hình-thái, con người tuyển chọn trong cánh đồng lúa hoang những cây có gié mà hạt có râu ngắn, cả gié chín đều một lượt, hạt không rụng, và nhiều đặc tính ưa thích khác để làm giống cho mùa sau. Qua cả hàng ngàn năm tuyển chọn và canh tác, con người có tới hàng vạn giống lúa canh tác thích hợp cho mỗi địa phương ở khắp Á châu.

Hình 1. Lúa hoang Oryza rufipogon (hình trái) và lúa canh tác (O. sativa) (hình phải). Lúa canh tác cổ truyền, cao ít hạt (bên trái) và lúa cải thiện IR lùn nhiều hạt (bên phải)

Một ví dụ khác của việc thuần hóa và tuyển chọn bởi con người trong thời gian từ 7.500 năm đến 12.000 năm là cải biến giống cỏ teosinte thành cây bắp. Hệ gen của cây teosinte (Zea mays ssp. Parviglumis), và cây bắp (Zea mays) chỉ khác nhau bởi 2 gen.

Theo nhà di truyền thực vật học John Doebley của đại học Wisconsin-Madison thì cách đây 23.000 năm, một mảnh DNA chứa gen mang tên Hopscotch của loài ruồi trái cây Drosophile nhảy vào hệ gen của cây teosinte, và làm biến đổi hệ-gen cây này, làm cây teosinte có trái lớn hơn, nhiều hạt hơn, cây ít nhánh hơn, và nhà nông chọn cây này thuần hóa, cải thiện, lai tạo thành cây bắp ngày nay.

Hình 2. Hình dạng cây cỏ teosinte và cây bắp (hình trái). Diễn tiến từ trái teosinte thành trái bắp hiện đại qua thuần hóa và tuyển chọn bởi con người (hình phải).

Con người ngày nay vẫn tiếp tục thuần hóa cây hoang thành cây công nghiệp (như cao su, trà, cà phê, v.v.), cây ăn trái, ăn hạt (như macadamia, pecan), và nhất là hoa kiểng, tùy theo nhu cầu của con người biến đổi theo thời đại.

LAI-TẠO (Breeding, Hybridization)

Lai-tạo là một phương pháp trộn lẩn bộ máy di truyền của hai cây để tạo ra cây mới mang nhiều đặc tính tốt hơn hai cây trên.

Con người đã biết lai-tạo giống mới ngay sau thời kỳ biết thuần hóa, cách đây khoảng 9 đến 11 ngàn năm. Nông gia thời cổ đại quan sát thấy có sự liên hệ giữa đặc tính giống cây mới lấy từ hạt của những hoa mà phấn hoa được ong bướm mang đến từ một cây khác. Vì vậy, họ bắt chước tạo những giống mới bằng lai-tạo, lấy phấn hoa của cây này để vào nhị cái của hoa cây khác một cách may rủi. Sau đó, đem gieo tất cả và họ chọn những cây có những đặc tính tốt theo ý muốn để làm giống cho mùa sau.

Luật di-truyền Mendel. Chính Gregor Mendel (1822 – 1884) đã đưa kỷ thuật lai-tạo thành một khoa học chính xác theo các công thức phân-ly (segregation) các đặc tính di truyền. Trong thời gian 1856 – 1863, ông trồng và thử nghiệm trên 29 ngàn cây đậu pea (Pisum sativum). Ông cho lai (cross-pollination) hai giống thuần, một giống có hạt màu Vàng (Y) với một giống có hạt màu Xanh (g). Ở thế hệ thứ 1 (F1), tất cả hạt đều màu Vàng (Yg). Các cây F1 được tự-thụ-phấn, cho hạt thế hệ F2. Ở thế hệ F2, tỉ lệ hạt Vàng/hạt Xanh là 3:1.

Hình 3. Định luật phân ly theo tỉ lệ 3:1 ở đời F1 của Mendel

Nếu lấy hạt Xanh (gg) gieo, các cây đều cho hạt thuần Xanh (gg). Nếu hạt vàng gieo, thì có 2 trường hợp. Cây thuần (YY) đều cho hạt thuần Vàng (YY). Ngược lại hạt lai Vàng (Yg) thì lại cho Vàng/Xanh theo tỉ lệ 3:1.

Hình 4. Định luật phân ly ở đời F2 và F3 của Mendel

Từ kết quả này, Ông kết luận:

1. Đặc tính được di truyền bởi “đơn vị di truyền” (nay gọi là gen)

2. Mỗi cá nhân đời con được nhận “đơn vị” đó từ cha và mẹ

3. Đặc tính đó có thể không hiện ở đời con nhưng vẫn hiện diện trong bộ máy di truyền

Như vậy chỉ có allele ưu-tính (dominant, như Y) xuất hiện, còn allele liệt tính (recessive, g) thì bị che khuất.

Khoa học lai tạo đã tiến bộ rất nhanh khi các ngành sinh học được phát triển, như sinh học tế bào (molecular biology), sinh hóa học (biochemistry), tế bào học (cytology), phân loại học (systematics), sinh lý học (physiology), bệnh lý học (pathology), côn trùng học (entomology), v.v.

LAI-TẠO CỔ ĐIỂN

Lai tạo cổ điển gồm việc cho thụ tinh giữa phấn của cây cha lên bầu nõan của cây mẹ, cây cha và cây mẹ có thể là các dòng bà con gần hay bà con xa cùng loài, hay khác loài nhưng cùng giống (genus, genera) (Interspecific hybrids) để sản xuất giống mới mang nhiều đặc tính tốt:

1. Năng xuất cao, phẩm chất tốt

2. Chịu đựng được môi trường xấu (mặn, phèn, khô hạn, nóng hay lạnh quá)

3. Kháng bệnh virus, nấm, vi khuẩn

4. Kháng côn trùng

5. Kháng được thuốc diệt cỏ

Chẳng hạn, giống lúa IR8 (Thần Nông 8 ở Miền Nam VN) là giống lai đầu tiên trong cách mạng xanh của lúa trên thế giới. Lai lịch của IR8 như sau. Năm 1962, Dr Peter Jennings của Viện Khảo cứu lúa gạo quốc tế (IRRI) tại Phi Luật Tân làm tổng cộng 38 lai tạo giữa rất nhiều giống lúa du nhập. Lai-tạo thứ 8 là giữa giống DGWG (Dee-geo-woo-Gen) của Đài Loan có thân lùn với giống lúa thân cao Peta của Indonesia, và cho được 130 hạt. Dr Beachel phụ trách việc tuyển chọn. 130 hạt này được gieo riêng biệt trong 130 chậu cho cây đời F1, tất cả đều có thân cao. Cây đời F1 sản xuất tổng cộng 10.000 hạt đời F2. Một phần tư (1/4) cây đời F2 có thân lùn, như vậy đặc tính lùn được chi phối bởi một gen từ giống DGWG. Tất cả cây thân cao của đời F2 bị loại bỏ. Tất cả các cây lùn giữ làm giống để sản xuất hột đời F3. Trong số mấy ngàn cây đời F3, chỉ chọn 298 cây theo tiêu chuẩn cho là tốt nhất để sản xuất hạt đời F4. Hạt của từng cây được thâu hoạch riêng biệt và gieo trồng thành 298 hàng riêng biệt cây đời F4. Ở đời cây F4, Beachel cũng tuyển chọn cây mang đặc tính tốt nhất. Đó là cây thứ 3 thuộc hàng 288. Vì vậy lý lịch cây này là IR8-288-3. Ông nhân giống cây này để cho hạt đời F5, và cây đời F5 trở thành nguồn giống lúa IR8 phóng thích năm 1966. Giống IR8 có thân lùn, lá thẳng đứng và cho năng xuất rất cao, 7T/ha/mùa trồng 120 ngày. Cũng cần biết thêm Peta vốn là giống được tuyển chọn từ lai tạo của 2 giống Cina x Latisail. Như vậy IR8 phối hợp hệ gen của 3 giống [Cina x Latisail] x DGWG. Nhưng yếu điểm của IR8 là hạt ăn không ngon, dễ bị côn trùng và bệnh phá hại. Để sửa đổi các yếu điểm trên, IRRI tạo ra nhiều giống khác sau đó.

Giống IR20 là phối hợp gen qua lai tạo lần lượt của 6 giống lúa: [Cinar x Latisail] x [DGWG x Tsai Yuan Chung] x [Vellaikar x Kithri Samba].

Giống IR 24 là phối hợp gen của 10 giống.

Giống IR 36 mang nhiều đặc tính tốt về phẩm chất hạt, kháng nhiều loại bệnh, kháng sâu, kháng đất phèn, chịu đất mặn lại có năng xuất cao. Đây là giống phối hợp gen của 16 giống lúa, trong đó có giống hoang dại Oryza nivara.

Mục đích của lai-giống là đưa gen mong muốn vào cây lai, tuy nhiên trong nhiều trường hợp đặc tính mong muốn đó không thấy xuất hiện. Trong trường hợp này, cây lai đời F1 được lai lại, gọi là hậu-lai (Backcross) với giống cha hay mẹ. Giống lúa hoang dại Oryza nivara có gen kháng bệnh virus cỏ lùn (grassy stunt virus, GSV). Vì vậy, lai giữa O. nivara với IR24, rồi cho lai lại với IR24 hai lần, cho giống lúa mới y hệt IR24 và kháng được GSV.

Cây lai F1 có đặc tính tốt vượt hẳn cha và mẹ, được gọi là “cường-tính cây lai” (heterosis, hybrid vigour). Hiện tượng này được dễ dàng áp dụng lai tạo với các loại cây có phát hoa đực và cái riêng biệt trên cùng một cây, như cây bắp (ngô). Cờ bắp cho hạt phấn, còn trái bắp bên dưới chứa bầu noãn. Chỉ cần cắt bỏ cờ bắp, trái bắp bên dưới được thụ tinh do phấn từ một giống bắp khác làm nguồn gốc cha trồng ở hàng kế bên. Như vậy tạo được giống bắp lai đời F1. Nếu tiếp tục tự thụ phấn, cường-tính-cây-lai bị biến mất ở các thế hệ sau. Như vậy, chỉ xử dụng làm giống hạt lai đời F1 mà thôi, và chỉ có cơ sở chuyên môn mới có khả năng sản xuất hạt lai F1 để làm giống.

Khoảng năm 1933, bất-thụ-đực-tế-bào-chất (cytoplasmic male sterility, CMS), được phát triển ở bắp. Cây có gen này sản xuất toàn hạt phần bất thụ (sterile), nên không tự-thụ-tinh được. Nó phải được thụ tinh từ hạt phần của cây có hạt phấn hữu-thụ (fertile) trồng kế bên. Vì vậy dùng cây này làm nguồn gốc mẹ để sản xuất cây lai F1 mà không cần phải lặt bỏ cờ bắp. Nhờ vậy, công tác lai tạo dễ dàng hơn, giá sản xuất hạt giống bắp lai rẽ hơn.

Ngoài ra, còn khám phá bất-dục-đực-do-nhiệt-cảm (Temperature sensitive genic male sterility), khi có nhiệt độ cao quá 28ºC thì cho hạt phấn bất thụ, và bất-dục-đực-do-quang-cảm (Photoperiod sensitive genic male sterility) khi gặp ngày dài >14 giờ thì cho hạt phấn bất thụ. Chính nhờ cây có những gen này dùng để làm giống mẹ sản xuất giống lúa lai F1 (Hybrid rice).

Việc lai phấn giữa các cây khác loài nhưng cùng giống (interspecific) hay khác giống (intergeneric) thường cho cây lai bất-thụ, nghĩa là cây không cho hoa trái, bởi vì sự khác biệt số nhiễm thể. Chẳng hạn, cho lai giữa lúa mì (mẹ) với rye (cha) cho hột bị rụng khi còn non. Vì vậy, các nhà lai tạo dùng kỹ thuật cứu phôi mầm (embryo rescue) bằng phương pháp “cấy mô” (tissue culture) để nuôi thành cây lớn. Nhưng cây lai này không cho hoa vì bất thụ, do số nhiễm thể lẻ (tam-bội). Vì vậy, các nhà lai-tạo xử dụng colchicine để đa-bội, gia tăng gấp đôi số nhiễm thể thành số chẵn (lục-bội) để trở thành hữu-thụ.

Kỹ thuật cứu phôi mầm cũng được áp dụng để cứu hột lai giữa Oryza glaberrima x O. sativa, vì hột lai đời F1 này bị rụng trước khi phát triển thành hạt. Giống lúa cải thiện này được mang tên “Nerica” (viết tắt chữ New rice for Africa).

LAI-TẠO TÂN TIẾN

Trong lai-tạo cổ-điển, ta xử dụng hạt phấn và bầu noãn, tức tế bào cơ quan sinh dục, đều đơn-bội (n). Với phương pháp tân tiến, ta có thể kết hợp 2 bộ máy di truyền của 2 giống thành một giống qua tế bào thường (somatic cell) như của thân, lá, rễ, thường lưỡng-bội (2n).

Trộn lẫn nguyên-sinh-chất (Protoplas fusion). Cây lai cũng có thể tạo thành bằng phương pháp trộn lẫn nguyên-sinh-chất từ tế bào của 2 loài khác nhau. Sau khi tách bỏ màng tế bào (thường bằng enzyme làm tan màng tế bào) nguyên sinh chất chứa nhân được nuôi dưỡng trong dung dịch đường, như alginate, rồi dưới ảnh hưởng của điện từ hay bởi dung dịch polyethylene glycol (PEG), các DNA trong nhân của hai nguồn nguyên sinh chất kết hợp tái tạo nhân mang bộ di truyền mới. Nguyên-sinh-chất kết hợp này được nuôi dưỡng tái tạo màng tế bào, thành một tế-bào-lai. Dùng phương pháp cấy mô biến tế-bào-lai này thành ra cây lai có mang gen của 2 loài trên.

Nhân đôi tế bào đơn-bội (Doubled haploids – DH). Phương pháp tạo cây đồng-hợp-tử (homozygous), tức cây mà 2 allele đều y hệt nhau (như AA hoặc aa). Đó là dòng thuần chủng (pure line). Cây bình thường là nhị-bội (diploid, 2n) hay đa-bội (polyploid) có số bộ nhiễm thể chẵn (4n, 6n). Hạt phấn hay bầu noãn thì đơn-bội (haploid, n), trong đó nhiễm thể chứa một allele (hoặc A hay a). Khi cho thụ phấn (n) với bầu noãn (n), cây lai mang hai allele AA, hoặc aa (thuần chủng), hoặc Aa (cây lai). Trong lai tạo cổ điển, ta có thể tạo thuần chủng cho một vài đặc tính (chẳng hạn AA, bb, CC), nhưng không thể nào tạo được giống thuần chủng với hàng vài ba chục đặc tính, bởi vì bộ di-truyền có chứa một số allele khác nhau (như AA, bb, CC, Dd, Ee..). Ngược lại, nếu nhân đôi được tế-bào đơn bội (ví dụ A, b, c, D, E) thành nhị-bội, ta sẽ có tế bào-đồng hợp-tử (AA, bb, cc, DD, EE), allele của mỗi cặp đều giống nhau. Dùng phương pháp cấy mô, biến tế-bào đồng-hợp-tử thành cây thuần chủng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÁNH

1. Wikipedia. Domestication. http://en.wikipedia.org/wiki/Domestication
2. Wikipedia. Plant breeding. http://en.wikipedia.org/wiki/Plant_breeding
3. Miracle rice IR8 http://www.livinghistoryfarm.org/farminginthe50s/crops_17.html
4. IR36. http://www.google.co.uk/#hl=en&gs_nf=1&cp=4&gs_id=k&xhr=t&q=IR36&pf=p&sclient=psy-ab&oq=IR36&gs_l=&pbx=1&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.r_qf.,cf.osb&fp=671583b89421f6af&biw=1536&bih=770
5. G.S. Khush & P.S.Virk. IR varieties and their impact .

http://books.google.co.uk/books?id=7ErTt58v5CoC&pg=PA48&lpg=PA48&dq=History+of+IR24+rice&source=bl&ots=GJiOabHr-W&sig=tTSljqaaRz58ImhVhZmG5izFJBc&hl=en&sa=X&ei=9tn_T5yaKKrB0QWStb2mBw&ved=0CEYQ6AEwBDgK#v=onepage&q=History%20of%20IR24%20rice&f=false

Mời đọc:

Phần I. Tuyển chọn bởi thiên nhiên

Phần II. Đại cương di-truyền học

Phần III. Tuyển chọn bởi con người

Phần IV. Lai-tạo DNA hay Kỹ Thuật Chuyển Gen

Phần V. Cây hoa màu biến-đổi-gen

Phần VI. Chống đối sinh-vật biến-đổi-gen

Phần VII. Tranh luận sinh-vật biến-đổi-gen