Bài giảng Cơ sở phân tử của sự phát triển thực vật

CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA SỰ PHÁT TRIỂN 
 THỰC VẬT 
Sự điều hịa biểu hiện gen ở Eucaryote 
Phát triển là quá trình kiểm sốt sự biểu 
hiện gen, quá trình điều hịa phức tạp về 
cơ chế, cơ bản cĩ 5 mức độ: 
1- Sự xoắn của NST (Chromatin Packing) 
2- Kiểm sốt sự phiên mã (Transcriptional Control) 
3- Điều hịa hậu phiên mã (Posttranscriptional) 
 [Nhân tế bào (Nuclear levels)] 
4- Kiểm sốt sự giải mã (Translational Control) 
5- Điều hịa hậu giải mã (Posttranslational Control) 
[Cytosol (Cytoplasmic levels)] 
2 
3 
4 
5 
Sự điều hịa phiên 
mã bởi những phân 
tử protein,yếu tố 
phiên mã 
(transcription factors 
-TF). Các phân tử 
protein này luơn hiện 
diện trong tế bào và 
bám vào enhancer 
của DNA khi phân tử 
DNA cĩ tín hiệu phiên 
mã. 
6 
Điều hịa sau phiên mã (Posttranscriptional 
control) 
 - Loại bỏ introns 
 - mRNA rời khỏi nhân tế bào 
 - Cĩ thể kiểm sốt tốc độ di chuyển của 
mRNA ra cytosol (điều hịa số lượng và sản 
phẩm) 
7 Processing of mRNA Transcripts 
9 
Điều hịa giải mã (Translational Control) 
Quá trình kiểm sốt và xác định mức 
độ mRNA được mã hĩa thành protein bao 
gồm kiểm sốt sự hiện diện của 5’-CAP, 
3’-polyA và ảnh hưởng của sự hoạt động 
protein sản phẩm trong quá trình giải mã. 
10 
11 
12 
Summary of Gene Expression 
(Eukaryotes) 
13 
Mô hình hormon (động vật) 
14 
Thông tin thứ 2 của hormon (động vật) 
15 
Thông tin thứ 2 của hormon thực vật 
• Yếu tố đáp ứng (RE: responsive element) của hormon 
thực vật: GARE, ABRE, ERE (GCCGCC) 
16 
Mơ hình hoạt động của auxin 
Biểu hiện gen trong quá trình sinh phơi 
Nguyên tắc nghiên cứu sự biểu hiện gen 
trong quá trình sinh phơi là thu thập 
các biểu hiện đột biến và phân tích 
theo mơ hình của Arabidopsis 
thaliana). 
Cĩ khoảng 3.500 gen cần cho sự phát triển 
phơi hồn chỉnh, trong đĩ khoảng 40 
gen liên quan trực tiếp quá trình, (nếu 
đột biến sẽ cĩ biểu hiện khiếm khuyết 
của phơi). 
18 
Các kiểu đột biến theo trục dọc cây mầm 
19 
20 
Cây hoang dại: hợp tử kéo dài, phân 
chia lần 1 cho tế bào ngọn nhỏ (phôi) 
và tế bào gốc lớn (dây treo), sau đó 
luôn theo các hướng xác định. 
Đột biến gnom: hợp tử ít kéo dài, 
phân chia lần 1 cân xứng, sau đó 
không theo hướng xác định. 
Phôi hoang dại có 2 tầng ở 
giai đoạn 8 tế bào: tầng 
trên cho tử diệp + chồi; 
tầng dưới cho trụ hạ diệp + 
rễ. 
Đột biến monopteros (mp): 
4 tầng phân chia kiểu tầng 
trên của phôi dại  thiếu 
trụ hạ diệp & rễ  gen mp 
kiểm soát tạo trụ hạ diệp & 
rễ. 
• Vì sao đột biến gnom khôngcó rễ? 
• Gene gnom 
•  
• Sản phẩm X (?) 
•  
• Gene mp hoạt động 
•  
• Phần gốc cây mầm 
Nhận xét về quá trình sinh phôi: 
(1) Sự biểu hiện gene xảy ra theo một trình tự 
xác định: gnom  mp  stm 
(2) Kéo dài tế bào theo hướng và vị trí đúng của 
mặt phẳng phân chia tế bào là những yếu tố 
đầu tiên kiểm soát sự phát sinh hình thái. 
(3) Phôi có cấu trúc phân tầng (phân đoạn) ở 
các giai đoạn sớm. 
(4) Quá trình sinh 
phôi được kiểm soát 
chính xác theo thời 
gian và không gian. 
• (5) Nhờ sự điều hòa (theo thời gian và không 
gian), các tế bào dẫn xuất từ hợp tử phân hóa, 
mất tập tính phân chia và lần lượt cho những cấu 
trúc hình thái chuyên biệt. 
• (6) Mỗi tế bào soma thừa hưởng toàn bộ thông tin 
di truyền của hợp tử, nhưng chỉ có một phần 
thông tin được biểu hiện trong tế bào phân hóa. 
• (7) Tiềm năng sinh phôi của tế bào bị đàn áp bởi 
các tương quan trong cơ thể nguyên vẹn. 
• (8) Sự tương quan (thuận & nghịch) xuất hiện sớm 
trong quá trình sinh phôi (tế bào ngọn đàn áp khả 
năng sinh phôi của tế bào gốc) và có thể giải thích 
ở mức phân tử (liên hệ gnom / mp). 
Sự nuôi cấy tế bào và thu nhận cây chuyển gen 
• Nuơi cấy mơ và tế bào thực vật (Plant cell and tissue culture) là sự nuơi cấy in vitro 
tế bào và mơ thực vật. 
• Kỹ thuật này cĩ tính ứng dụng cao trong 
việc tạo các mẫu chuẩn sử dụng cho các 
nghiên cứu sinh lý, sinh hĩa, di truyền hay 
cấu trúc thực vật. 
• Đây là phương tiện hữu hiệu trong vi nhân 
giống theo qui mơ cơng nghiệp 
(micropropagation). 
Chuyển gen thực vật (Transgenic Plant) 
là một trong những lĩnh vực đang được 
đầu tư và phát triển. Sự kết hợp sử 
dụng các thể chuyển như vi khuẩn, 
súng bắn gen cùng với nuơi cấy tế bào 
(hay đồng nuơi cấy) đã tạo một điều 
kiện thích hợp cho sự tái tổ hợp DNA 
trong cơ thể thực vật. 
Hiện tượng chuyển gen xảy ra trong tự 
nhiên, con người chỉ phát hiện và cải 
tiến theo hướng thực dụng. 
• Các kiểu nuôi cấy in vitro 
•  Nuôi cấy đoạn thân (plant culture) 
•  Nuôi cấy phôi (embryo culture) 
•  Nuôi cấy cơ quan (organ culture) 
•  Nuôi cấy mô hay mô sẹo (tissue or 
callus culture) 
•  Nuôi cấy dịch treo tế bào hay nuôi 
cấy tế bào (cell suspension or cell 
culture) 
•  Nuôi cấy TBT (protoplast culture) 
•  Nuôi cấy thể đơn bội (haploid culture): 
• hạt phấn, bao phấn, noãn, bầu noãn 
Mô sẹo 
Dịch treo tế bào 
Một cách tổng quát, sự thu nhận phôi thể hệ qua 2 giai đoạn quan trọng 
Sự tạo tế bào sinh phôi trong mô sẹo hay dịch treo tế bào, giai 
đoạn này cần hiện diện của auxin (riêng rẽ hay phối hợp cyt). 
Tiến hoá phôi thể hệ với sự giảm hay loại bỏ auxin trong môi 
trường nuôi cấy. 
Auxin tỉng céng
IAA
0 3 5 7 10
Thêi gian (ngµy)
Giai đoạn tiến hóa phôi Giai đọan tạo tế bào sinh phôi (mô sẹo, 
dịch treo tế bào) 
Phôi hình cầu Phôi hình chùy 
Phôi trưởng thành 
Các giai đoạn tiến hoá 
phôi thể hệ ở mô sẹo lá 
Đinh lăng 
g 
h 
b 
20m 
f 
200m 
e 
300m 
d 
400m 
c 
140m 
Phơi ở giai đoạn hai tử diệp Cây con phát triển từ 
phơi 
3. Sự chuyển gen ở thực vật 
DNA tái tổ hợp 
+ Agrobacterium (với 
plasmid biến đổi) 
Nuôi cấy và tuyển chọn với chất kháng sinh 
Súng DNA 
The Golden Rice 
• Vitamin A deficiency is a major health problem 
• Causes blindness 
• Influences severity of diarrhea, measles 
• >100 million children suffer from the problem 
• For many countries, the infrastructure doesn’t 
exist to deliver vitamin pills 
• Improved vitamin A content in widely 
consumed crops an attractive alternative 
-Carotene Pathway Problem in Plants 
IPP 
Geranylgeranyl diphosphate 
Phytoene 
Lycopene 
 -carotene 
(vitamin A precursor) 
Phytoene synthase 
Phytoene desaturase 
Lycopene-beta-cyclase 
ξ-carotene desaturase 
Problem: 
Rice lacks 
these enzymes 
Normal 
Vitamin A 
“Deficient” 
Rice 
The Golden Rice Solution 
IPP 
Geranylgeranyl diphosphate 
Phytoene 
Lycopene 
 -carotene 
(vitamin A precursor) 
Phytoene synthase 
Phytoene desaturase 
Lycopene-beta-cyclase 
ξ-carotene desaturase 
Daffodil gene 
Single bacterial gene; 
performs both functions 
Daffodil gene 
-Carotene Pathway Genes Added 
Vitamin A 
Pathway 
is complete 
and functional 
Golden 
Rice 
4. Cô lập, nuôi cấy và dung hợp tế bào trần 
Tế bào trần cô lập từ lá Khoai tây (Solanum tuberosum L.) 
Hỗn hợp enzym celulaz 0,05%, Pectolyaz 0,025% trong dung dịch sorbitol 
6%. 
Phát sinh 
phơi thể hệ 
từ sự nuơi 
cấy tế bào 
trần ở cây 
Chuối 
• Phân tích di truyền
• Bộ gen nhân: Phần lớn cây lai không bền 
nhiễm sắc thể; một số nhiễm sắc thể bị loại. 
• Bộ gen lục lạp: Cây lai chỉ có một kiểu lục 
lạp [thay bộ gen lục lạp]. 
• Bộ gen ti thể gồm nhiều dưới phân tử có 
nguồn gốc từ 2 tb cha-mẹ 
Sơ đồ hệ thống điện 
xung (gene pulser) 
Tuyển chọn ở mức tế bào 
Nhuộm sống tế bào trần: fluorescin cho tế 
bào này và rhodamin cho tế bào kia. 
Dùng tế bào A kháng chất A, tế bào B kháng 
chất B và tuyển chọn tb kháng đồng thời 
A và B. 
Tuyển chọn ở mức cây tái sinh 
Đối với bộ gen nhân, có thể dựa vào các chỉ 
thị hình thái, sinh hóa (isoenzym), phân 
tử (dò phân tử, RFLP, RAPD...) và tế bào 
(quan sát nhiễm sắc thể ở metaphase)... 
•Tuyển chọn các sản phẩm dung hợp 
• Thí dụ về sự lai thể hệ ở khoai tây 
• Dòng BF 15 nhạy virus & tuyến trùng. 
• Điện dung hợp: BF 15 * Aminca (kháng) 
• Nuôi cấy: mô sẹo và thu nhận cây tái sinh 
Kiểu isoenzym malat dehydrogenaz của cây lai BF 15 x Aminca 
• Triển vọng và khó khăn trong sự dung hợp 
tế bào trần 
• * Loại trừ tính bất thụ hữu tính, chuyển đặc 
tính có ích vào cây trồng. 
• * Ít phương tiện, ít tốn kém, nhanh và trực 
tiếp. 
• [Thành công ở khoai tây, cà chua, bắp cải, 
thuốc lá, đậu, lúa, bắp] 
• * Cần hoàn thiện kỹ thuật nuôi cấy TBT 
• * Tuyển chọn phức tạp 
Thí dụ ở colza 
Vài đột biến gen ti thể gây vô sinh đực tế 
bào chất (SMC): hạt phấn không 
hoạt động. 
SMC được dùng để sản xuất hột giữ đặc 
tính mẹ (không phải ngắt nhị bằng 
tay). 
SMC được đưa vào colza nhờ sự giao với 
radis: cây lai khiếm khuyết diệp lục 
tố. 
Lai thể hệ colza bình thường X colza SMC 
(nhờ giao với radis).