Công nghệ vi nhân giống quang tự dưỡng để nâng cao chất lượng cây giống cấy mô

Vi nhân giống, hay còn gọi là nhân giống in vitro, trong nhiều thập niên vẫn được xem là một trong những kỹ thuật hữu hiệu nhất dùng để nhân nhanh các giống cây trồng sạch bệnh đã được tuyển chọn hoặc các nguồn gien thực vật quý hiếm. Tuy nhiên phương pháp vi nhân giống truyền thống (conventional micropropagation) vẫn còn gặp một số giới hạn, ví dụ như giá thành cây cấy mô chưa đáp ứng yêu cầu của người trồng trọt do chất lượng và tỷ lệ sống cây cấy mô ở vườn ươm tương đối còn thấp, cũng như tỷ lệ nhiễm nấm khuẩn trong giai đoạn in vitro không nhỏ. Nguyên nhân chính của giới hạn này là do trong vi nhân giống truyền thống, bình nuôi cấy luôn được đậy kín dẫn đến tình trạng thiếu CO2 cần cho quang hợp. Thực vật cấy mô buộc phải sử dụng nguồn carbon hữu cơ đến từ đường, vitamin hay các hợp chất hữu cơ bổ sung vào môi trường làm nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu để tăng trưởng. Vì vậy cây cấy mô thiếu khả năng tự dưỡng do bộ máy quang hợp của cây họat động yếu, dẫn đến việc cây cấy mô tăng trưởng chậm ở giai đoạn vườn ươm với tỷ lệ sống không cao và đòi hỏi nhiều công chăm sóc.

Để cải tiến phương pháp vi nhân giống truyền thống đã và đang được phổ biến ở nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam, vi nhân giống quang tự dưỡng (photoautotrophic micropropagation) được nghiên cứu khởi đầu từ Đại học Chiba, Nhật Bản, tiếp tục được phát triển trong suốt hai thập niên vừa qua tại nhiều nơi trên thế giới như Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ,… và được biết đến như một trong những công nghệ mới trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao nhằm cải thiện chất lượng của cây cấy mô. Trong vi nhân giống quang tự dưỡng, sự tăng trưởng hay tích lũy các hydratcarbon của cây hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng hoạt động của bộ máy quang hợp, nghĩa là từ sự cố định CO2 trong không khí của bình nuôi và sự hấp thu khoáng vô cơ trong môi trường. Do đường, vitamin hay chất điều hòa sinh trưởng thực vật bị loại bỏ khỏi môi trường nuôi cấy, công nghệ này còn được gọi là vi nhân giống không đường (sugar – free micropropagation). Các yếu tố vật lý (ánh sáng, nhiệt độ, ẩm độ, nồng độ CO2 trong bình nuôi cây, tốc độ luân chuyển khí trong và ngoài bình nuôi cây, giá thể thoáng khí) được quan tâm nghiên cứu để cây cấy mô có khả năng quang hợp tốt hơn, tăng trưởng nhanh và khỏe mạnh hơn trong giai đoạn in vitro, dẫn đến tỷ lệ sống của cây cấy mô tăng cao trong giai đoạn ex vitro. Việc loại bỏ đường và các vitamin trong môi trường nuôi cấy sẽ góp phần giảm ô nhiễm môi trường do tỷ lệ nhiễm nấm khuẩn trong quá trình nuôi cấy giảm, đồng thời còn góp phần làm giảm lượng CO2 trong không khí nhờ sự gia tăng hoạt động quang hợp của cây in vitro. Ngoài ra, công nghệ vi nhân giống quang tự dưỡng còn cho phép sử dụng hộp nuôi cấy lớn nên khả năng tự động hoá quá trình nuôi cấy có thể thực hiện được dễ dàng, nhờ đó chi phí sản xuất cây cấy mô giảm và lợi nhuận của nhà sản xuất cây giống bằng con đường nuôi cấy mô sẽ cao hơn.

Cây hông (Paulownia fortunei) và cây lan (Dendrobium Burana White) nuôi cấy quang tự dưỡng trong hộp bơm khí trực tiếp (V = 100 L) ở ngày thứ 20

PGS.TS. Nguyễn Văn Uyển, đã giới thiệu công nghệ mới này đến các nhà nghiên cứu nuôi cấy mô tế bào thực vật trong nước từ giữa thập niên 90. Hơn mười năm qua, tại Phòng Công nghệ tế bào thực vật, Viện Sinh học nhiệt đới, PGS.TS. Nguyễn Thị Quỳnh và các cộng sự đã tập trung nghiên cứu ứng dụng vi nhân giống quang tự dưỡng trên nhiều đối tượng cây trồng, bao gồm cây cà phê (Coffea arabusta), hông (Paulownia fortunei), lõi thọ (Gmelina arborea), Neem (Azadirachta indica), tre tầm vông (Thyrsostachys siamensis Gamble), dâu tây (Fragaria x annanasa Duch.), nho không hạt (Vitis vitifera), khoai mỡ (Dioscorea alata), khoai lang (Ipomoea batatas), hoa đồng tiền (Gerbera jamesonii), sa-lem (Limonium sinuatum), lan Dendrobium Burana White, và một số cây thảo dược. Các loại cây này đều đã được chứng minh có khả năng tăng trưởng tốt hơn trên môi trường nuôi cấy không đường, không vitamin trong giai đọan in vitro thông qua phương pháp nuôi cấy trao đổi khí tự nhiên (không khí trao đổi bằng cách khuếch tán qua màng thoáng khí millipore hay màng bằng giấy gắn trên nắp/thành hộp chứa cây) hay bơm khí trực tiếp (không khí được đưa vào hộp nuôi cấy có thể tích lớn nhờ máy bơm khí hay máy nén khí). Sự tăng trưởng (dựa trên chỉ tiêu trọng lượng của cây in vitro gia tăng theo sự gia tăng cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng, nồng độ CO2 cũng như sự thay đổi giá thể đặc chắc bằng giá thể thoáng khí trong hộp/bình nuôi cây do hoạt động của bộ máy quang hợp được thúc đẩy. Điều này đã khiến cây in vitro qua nuôi cấy quang tự dưỡng có chất lượng tốt hơn khi nuôi cấy theo kiểu truyền thống (trên môi trường có đường và vitamin), dẫn đến tỷ lệ sống cao hơn khi được đưa ra vườn ươm.

Cây dâu nuôi cấy quang tự dưỡng trao đổi khí tự nhiên ở ngày thứ 43 (28 ngày trong giai đoạn in vitro + 15 ngày trong giai đoạn ex vitro). Tên nghiệm thức: F hay S phia bên trái đại diện cho môi trường không có hoặc có đường và vitamin, F hay G phía bên phải đại diện cho giá thể sử dụng là Florialite hay gelrite.

Phương pháp nuôi cấy này cũng đã được chứng minh tính ưu việt khi đối tượng nghiên cứu là những cây thảo dược như Phyllanthus amarus Schum. & Thonn., Plectranthus amboinicus (Lour.) Spreng., hay Angelica acutiloba (Siebold & Zucc.) Kitagawa. Sự thay đổi hàm lượng các thành phần lignan hay tinh dầu trong cây in vitro theo thời gian nuôi cấy đã được chứng minh khi các điều kiện nuôi cấy bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, ẩm độ tương đối hay nồng độ CO2 thay đổi. Điều này rất có ý nghĩa khi áp dụng cho các cây thảo dược quý hiếm.

Sự tăng trưởng của cây húng chanh (Plectranthus amboinicus (Lour.) Spreng.) nuôi cấy: (a) trên môi trường có đường và vitamin, (b) và (c) nuôi quang tự dưỡng trao đổi khí tự nhiên ở ngày thứ 45.
Hàm lượng các hợp chất lignan (phyllanthin, hypophyllanthin và niranthin) của cây Diệp hạ châu đắng (Phyllanthus amarus Schum. & Thonn.) nuôi cấy in vitro quang tự dưỡng ở các cường độ ánh sáng (80, 120 hay 160 µmol/m2/s) và thời gian chiếu sáng (8, 12 hay 16 giờ/ngày) khác nhau vào ngày thứ 40. Mẫu cây ngoài đồng thu hoạch tại Trung tâm Nghiên cứu Dược liệu Miền Trung, Phú Yên, vào ngày thứ 45 sau khi trồng.

Các kết quả ứng dụng của công nghệ vi nhân giống quang tự dưỡng có thể được xem là tiền đề hướng đến việc ứng dụng các hệ thống nuôi trồng kín với các điều kiện nuôi trồng hoàn toàn được kiểm soát để sản xuất các hợp chất thứ cấp từ cây thảo dược trong điều kiện hoàn toàn sạch, không gây ô nhiễm môi trường do việc sử dụng thuốc trừ sâu, đồng thời có thể sản xuất quanh năm do không bị ảnh hưởng bởi thời tiết như Nhật Bản đang làm hiện nay.

Theo vast.ac.vn