Đang xem 12
Việc giới thiệu về quy trình sử dụng enzyme để cô lập tế bào trần thực vật (Cooking 1960) đã đưa ra một bộ mặt mới đầy hứa hẹn cho tế bào thực vật và nuôi cấy mô và mở ra một lĩnh vực mới trong sinh học tế bào thực vật. Điều làm cho tế bào trần có tác động mạnh như một hệ thống thí nghiệm đó là hệ enzyme phân hủy vách tế bào làm lộ ra bề mặt màng tế bào như là một rào cản giữa môi trường bên ngoài và thành phần bên trong tế bào. Sự tiếp cận đến màng sinh chất có ý nghĩa là thí nghiệm có thể được thiết lập để nghiên cứu và thao tác trên các thuộc tính của màng tế bào điều mà không thể thực hiện được khi bị bao phủ bởi vách tế bào. Tế bào trần được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thí nghiệm từ nghiên cứu những tính chất vật lý của màng sinh chất (Ruesink 1973) đến những nghiên cứu nhập bào và hấp thu các phần tử (Willison et al. 1971), các bào quan (Potrykus 1975) và vi sinh vật (Davey và Power 1975).
CÁC ĐÓNG GÓP CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU PROTOPLAST
(TẾ BÀO TRẦN) CHO TẾ BÀO VÀ SINH HỌC PHÂN TỬ
Edward C. Cocking
Plant Genetic Manipulation Group University of Nottingham, Nottingham, U.K.
Người dịch: Nguyễn Anh Tuấn
Các nghiên cứu về protoplast trong thời kỳ 1960 và 1970
Việc giới thiệu về quy trình sử dụng enzyme để cô lập tế bào trần thực vật (Cooking 1960) đã đưa ra một bộ mặt mới đầy hứa hẹn cho tế bào thực vật và nuôi cấy mô và mở ra một lĩnh vực mới trong sinh học tế bào thực vật. Điều làm cho tế bào trần có tác động mạnh như một hệ thống thí nghiệm đó là hệ enzyme phân hủy vách tế bào làm lộ ra bề mặt màng tế bào như là một rào cản giữa môi trường bên ngoài và thành phần bên trong tế bào. Sự tiếp cận đến màng sinh chất có ý nghĩa là thí nghiệm có thể được thiết lập để nghiên cứu và thao tác trên các thuộc tính của màng tế bào điều mà không thể thực hiện được khi bị bao phủ bởi vách tế bào. Tế bào trần được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thí nghiệm từ nghiên cứu những tính chất vật lý của màng sinh chất (Ruesink 1973) đến những nghiên cứu nhập bào và hấp thu các phần tử (Willison et al. 1971), các bào quan (Potrykus 1975) và vi sinh vật (Davey và Power 1975). Hơn thế nữa, do tính sẵn sàng có thể sử dụng tế bào trần cho các phương pháp phá vỡ tế bào để nhanh chóng thâu nhận các bào quan và các đại phân tử mà không gặp phải sự biến dạng hư hỏng như các phương pháp ly trích thông thường (Howland et al. 1975). Rất dễ nhanh chóng nhận thấy rằng các tính chất của màng sinh chất dưới một số điều kiện thuận lợi nào đó có thể chịu sự dung hợp và có khả năng hình thành tế bào lai, cuối cùng dẫn đến sự tạo ra tế bào lai sinh dưỡng liên quan đến sự cải thiện năng suất thu hoạch mùa vụ (Nickell và Torey 1969). Do mỗi một tế bào cách ly với tế bào khác trong quần thể tế bào trần và là một hệ thống đơn bào nên có thể thao tác tương tự như quần thể vi sinh vật. Tính chất này được khai thác thành công trong thí nghiệm cho nhiễm đồng loạt bởi virus (Takebe 1975), nuôi cấy nhân giống vô tính tế bào và phân lập các tế bào đột biến.
Giai đoạn chính trong sự phục hồi trở lại của tế bào trần trong mội trường nuôi cấy tế bào nguyên vẹn là quá trình tổng hợp và phát sinh trở lại vách tế bào. Tế bào trần phân lập từ mô quả cà chua được khảo sát chi tiết đầu tiên quá trình cung cấp enzym để phục hồi trở lại vách tế bào (Pojnar et al. 1967). Mặc dầu báo cáo đầu tiên về enzyme phân lập của tế bào trần được công bố vào năm 1960 (Cocking 1960) nhưng mãi đến 10 năm sau sự phân chia tế bào đầu tiên từ tế bào trần mới được báo cáo (Nagata và Takebe 1970) thí nghiệm khảo sát trên tế bào thịt lá thuốc lá tái tạo nhanh chóng vách tế bào mới và khoảng 60-80% số tế bào có vách mới đã phân cắt tế bào trong môi trường nuôi cấy. Mô sẹo được hình thành thúc đẩy sự tạo thành cành non rồi sau đó là cây thuốc lá nguyên vẹn (Takebe et al. 1971). Cùng thời gan ấy Kao et al. (1970) quan sát sự tái tạo và phân chia ở tế bào trần cây đậu nành trong môi trường nuôi cấy. Cuối năm 1970 đã chứng minh rõ nuôi cấy tế bào trần để tạo tập đoàn tế bào và cuối cùng là cây hoàn chỉnh đã trở nên là quy trình trong nhiều phòng thí nghiệm, và có nhiều loài đã được nhân bội ổn định. Tuy nhiên, còn có một số vấn đề cần khắc phục được nêu ra do Evans và Cocking (1978) đó là môi trường nuôi cấy, yếu tố vật lý môi trường, và yếu tố di truyền.
Một trong những lý do protoplast không rời nhau ra là bề mặt tế bào có tích điện và chúng có khuynh hướng kết dính với nhau. Nghiên cứu bằng điện di có thể xác định bề mặt tế bào có tích điện (Grout and Coutts 1974) và có thể trong một số điều kiện thông thường nào đó điện tích này là âm. Một trong những điều kiện tất yếu của yếu tố làm tan rã các tế bào là làm giảm thiểu điện tích này xuống làm cho tế bào tập hợp lại và màng tế bào sát lại gần nhau hơn. Một trong những hợp chất đầu tiên được ghi nhận gây ra sự tan rã là nitrate sodium (Power et al. 1970). Tế bào bóc trần để vào dung dịch muối này sẽ nhanh chóng đưa đến sự kết tập lại, và thông qua việc khảo sát sự chuyển động của tế bào trần trong buồng điện di cho thấy rõ nitrate sodium giảm thiểu điện âm của tế bào trần (Grout và Coutts 1974). Polyethylene glycol (PEG) được chấp nhận rộng rãi như một tác nhân gây ra sự tan rã (Kao và Michayluk 1974, Wallin et al. 1974); xử lý tế bào trần với PEG gây ra một sự kết tập nhanh chóng với tế bào trần thực sự tan rã xãy ra trong thời gian hydrat hoá trở lại kết hợp với sự gỡ bỏ của PEG. Sự sử dụng nitrate sodium để thúc đẩy sự hoà nhập dẫn đến sự tạo thành tế bào lai thực vật về mặt di truyền, ví dụ khối u lai giữa Nicotiana glauca và Nicotiana langsdorfii do Carlson và cộng sự (Carlson et al. 1972). Những tiến bộ nỗi bật về yêu cầu phát triển những quy trình chọn lọc các tế bào lai sinh dưỡng độc lập của các thuộc tính bất kỳ đã biết của lai hữu tính. Do vậy những nỗ lực hướng trực tiếp đến việc sử dụng các đột biến, và sử dụng những chọn lọc trên căn bản sự khác biệt xảy ra giữa tăng trưởng thực vật tự nhiên và đáp ứng với môi trường dinh dưỡng và thuốc. Ở Nottingham Petunia được chọn cho những đánh giá này bởi vì đáp ứng của chúng đối với mô nuôi cấy và sự di truyền màu sắc cánh hoa được ổn định. Thực vật lai sinh dưỡng của Petunia hybrida và P. parodii đã được tạo ra thành công vào năm 1976 (Power et al. 1976). Như đã được thảo luận bởi Cocking (1989), những thành công khi sử dụng các đối tượng của họ cà Solanaceae không tiến hành song song với thành công trong nuôi cấy tế bào trần ngũ cốc. Điều đáng nói là hơn hai mươi năm sau không một ai đạt được được sinh sản ổn định tế bào trần lá ngủ cốc. Thành công chỉ đạt được trong mười năm gần đây trong việc tái tạo cây nguyên vẹn từ tế bào trần lúa, cô lập không phải từ lá nhưng từ dịch treo nuôi cấy tế bào (Abdullah et al. 1986). Thành công ban đầu khi lấy tế bào trần của cây thuốc lá và cây Petunia để tái tạo vách tế bào rồi trải qua sự phân chia để tạo thành mô sẹo, sau đó phân hóa thành cơ quan để tạo thành rể và chồi non, làm lộ ra con đường nghiên cứu sai về các loại cây ngủ cốc.
Các nghiên cứu về protoplast trong thời kỳ 1980 và 1990
Năm 1980 đã nhìn thấy được phương pháp tinh vi mở rộng trong tái tạo lại cây nguyên vẹn từ gia tăng vững chắc số các loài cây và trong sản xuất tế bào lai sinh dưỡng và cybrids, bao gồm ví dụ như các cá thể khác loài không có khả năng giao phối, Petunia parodii và Petunia parviflora (Powder et al. 1980). Quy trình được phát triển để tái tạo lại cây nguyên vẹn từ tế bào trần cô lập, không chỉ cho cây lúa, nhưng còn ở cà chua, đậu nành, hạt lanh, cải bắp, rau diếp và các cây lai sinh dưỡng giữa các loài khác nhau, có bộ máy di tuyền khác nhau của Lycopersicon, Nicotiana, Solanum, Glycine, Citrus, Brassica, Medicago và Trifolium spp (Bajaj 1989a). Thêm vào đó các quy trình được phát triển xa hơn cho các kỹ thuật vi tiêm, dung hợp bằng điện, flow cytometry, hấp thu và tích hợp DNA, cô lập nhân và nhiễm sắc thể từ tế bào trần (Bajaj 1989b).
Việc khám phá ra tế bào trần có thể bị nhiễm bởi virus khảm thuốc lá (Cocking and Pojnar 1969) kích thích sự quan tâm về vấn đề hấp thu vào hệ thống tế bào trần, mà đỉnh điểm là sự biểu hiện của plasmid Ti trong vi khuẩn Agrobacterium gây khối u, được đưa và tế bào trần để biến đổi tế bào trần, cung cấp bằng chứng đầu tiên về vai trò độc lập của plasmid Ti ở khía cạnh này (Davey et al. 1980). Điều này mở đường cho việc sử dụng plasmid chuyển nạp trực tiếp cho tế bào trần dẫn đến việc tạo ra được các loại rau và ngủ cốc chuyển gen và các vụ thu hoạch cây trồng bằng chuyển nạp trực tiếp DNA cho tế bào trần, bao gồm các loại lúa chuyển gen có khả năng sinh sản theo phương cách chuyển nạp bằng điện xung vào tế bào trần lúa plasmids chimaeric (Zang et al. 1988).
Những nghiên cứu trên cây lúa chuyển gen minh họa vai trò của tế bào trần trong việc biến đổi tế bào ngủ cốc và làm cho vấn đề phân tử và tế bào tiếp cận nhau hơn. Khảo sát trên một vài chi tiết minh họa các nghiên cứu này đã phát triển như thế nào trong thập niên 1980. Sự tương tác giữa virus với tế bào trần cô lập minh chứng poly-L-ornithine kích thích sự lây nhiễm, trong khi các nghiên cứu tiếp theo xác nhận rằng PEG cũng gia tăng sự thu hút virus và acid nhân của virus vào trong tế bào trần (Davey và Kumar 1983). Rồi sau đó những năm cuối thập niên 1970 đầu thập niên 1980 đây là thời gian phối hợp giữa các kỹ thuật xác định plasmid Ti có thể chuyển nạp hay không vào tế bào trần thực vật. Như đã đề cập trước đây các nghiên cứu bao gồm sự tương tác của cấu trúc siêu xoắn của plasmid Ti từ dòng octopine của A. tumefaciens với dịch treo tế bào trần Petunia hybrida với sự có mặt của PLO, kết quả tạo ra một tập đoàn tế bào trần có biểu hiện tính chất có vị đắng của đỉnh tăng trưởng trong môi trường có hormone tự do và sự tổng hợp octopine, cả hai đều mã hoá bởi gen Ti T-DNA (Davey et al. 1980). Deshayes et al (1985) đóng gói pGV23 NEO, đây là một plasmid mang gen aminoglycoside phosphotranspherase type II (APH II; neomycin phosphotranspherase, NTP II) từ Tn5 có khả năng kháng kanamycin trong tế bào thực vật, vào trong thể tích chất béo (liposome) và dung hợp với với plasmid có chứa túi của tế bào trần thuốc lá sử dụng PEG. Tập đoàn tế bào kháng kanamycin được cô lập ở 4.0´105. Mẫu cắt hạn chế DNA được chèn vào trong quá trình chuyển gen vào tế bào thực vật được chỉ định theo cách tích hợp kế nhau trong trình tự của plasmid, bao hàm sự tái tổ hợp đồng dạng giữa các trình tự trong khi chuyển nạp.
Tiến bộ chính trong chuyển nạp trực tiếp DNA vào tế bào trần đạt được khi nó được chứng minh rằng trình tự T-DNA là không cần thiết cho sự chuyển nạp ổn định và biểu hiện của DNA lạ trong tế bào thực vật. Một gen lai có thể chọn lọc bao gồm vùng giải mã của gen Tn5 NPII dưới sự kiểm soát của gen promoter CaMV VI được đưa và tế bào trần thuốc lá như là một phần của E. coli (pABCD1) bằng cách xử lí hổn hợp tế bào trần – plasmid bằng PEG 6000. Tập đoàn đã chuyển nạp sẽ được chọn lọc trong môi trường có chứa 7 mg/ml kanamycin. Gen lạ sẽ được truyền qua cho thế hệ cây con bằng phép lai Mendel.
Trong khi tế bào trần thuốc lá được sử dụng rộng rãi như một hệ thống tiêu biểu cho các nghiên cứu DNA, các hệ thống tế bào trần khác, bao gồm lúa, cũng được quan tâm rộng rãi. Chuyển nạp gen hữu thụ cho Brassica napus được chuyển gen bởi pABD1 vào trong tế bào trần thịt lá bằng phương pháp xung điện (Guerche et al. 1987). Tính kháng kanamycin được truyền qua thế hệ cây con qua con đường hữu tính bởi lai một tính Mendel. Chuyển gen trực tiếp cũng chứng minh khả năng tạo hạt rau Vigna aconitifolia kháng kanamycin mô sẹo tái tạo từ tế bào trần sốc nhiệt xử lý bởi PEG và pLGV NEO 2103 (Kưhler et al. 1987). Các nghiên cứu chuyển gen trực tiếp vào tế bào trần thực vật cũng cung cấp một hệ thống để quan sát sự biểu hiện gen trong khoảng thời gian vài giờ xử lý chuyển nạp. Các nghiên cứu biểu hiện gen tạm thời (ngắn ngủi) như vậy có ích trong việc đánh giá cấu trúc và gen khởi động khi gen reporter sẵn sàng có thể thử nghiệm ví dụ như CAT và b-glucurionidase.
Rất hữu ích khi so sánh một vài tính chất chuyển nạp của tế bào trần thực vật và tế bào động vật. Thật vậy sự thúc đẩy để lượng định tính khả chuyển DNA trực tiếp vào tế bào thực vật, đặc biệt là tế bào thực vật đã được loại bỏ vách tế bào bằng enzym như trong trường hợp tế bào trần thực vật, từ các báo cáo nuôi cấy mô tế bào động vật cho thấy có khả năng chọn và biểu hiện một nhóm gen và hệ gen DNA. Bây giờ cơ hội xuất hiện các thế hệ đột biến do đưa các đột biến gen vào tế bào trần thực vật tương tác với DNA; đó là các bằng chứng chứng tỏ rằng các mẫu DNA lớn có thể đưa vào và biểu hiện ở tế bào động vật (Allshire et al. 1987).
Viễn cảnh hiện nay
Trọng tâm của mọi thảo luận của các nghiên cứu tế bào trần đến tế bào và sinh học phân tử là vấn đề của phạm vi nghiên cứu như vậy đã cải thiện kiến thức của chúng ta về phát triển của sinh học thực vật. Như chúng ta đã thấy tế bào trần có thể cô lập bằng enzyme từ một số nhóm tế bào ví dụ như từ tế bào biểu bì lá của thuốc lá rồi có thể tái tạo lại thành cây nguyên vẹn (Davey et al. 1974). Lông hút của rễ là sản phẩm tự nhiên của tế bào biểu bì rễ, và nó đã được chứng minh xử lý bằng enzyme có thể làm tiêu hủy đỉnh sinh trưởng của lông hút và phóng thích tế bào trần (Cooking 1985). Tế bào trần cô lập từ rễ cây con, thân lá mầm, và lá mầm của Lotus corniculatus (sen) sẵn sàng phân chia trong môi trường nuôi cấy để tạo ra mô sẹo và từ đó có thể sinh ra tế bào trần (Ahuja et al. 1983) điều đáng quan tâm là xác định tế bào trần từ lông hút rễ còn giữ tính chất nguyên thủy hay không. Xử lý rễ của cây con Lotus corniculatus với cellulase và pectinase phóng thích các tế bào trần của đầu rễ lông hút khi ủ trong môi trường có enzym khoảng 1 phút. 10% của tế bào trần phân chia để tạo ra một tập đoàn tế bào mà sau đó tạo được chồi non. Cây tái tạo có kiểu hình và tế bào bình thường. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ có thể làm cho một hệ thống như vậy được sử dụng để xác định nguồn gốc của tế bào trần có ảnh hưởng hay không đến con đường phát triển sau đó. Trong các tế bào trần cô lập từ dịch nuôi cấy để tái tạo cây nguyên vẹn cho thấy xãy ra qua sự phát sinh phôi dinh dưỡng (Abdullah et al. 1986). Có thể chăng thay đổi con đường phát triển này bằng kỹ thuật điện cao thế trong quá trình phân bào của dẫn suất tế bào trần thực vật như đã quan sát bởi Rech et al. (1987). Gần đây, Chand et al. (1988) quan sát thấy sự sự bóc trần tế bào cây dược liệu thân gỗ Solanum dulcamara ở điện áp 250 đến 1250 vol/cm2 trong ba xung điện kế tiếp nhau mỗi xung kéo dài 10 – 50 ms đã kích thích sự tăng trưởng của mô dẫn suất từ tế bào trần và cho thấy có gia tăng khả năng biệt hóa (Chand et al. 1988). Sẽ rất quan trọng để mở rộng các nghiên cứu này trên hệ thống tế bào trần. Sẽ có ích khi tế bào trần Physcomitrella tái tạo chỉ sản sinh một khối u khi đáp ứng với ánh sáng đơn cực, và tế bào phân cực này phân chia sau 24 giờ từ tế bào trần cô lập, từ hai tế bào con có hai mặt phát triển khác nhau (Jenkin và Cove 1983). Biến đổi con đường phát triển có thể cung cấp đầu mối giải mã về sự phát triển tế bào thực vật, tế bào của nó và điều khiển phân tử.
Có lẽ vấn đề quan tâm chính là sự tương tác mới lạ giữa các đại phân tử, viruses và vi sinh vật và màng tế bào của tế bào trần. Điện xung để hình thành các lổ trên màng tế bào có thể được dùng để khảo sát theo hướng này. Hơn nữa, điều chủ yếu không phải là tất cả vách tế bào phải được bỏ đi; một lợi ích của nghiên cứu trên nhiều mảng. Như đã khám phá ở hoa sen Lotus rất dễ bỏ đi vách tế bào một cách nhanh chóng ở đầu lông hút của rễ bằng xử lý rễ cây con với một hỗn hợp cellulase và pectinase. Gần đây chúng ta đã quan sát cấu trúc nốt sần tạo ra ở rễ lúa, rễ cây con của cây cải cho dầu khi xử lý rễ với hỗn hợp enzyme cellulase và pectinase và cho nhiễm Rhizobium hay Bradyrhizobium (Al-Mallah et al. 1989 và 1990). Các nghiên cứu này bao gồm sự phân hủy một phần vách tế bào làm lộ ra một phần màng sinh chất của tế bào biểu mô có ý nghĩa quan trọng cho việc nghiên cứu sự cộng sinh của Rhizobium đối với các cây trồng không phải họ đậu (Cooking và Davey 1991).
Số lần xem trang: 3813
Điều chỉnh lần cuối: 19-12-2007
