Nuôi cấy mô là kỹ thuật ra đời khá lâu, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong nông nghiệp, nuôi cấy mô được sử dụng để nhân giống bảo tồn các dòng cây quý hiếm, sản xuất cây sạch bệnh và nhân giống hàng loạt các loại cây trồng thương mại.

Nuôi cấy mô là phương pháp đưa các mảnh mô từ động vật hoặc thực vật vào trong môi trường nhân tạo để chúng có thể tiếp tục tồn tại và phát triển. Mô nuôi cấy có thể là một tế bào, một quần thể tế bào, một phần hoặc toàn bộ một cơ quan nào đó. Trong quá trình nuôi cấy, các tế bào có thể nhân lên; thay đổi kích thước, hình dạng hoặc chức năng; thể hiện hoạt động riêng hoặc tương tác với các tế bào khác.

Nuôi cấy tế bào

Nhiều công trình nuôi cấy tế bào đơn đã được triển khai từ những năm 50 của thế kỷ XX. Tế bào đơn có thể nhận được bằng cách nghiền mô hoặc xử lý enzyme. Mỗi loài cây, loại tế bào khác nhau đòi hỏi những kỹ thuật nuôi cấy khác nhau. Nuôi cấy tế bào đơn được các nhà khoa học sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tế bào, nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện khác nhau lên các quá trình sinh trưởng, phát triển và phân hóa của tế bào hoặc sử dụng trong chọn dòng tế bào.

Năm 1960, Cocking lần đầu tiên sử dụng enzyme phân giải thành tế bào và đã tạo ra số lượng lớn tế bào trần. Kỹ thuật này sau đó đã được hoàn thiện để tách nuôi tế bào trần ở nhiều loài cây trồng khác nhau. Năm 1971, Takebe và cộng sự đã tái sinh được cây từ tế bào trần mô thịt lá (mesophyll cell) ở thuốc lá. Năm 1972, Carlson và cộng sự lần đầu tiên thực hiện lai tế bào soma (somatic cell) giữa các loài, tạo được cây từ dung hợp tế bào trần của 2 loài thuốc lá Nicotiana glauca và N. langsdorfii. Năm 1978, Melchers và cộng sự tạo được cây lai soma cà chua và thuốc lá bằng lai xa tế bào trần của 2 cây này. Đến nay, việc tái sinh cây hoàn chỉnh từ tế bào trần hoặc từ lai tế bào trần đã thành công ở nhiều loài thực vật.

Năm 1964, Guha và Maheshwari lần đầu tiên thành công trong tạo được cây đơn bội từ nuôi cấy bao phấn của cây cà Datura. Kỹ thuật này sau đó đã được nhiều tác giả phát triển và ứng dụng rộng rãi trong tạo dòng đơn bội (1x), dòng thuần nhị bội kép (2x), cố định ưu thế lai (nuôi cấy bao phấn hoặc hạt phấn của dòng lai F1 để tạo giống thuần mang tính trạng ưu thế lai). Kỹ thuật tạo dòng cây đơn bội này bao gồm nuôi cấy bao phấn và tế bào hạt phấn.

Năm 1981, trên cơ sở quan sát các biến dị xảy ra rất phổ biến trong nuôi cấy mô và tế bào với phổ biến dị và tần số biến dị cao, Larkin và Scowcroft đã đưa ra thuật ngữ "biến dị dòng soma" (Somaclonal Variation) để chỉ các thay đổi di truyền tính trạng xảy ra do nuôi cấy mô và tế bào in vitro. Từ các dòng tế bào hoặc cây biến dị di truyền ổn định có thể nhân nhanh, tạo ra các dòng và giống đột biến có năng suất, hàm lượng hoạt chất hữu ích cao, kháng một số các điều kiện bất lợi như hạn, mặn, bệnh, …

Các nhà khoa học trong nước đã có những ứng dụng nuôi cấy tế bào thực vật để thu nhận các hợp chất thứ cấp có giá trị, sử dụng làm phụ gia thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Tại khu vực phía Nam, kỹ thuật này được ứng dụng để nhân giống cây dứa, sản xuất các hợp chất từ cây đinh lăng, cây thông đỏ, xạ đen,... Ví dụ như nghiên cứu “Nuôi cấy tế bào Xạ đen (Ehretia asperula Zollinger et Moritzi) in vitro để thu nhận sinh khối có khả năng tổng hợp acid rosmarinic” của tác giả Phạm Thị Mỹ Trâm (Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM). Nghiên cứu có điểm mới là tạo được dòng tế bào mô sẹo (bở, có màu trắng đến vàng nhạt) từ lá của cây xạ đen in vitro thích hợp cho quá trình nuôi cấy huyền phù tế bào. Các nhà khoa học cũng xác định được một số yếu tố thích hợp (điều kiện chiếu sáng, thể tích môi trường, tốc độ lắc, chất điều hòa sinh trưởng thực vật) cho sự tăng sinh của huyền phù tế bào xạ đen, cũng như xác định được một số yếu tố thích hợp (cường độ ánh sáng, kích thước cụm tế bào, nồng độ đường, chitosan) cho sự tổng hợp acid rosmarinic của huyền phù tế bào xạ đen.

Nuôi cấy phôi

Ghi nhận đầu tiên về kỹ thuật nuôi cấy phôi là công trình của Charles Bonnet ở thế kỷ 18. Đầu thế kỷ XX các công trình nuôi cấy phôi dần được hoàn thiện hơn: năm 1922, Knudson nuôi cấy thành công phôi cây lan trong môi trường chứa đường, nhận biết việc phôi không thể phát triển thành protocorm nếu thiếu đường. Năm 1941, Overbeek và cộng sự đã sử dụng nước dừa trong nuôi cấy phôi non ở cây cà rốt Datura. Năm 1976, Raghavan và cộng sự đã phát hiện phôi phát triển qua hai giai đoạn, dị dưỡng và tự dưỡng. Ở giai đoạn dị dưỡng (tiền phôi) cần có các chất điều hòa sinh trưởng để phát triển. Trong giai đoạn tự dưỡng, sự phát triển của phôi không cần chất điều hòa sinh trưởng. Đối với nuôi cấy phôi, như đã biết đường đóng vai trò rất quan trọng. Trong nhiều trường hợp thì đường sucrose cho kết quả tốt hơn các loại đường khác. Ngoài ra một số chất tự nhiên như nước dừa, nước chiết malt, casein thuỷ phân, là những chất rất cần trong nuôi cấy phôi. Các chất kích thích sinh trưởng như GA3, auxin, cytokinin thường được dùng nhiều trong nuôi cấy phôi. Auxin thường dùng ở nồng độ thấp. Kinetin có vai trò đặc biệt cho sự phát triển của phôi. Các yếu tố ngoại cảnh như nhiệt độ, ánh sáng cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của phôi nuôi cấy in vitro. Thường phôi nuôi cấy cần nhiệt độ và ánh sáng thấp hơn phôi phát triển tự nhiên.

Tại Việt Nam, nuôi cấy phôi đã được các nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng từ khá lâu để nhân giống chất lượng cao nhiều loại cây trồng, như chè, dừa sáp, dừa đặc ruột. Một số nghiên cứu gần đây có thể kể đến như: năm 2007, nhóm nghiên cứu của TS. Lã Tấn Nghĩa (Viện Di truyền Nông nghiệp) đã thực hiện “Nghiên cứu chọn tạo giống chè năng suất cao chất lượng tốt nhờ chỉ thị phân tử và công nghệ cấy phôi”. Kết thúc vào năm 2010, các nhà khoa học đã phân nhóm di truyền các giống chè bằng chỉ thị phân tử và xác định một số tổ hợp lai. Nghiên cứu cũng đã phân tích kết quả lai tạo giữa các giống chè, nuôi cấy phôi để tái sinh cây hoàn chỉnh và tiến hành tuyển chọn giống chè triển vọng. Năm 2020, nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Thị Bích Hồng - Công ty Cổ phần Khoa học công nghệ Nông nghiệp Anh Đào đã nghiên cứu sản xuất giống dừa sáp (Makapuno Coconut) bằng phương pháp nuôi cấy cứu phôi quy mô công nghiệp; cũng như xây dựng quy trình nuôi cây con dừa sáp giai đoạn vườn ươm quy mô công nghiệp, sau 3 năm tiến hành nghiên cứu “Hoàn thiện quy trình sản xuất giống dừa Sáp (Makapuno coconut) bằng công nghệ nuôi cấy cứu phôi trên quy mô công nghiệp”. Nhóm cũng đã đánh giá khả năng thích nghi của cây dừa sáp nuôi cấy cứu phôi trên đất nhiễm mặn, nhiễm phèn. Đây là một ví dụ điển hình về ứng dụng kỹ thuật nuôi cấy mô giống cây công nghiệp kinh tế cao (dừa sáp là giống dừa thương phẩm giá trị cao đã được nghiên cứu và đưa vào trồng tại một số tỉnh miền Tây Nam Bộ).

Nuôi cấy đỉnh sinh trưởng, mô phân sinh

Mô phân sinh thường là các mô đỉnh chồi và cành có kích thước 0,1mm đến 1cm. Các mô phân sinh dùng để nuôi cấy thường được tách từ các mầm non, các chồi mới hình thành hoặc các cành non. Nuôi cấy đỉnh sinh trưởng được Wetmore thực hiện từ năm 1946, qua việc nuôi cấy đỉnh chồi cây nho dại. Cùng với một số tác giả khác, ông đã chứng minh các bộ phận của cây đều có thể nuôi cấy khi gặp điều kiện thuận lợi. Lon và Ball (1946), với thí nghiệm nuôi cấy đỉnh chồi cây măng tây, đã cho thấy các bộ phận của cây như lá, thân, hoa, khi nuôi sẽ có khả năng tạo mô sẹo nhiều hơn. Năm 1949, Limmasets và Cornuet đã phát hiện virus phân bố không đồng nhất trên cây, vùng đỉnh sinh trưởng thường không có virus. Năm 1952, Morel và Martin đã tạo ra cây sạch bệnh virus của 6 giống khoai tây từ nuôi cấy đỉnh sinh trưởng và lần đầu thành công thực hiện vi ghép in vitro (ngày nay, kỹ thuật này, với một số cải tiến, đã trở thành phương pháp loại trừ bệnh virus được ứng dụng rộng rãi cho nhiều loài cây trồng). Năm 1960, Morel đã thực hiện cuộc cách mạng trong sử dụng kỹ thuật nuôi cấy đỉnh sinh trưởng trong nhân giống nhanh các loại địa lan Cymbidium, mở đầu công nghiệp vi nhân giống thực vật.

Đối với nuôi cấy mô phân sinh, sự cân bằng giữa các chất điều hòa sinh trưởng rất quan trọng. Để kích thích tạo chồi các nhà khoa học sẽ bổ sung cytokinin hoặc tổ hợp cytokinin với auxin; muốn tạo rễ, bổ sung các auxin như NAA, IAA,... Kỹ thuật nuôi cấy mô phân sinh thường được các nhà khoa học ứng dụng để loại virus, tạo cây sạch virus và nhân giống in vitro. Nuôi cấy mô phân sinh còn được sử dụng để nghiên cứu quá trình hình thành cơ quan, tạo cây đa bội qua xử lý colchicin.

Tại Việt Nam, nghiên cứu nuôi cấy đỉnh sinh trưởng là một trong những kỹ thuật quan trọng, được nhiều nhà khoa học ứng dụng để nhân giống các loại cây như atiso, chanh dây, hồ tiêu, cây thân gỗ (trầm hương, cây tếch,…), cây dược liệu.

Cây nần nghệ (Dioscorea collettii Hook F.) là loài cây thuốc quý hiếm có tên trong Sách Đỏ của Việt Nam. Nần nghệ được sử dụng trong y học cổ truyền, là thành phần chính để điều chế các loại thuốc đặc trị hạ mỡ dư thừa trong máu, mỡ trong gan, mỡ nội tạng, giúp bình ổn huyết áp, điều hòa nhịp tim và chống viêm khớp. Bộ phận sử dụng chính của cây là thân và rễ (tên trong Đông y là Tỳ giải), được dùng trị đau khớp xương do phong thấp đau lưng gối, cảm nhiễm đường tiết niệu, bạch đới, rắn độc cắn,… Năm 2020, CN. Nguyễn Văn Toàn (Trung tâm Ươm tạo Doanh nghiệp Nông nghiệp Công nghệ cao) đã sử dụng kỹ thuật nuôi cấy đỉnh sinh trưởng để tiến hành nhân giống in vitro cây Nần nghệ với chi phí thấp, hiệu quả nhân giống cao.

Một nghiên cứu gần đây của ThS. Đặng Thị Kim Thúy (Viện sinh học Nhiệt đới): “Xác định và bảo tồn giống hồ tiêu (Piper nigrum L) sạch bệnh virus cho vùng Đông Nam Bộ” vào năm 2021 cũng đã ứng dụng kỹ thuật nuôi cấy đỉnh sinh trưởng và xử lý nhiệt, tạo ra được cây hồ tiêu in vitro sạch bệnh virus. Ngoài ra, tác giả cũng xây dựng quy trình kỹ thuật nhân nhanh giống hồ tiêu sạch bệnh virus in vitro; quy trình kỹ thuật chăm sóc cây giống hậu nuôi cấy mô trên vườn ươm và đề xuất phương hướng bảo tồn nguồn gen và sản xuất giống hồ tiêu sạch bệnh bằng việc ứng dụng công nghệ sinh học.

***

Ứng dụng nuôi cấy mô thực vật rất đa dạng, giúp nâng cao hiệu quả kinh tế của nhiều giống cây trồng. Việc nhân giống nhanh, sạch bệnh góp phần mang lại chất lượng cao cho cây trồng và đáp ứng yêu cầu xây dựng các vùng chuyên canh. Bên cạnh việc mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật nuôi cấy mô còn được ứng dụng để bảo tồn, phát triển nguồn gen quý hiếm, đảm bảo an toàn và đa dạng sinh học.

Minh Thư

----------------------------------------

Mời các bạn đón đọc tiếp "Kỹ thuật di truyền: quá trình phát triển và ứng dụng" trong ấn phẩm Thông tin chuyên đề KH,CN&ĐMST số 02/2025.

----------------------------------------

Tài liệu tham khảo:

[1] Ngô Xuân Bình. Sách Nuôi cấy mô tế bào thực vật. Đại học Nông Lâm Thái Nguyên
[2] Đỗ Năng Vịnh, Ngô Xuân Bình. Giáo trình công nghệ sinh học đại cương. Đại học Nông Lâm Thái Nguyên
[3] Nguyễn Hoàng Lộc (2007). Giáo trình công nghệ tế bào. Đại học Huế.
[4] Claudia A Espinosa-Leal, César A Puente-Garza, Silverio García-Lara. In vitro plant tissue culture: means for production of biological active compounds. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7088179/
[5]CSDL cesti.gov.vn