Tài liệu Nghiên cứu biến nạp gen dof1 vào mô sẹo phôi hóa giống sắn tms 60444 thông qua vi khuẩn agrobacterium tumefaciens

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT --------------------- LÊ THỊ LÝ NGHIÊN CỨU BIẾN NẠP GEN DOF1 VÀO MÔ SẸO PHÔI HÓA GIỐNG SẮN TMS 60444 THÔNG QUA VI KHUẨN AGROBACTERIUM TUMEFACIENS Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Văn Đồng Hà Nội, 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT --------------------- LÊ THỊ LÝ NGHIÊN CỨU BIẾN NẠP GEN DOF1 VÀO MÔ SẸO PHÔI HÓA GIỐNG SẮN TMS 60444 THÔNG QUA VI KHUẨN AGROBACTERIUM TUMEFACIENS Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Văn Đồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hà Nội, 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo tham gia giảng dạy ở Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật đã tận tình giảng dạy, dìu dắt tôi trong thời gian học tập tại Viện. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Nguyễn Văn Đồng người thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và thực hiện luận văn. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể cán bộ và học viên làm việc tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Công nghệ Tế bào thực vật, Viện Di truyền Nông nghiệp đã hết lòng giúp đỡ tôi thực hiện thành công luận văn này. Cuối cùng, tôi vô cùng biết ơn gia đình và bạn bè đã khích lệ, động viên, giúp đỡ và là chỗ dựa vững chắc cho tôi trong quãng thời gian qua. Luận văn được thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí từ Bộ Khoa học Công nghệ thông qua Hợp đồng Thực hiện nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ theo nghị định thư số: 08/2013/HĐ-NĐT. Tôi xin chân thành biết ơn sự hỗ trợ đó. Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Học viên Lê Thị Lý 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................................11 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................................13 1.1. Giới thiệu chung về cây sắn ...............................................................................13 1.1.1. Nguồn gốc và phân loại cây sắn .................................................................13 1.1.2. Vai trò của cây sắn ......................................................................................14 1.1.2.1. Vai trò của cây sắn đối với thế giới ............................................14 1.1.2.2. Vai trò của cây sắn đối với Việt Nam.........................................19 1.1.3. Giống sắn TMS 60444 .................................................................................21 1.2. Yếu tố phiên mã .................................................................................................21 1.2.1. Ứng dụng của yếu tố phiên mã trong chọn giống phân tử..........................21 1.2.2. Yếu tố phiên mã Dof1 .................................................................................23 1.3. Chuyển gen gián tiếp nhờ vi khuẩn A. tumefaciens ..............................................26 1.3.1. Cơ sở khoa học của phương pháp ...............................................................26 1.3.2. Đặc điểm cấu trúc của vi khuẩn Agrobacterium ........................................27 1.4. Tình hình nghiên cứu chuyển gen ở sắn ............................................................33 1.4.1. Tình hình nghiên cứu chuyển gen sắn trên thế giới ....................................33 1.4.2. Tình hình chuyển gen sắn ở Việt Nam .......................................................36 Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................39 2.1. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................39 2.1.1. Mẫu thực vật ...............................................................................................39 2.1.2. Vi khuẩn và các vector................................................................................39 2.1.3. Môi trường nghiên cứu ...............................................................................41 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................42 2.2.1. Nghiên cứu khả năng tạo mô sẹo phôi hóa .................................................42 2.2.2. Nghiên cứu quy trình chuyển gen vào mô sẹo phôi hóa.............................44 2.2.2.1. Chuẩn bị dung dịch khuẩn và biến nạp.......................................44 2.2.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ cefotaxime đến khả năng loại khuẩn thừa và tái sinh cây từ mô sẹo phôi hóa sau biến nạp............................45 2.2.2.3. Nghiên cứu nồng độ chất chọn lọc thực vật hygromycin thích hợp để chọn lọc mô được chuyển gen .....................................................................45 2.2.2.4. Nghiên cứu khả năng tái sinh thành cây hoàn chỉnh từ mô sẹo phôi hóa sau biến nạp và chọn lọc cây chuyển gen ..................................................46 2.2.2.5. Phương pháp xác định sự có mặt của gen Dof1 trong cây sau chuyển gen.....................................................................................................................46 2.2.3. Đánh giá các đặc tính nông sinh học của cây chuyển gen Dof1 trong điều kiện nhà lưới .........................................................................................................48 2.2.3.1. Phương pháp đưa cây ra đất và chăm sóc cây trong nhà lưới ....48 2.2.3.2. Phương pháp đánh giá một số đặc tính nông sinh học của cây sắn trồng ngoài đồng ruộng ....................................................................................48 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................49 3.1. Kết quả tạo mô sẹo phôi hóa giống sắn TMS 60444 ..........................................49 3.2. Kết quả chuyển gen Dof1 vào FEC giống sắn TMS 60444................................52 3.2.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ khuẩn đến hiệu quả biến nạp gen Dof1 vào FEC giống sắn TMS 60444 ...................................................................53 3.2.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đồng nuôi cấy đến khả năng tiếp nhận gen Dof1 của FEC giống sắn TMS 60444 ....................................................55 3.2.3. Kết quả nghiên cứu hiệu quả diệt khuẩn của cefotaxime và ảnh hưởng của nó đến khả năng sống sót và tái sinh chồi từ FEC sau chuyển gen ......................57 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3.2.4. Kết quả khảo sát hiệu quả gây chết của chất chọn lọc hygromycin ...........60 3.2.5. Kết quả chọn lọc và tái sinh cây chuyển gen sau biến nạp .........................62 3.2.6. Kết quả sàng lọc và phân tích PCR kiểm tra sự có mặt của gen Dof1 trong cây sau chuyển gen ...............................................................................................65 3.3. Kết quả đưa cây ra vườn ươm và đánh giá các đặc tính nông sinh học của cây chuyển gen Dof1 .......................................................................................................70 3.3.1. Kết quả đưa cây ra vườn ươm.....................................................................70 3.3.2. Kết quả đánh giá các đặc tính nông sinh học của cây chuyển gen Dof1 thế hệ T0 sau 3 tháng trồng ra vườn ươm ...................................................................72 3.3.3. Kết quả đánh giá các đặc tính nông sinh học của cây chuyển gen Dof1 thế hệ T0 sau 6 tháng trồng ra nhà lưới. ......................................................................74 KẾT LUẬN ...............................................................................................................78 KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................80 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Thành phần hóa học của sắn và các sản phẩm sơ chế từ sắn so với các loại lương thực khác [12] .................................................................................................17 Bảng 2: Năng lượng cung cấp trực tiếp cho con người ở vùng nhiệt đới [12]. ........18 Bảng 3: Khái quát các bước tạo mô sẹo phôi hóa ở sắn ...........................................43 Bảng 4: Thành phần và điều kiện phản ứng PCR sử dụng mồi Dof1 F3/ Dof1 R3 ....47 Bảng 5: Kết quả tạo FEC từ chồi nách và thùy lá non cây sắn TMS 60444 in vitro ...49 Bảng 6: Hiệu quả diệt khuẩn của cefotaxime và ảnh hưởng của nó đến tỉ lệ sống sót và khả năng tái sinh của FEC giống sắn TMS 60444 (sau 8 tuần) ............................58 Bảng 7: Kết quả chọn lọc và tái sinh FEC trên môi trường chứa hygromycin .........63 Bảng 8: Kết quả đưa cây TMS 60444 chuyển gen Dof1 ra nhà lưới sau 1 tháng..........71 Bảng 9: Bảng đánh giá các đặc tính nông sinh học của cây chuyển gen Dof1 sau 3 tháng trồng trong nhà lưới .........................................................................................72 Bảng 10: Bảng đánh giá các đặc tính nông sinh học của cây chuyển gen Dof1 sau 6 tháng so với đối chứng trong điều kiện nhà lưới ......................................................75 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Hình thái cây sắn [58]. .................................................................................14 Hình 2: Hoạt động của yếu tố phiên mã (TF) ............................................................22 Hình 3: Biểu hiện Dof1 tăng sự biểu hiện của các gen PEPC, PK, CS và ICDH trong cây Arabidopsis chuyển gen Dof1. ...........................................................................24 Hình 4: Cấu tạo vi khuẩn A. tumefaciens [4] ............................................................27 Hình 5: Cấu trúc và sự biểu hiện của Ti-plasmid kiểu octopine và kiểu nopaline. ..28 Hình 6: Sơ đồ cấu trúc của Ti-plasmid [90]. .............................................................30 Hình 7: Cơ chế biến nạp của Agrobacterium vào tế bào thực vật [95]. ....................32 Hình 8: Sơ đồ khái quát các hệ thống đang được sử dụng để tạo cây sắn chuyển gen [68] ............................................................................................................................35 Hình 9: Cây sắn TMS 60444 in vitro 1 tháng tuổi ....................................................39 Hình 10: Sơ đồ vector pCAMBIA 1303 [75]............................................................40 Hình 11: Sơ đồ vector pCAMBIA Dof1 [75]............................................................40 Hình 12: Cụm mô sẹo phôi hóa giống sắn TMS 60444 ............................................44 Hình 13: Cụm mô sẹo giống sắn TMS 60444 hình thành và phát triển trên các môi trường từ các nguồn vật liệu khác nhau. ...................................................................51 Hình 14: Các khối FEC của TMS 60444 hình thành và phát triển trên môi trường MMS..........................................................................................................................52 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 15: Ảnh hưởng của các mật độ dịch khuẩn khác nhau đến khả năng tiếp nhận gen Dof1 của FEC giống sắn TMS 60444 .................................................................54 Hình 16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đồng nuôi cấy đến khả năng tiếp nhận gen Dof1 của FEC giống sắn TMS 60444 .................................................................................56 Hình 17: Hiệu quả gây chết của hygromycin lên FEC của giống sắn TMS 60444 sau 8 tuần .........................................................................................................................60 Hình 18: Các cụm FEC trong môi trường MMS bổ sung hygromycin ở các nồng độ khác nhau sau 8 tuần chọn lọc...................................................................................62 Hình 19: Kết quả chọn lọc và tái sinh FEC trên môi trường tái sinh (MSN) chứa hygromycin qua các giai đoạn khác nhau. ................................................................64 Hình 20: Kết quả kiểm tra sự ra rễ của cây chuyển gen Dof1 trên môi trường chứa kháng sinh hygromycin .............................................................................................66 Hình 21: Kết quả điện di DNA tổng số kiểm tra cây chuyển gen Dof1 ...................67 Hình 22: Kết quả điện di sản phẩm PCR kiểm tra sự có mặt của gen HPT trong các cây chuyển gen ..........................................................................................................68 Hình 23: Kết quả điện di sản phẩm PCR kiểm tra sự có mặt của gen Dof1 trong các cây chuyển gen. .........................................................................................................69 Hình 24: Kết quả đưa cây chuyển gen Dof1 và cây đối chứng ra đất sau 1 tháng. ..71 Hình 25: Cây TMS 60444 chuyển gen Dof1 và cây đối chứng sau 3 tháng trồng trong nhà lưới......................................................................................................................73 Hình 26: Các cây TMS 60444 chuyển gen Dof1 và cây đối chứng sau 6 tháng trồng trong nhà lưới. ...........................................................................................................77 Hình 27: Một số hình ảnh về sự phân chạc của cây đối chứng .................................77 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AS Acetosyringone BAP 6-Benzyl amino purin CTAB Bromide cetyltrimethylammonium Cs DNA Cộng sự Deoxiribonucleic Acid ĐC Đối chứng FEC Friable Embryogenic Callus Mô sẹo phôi hóa FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations Tổ chức nông lương Thế giới NAA Napthanele acetic acid OD Optical Density Picloram 4-Amino-3,5,6-trichloro-2pyridinecarboxylic Mật độ quang 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Phương pháp PP TF Transcription factor Yếu tố phiên mã w/v Weight per volume Khối lượng trên thể tích MỞ ĐẦU Sắn (Manihot esculenta Crantz) là cây lương thực có củ chứa tinh bột quan trọng ở nhiều vùng nhiệt đới có nguồn gốc từ châu Mỹ La-tinh và được du nhập vào Việt Nam khoảng giữa thế kỷ 18. Trải qua thời gian dài phát triển, cây sắn đã dần khẳng định được vị thế của mình, trở thành cây lương thực và cây hàng hóa quan trọng, được coi là cây “xóa đói giảm nghèo”. Trong 30 năm qua, diện tích trồng sắn đã tăng nhanh hơn bất kỳ cây lương thực quan trọng nào khác [7], [38]. Quá trình chuyển dịch nền kinh tế theo hướng sản xuất hàng hóa làm cho vai trò cây sắn dần dần thay đổi. Sắn không chỉ là cây lương thực quan trọng góp phần ổn định nhu cầu lương thực của con người và giải quyết vấn đề an ninh lương thực trên thế giới, cây sắn còn là nguồn nguyên liệu quan trọng cho các ngành công nghiệp khác: dược phẩm, thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu sinh học và công nghiệp thực phẩm… Đặc biệt sắn là một nguồn nguyên liệu chính trong ngành công nghiệp sản xuất mì chính do có hàm lượng tinh bột cao. Tuy nhiên, sắn có hàm lượng protein và axit amin thấp do vậy trong quá trình chế biến sản xuất mì chính phải mất nhiều nguyên liệu cũng như thời gian lên men, làm giảm sức cạnh tranh của sắn với các nguồn nguyên liệu khác và tăng giá thành sản phẩm. Vì vậy, để tăng sức cạnh tranh của sắn với các nguồn nguyên liệu khác trong sản xuất mì chính thì đòi hỏi phải có một giống sắn mới có năng suất cao, chất lượng tốt, hàm lượng axit amin cao. Một trong những giải pháp phát triển sắn bền vững là áp dụng giống mới và kỹ thuật canh tác sắn bền vững để đạt năng suất lợi nhuận cao và duy trì độ phì nhiêu của đất mà không mở rộng diện tích trồng sắn. Không giống như nhiều loại cây trồng 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn chính trên thế giới, mặc dù cây sắn dễ nhân giống vô tính bằng giâm cành nhưng rất khó khăn trong nhân giống hữu tính. Do tính dị hợp gen cao, ít hoa, khả năng thụ phấn và tỷ lệ đậu trái thấp, tự không tương thích và phân ly tính trạng cao trong thế hệ con cháu làm cho việc tạo giống truyền thống của sắn bị cản trở nghiêm trọng [22]. Chọn tạo giống sắn bằng phương pháp đột biến cũng được xem là một trong các phương pháp nhằm khắc phục các hạn chế của phương pháp lai tạo nói trên. Tuy nhiên đột biến là vô hướng vì vậy không phải lúc nào cũng thu được cá thể mang những tính trạng mong muốn. Việc ứng dụng công nghệ chuyển gen là một trong các phương pháp hiệu quả nhất tạo ra giống sắn mới có năng suất, chất lượng tốt, có hàm lượng tinh bột và axit amin cao do có khả năng tích hợp các tính trạng mong muốn từ những nguồn gốc khác nhau không bị giới hạn về kiểu gen. Trên thế giới đã có khá nhiều công trình chuyển gen vào sắn thành công với các gen tăng cường hàm lượng các chất và chống chịu sâu bệnh: tăng hàm lượng tinh bột, tăng hàm lượng vitamin A [39], [74]. Đặc biệt, mô sẹo phôi hóa (FEC – Friable embryo callus) được coi là vật liệu thích hợp nhất cho chuyển gen hiệu quả ở sắn [50]. Nhưng chưa có công trình nào nghiên cứu chuyển gen gia tăng hàm lượng axit min ở sắn. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn ở trên, chúng tôi đã lựa chọn giống sắn TMS 60444 là giống sắn đã được các Viện nghiên cứu ở Thụy Sĩ và Hoa Kỳ đánh giá là giống sắn dễ tạo mô sẹo phôi hóa nhất và đã được chuyển gen thành công [69], [87] để thực hiện đề tài: “Nghiên cứu biến nạp gen Dof1 vào mô sẹo phôi hóa giống sắn TMS 60444 thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens”, với mục đích tạo giống sắn TMS 60444 mang gen Dof1 bằng kỹ thuật chuyển gen thông qua vi khuẩn A. tumefaciens. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học: Kết quả của đề tài sẽ cung cấp những dẫn liệu khoa học về khả năng biến nạp gen Dof1 vào mô sẹo phôi hóa của giống sắn TMS 60444. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài là cơ sở ứng dụng để chuyển gen Dof1 vào cây sắn (M. esculenta Crantz) nhằm tạo ra giống sắn mới có hàm lượng axit amin cao cung cấp cho ngành công nghiệp sản xuất mì chính. 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Tế bào thực vật – Viện Di truyền Nông nghiệp, với sự hỗ trợ kinh phí từ Bộ Khoa học Công nghệ thông qua Hợp đồng Thực hiện nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ theo nghị định thư số: 08/2013/HĐ-NĐT. Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu chung về cây sắn 1.1.1. Nguồn gốc và phân loại cây sắn Cây sắn (Manihot esculanta Crantz) (hình 1) thuộc chi Manihot, họ Euphorbiaceae sống ở vùng nhiệt đới và đã được di canh đến nhiều khu vực khác nhau trên thế giới [18]. Sắn được phân bố phổ biến từ 33° vĩ bắc đến 33° vĩ nam. Sắn được biết đến với hơn 100 tên gọi khác nhau, phụ thuộc vào địa lý nơi chúng được trồng. Ở Mỹ Latinh, sắn có tên gọi là yuca (theo tiếng Tây Ban Nha) hoặc mandioca (tiếng Bồ Đào Nha), trong khi tại Brazin, chúng được chia thành 2 loại, sắn ngọt (sweet cassava) hay sắn đắng (bitter cassava) theo người trồng [22]. 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 1: Hình thái cây sắn [58]. Với những bằng chứng khảo cổ, có thể khẳng định rằng sắn có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ La-Tinh, thuộc khu vực sông Amazon, được loài người trồng cách đây 5000 năm. Trung tâm phát sinh sắn ở Đông Bắc Brazin và một trung tâm khác ở Trung Mỹ và Mexico. Nghiên cứu khảo cổ học cho thấy, một số di vật củ sắn đã được tìm thấy có niên đại khoảng 2700 năm trước công nguyên ở Venezuela, và khoảng 2000 năm trước Công nguyên ở vùng ven biển Peru. Trong khi đó, những lò nướng bánh sắn phức hệ Ualabo có niên đại 1200 năm trước công nguyên đã được tìm thấy ở phía Bắc Colombia và những hạt tinh bột có tuổi khoảng năm 900-200 trước công nguyên trong những phần hóa thạch được phát hiện tại Mexico cùng một số di tích khảo cổ học khác chứng tỏ cây sắn đã xuất hiện và được trồng như một loại cây nông nghiệp từ rất lâu đời [62]. Sắn được người Bồ Đào Nha đưa vào châu Phi lần đầu tiên vào giữa thế kỷ 16. Trải qua thế kỷ 17 phát triển chậm chạp, sắn được du nhập vào đảo Bourbon và Ilede (Pháp) vào các năm 1738-1739, và đưa sang Madagasca vào năm 1875, Xri lanca (1786), Calcutta (1794) và một số nước phía đông châu Phi như Zambiar (1799), Uganda (1878). Ở châu Á, sắn được du nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ 17, Việt Nam và một số nước khác trong khu vực Đông Nam Á vào thế kỷ 18 [9]. Tóm lại, còn có những điều không chắc chắn về vấn đề trung tâm phát sinh cây sắn. Các công trình nghiên cứu gần đây của nhiều tác giả kết luận rằng: Cây sắn có nguồn gốc phức tạp và có 4 trung tâm phát sinh chính đó là ở Braxin có 2 trung tâm còn lại là ở Mêxicô và Bolivia và được trồng cách đây khoảng 3000-7000 năm [12]. 1.1.2. Vai trò của cây sắn 1.1.2.1. Vai trò của cây sắn đối với thế giới Sắn (Manihot esculenta Crantz) là một trong 3 cây lương thực quan trọng nhất thế giới bên cạnh gạo và ngô [42], có giá trị kinh tế lớn về nhiều mặt. Sắn là nguồn lương thực đáng kể cho con người, là nguồn thức ăn dồi dào cho chăn nuôi, nguồn 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn nguyên liệu cho công nghiệp. Tất cả các bộ phận của cây sắn đều có thể sử dụng vào các mục đích kinh tế [12]. Khoảng 600 triệu người tại châu Á, châu Phi và Mỹ La tinh có cuộc sống phụ thuộc vào cây sắn và hơn 80 quốc gia có khả năng phát triển ngành công nghiệp từ sắn. Cây sắn được coi là cây lương thực xóa đói giảm nghèo quan trọng do là cây trồng phát triển tốt trên đất nghèo dinh dưỡng và có khả năng chịu hạn cao [17]. Hầu hết các bộ phận của sắn (củ, thân, lá) đều được dùng để chế biến ra nhiều loại sản phẩm phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp như: Dược, dệt, hoá dầu thực phẩm, chăn nuôi… Ngày nay giá trị của cây sắn ngày càng được nâng cao nhờ những ứng dụng rộng rãi của nó. Trong ngành dược, tinh bột sắn được sử dụng làm tá dược trong sản xuất thuốc, nhiều sản phẩm biến tính tinh bột sắn có giá trị như đường gluccose, fructose…được dùng làm dịch truyền hoặc các phụ gia cho các sản phẩm khác. Tinh bột sắn còn được dùng làm thức ăn cho người, để làm hồ vải và đặc biệt trong ngành công nghiệp chế biến thức ăn cho nghề nuôi trồng thuỷ sản tinh bột sắn là thành phần không thể thiếu được do nó có độ dẻo cao và không bị tan trong nước. Gần 300 loại sản phẩm khác nhau có thể được chế biến từ tinh bột sắn. Lá sắn có chứa nhiều chất dinh dưỡng có giá trị, khá đầy đủ các axit amin cần thiết. Giá trị chủ yếu của lá sắn là dùng để chế biến thức ăn gia súc hoặc dùng để nuôi tằm sắn rất tốt, do chứa nhiều axit amin và một số chất dinh dưỡng [6]. Các công trình nghiên cứu gần đây về sử dụng lá sắn ủ chua cho chăn nuôi lợn là hướng đi có nhiều triển vọng tốt đang được nông dân ở tỉnh Thừa Thiên Huế và một số địa phương áp dụng [12]. Thân sắn được dùng để chế biến cồn, làm giấy, ván ép, chất đốt hoặc làm giá thể trồng nấm … Thành phần hoá học (Bảng 1) chính của củ sắn là gluxit, ở sắn củ tươi có tỷ lệ các chất khoáng và vitamin khá cao đặc biệt là canxi. Tuy nhiên, sắn có tỷ lệ protein và lipit thấp. Chính vì vậy, cần thiết phải tạo ra một giống sắn mới có hàm lượng protein cao hơn các giống sắn hiện có. 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Bảng 1: Thành phần hóa học của sắn và các sản phẩm sơ chế từ sắn so với các loại lương thực khác [12] Thành phần hóa học (%) Loại lương thực Gluxit Protein lipid Gạo tẻ 76,2 7,6 1,0 Ngô hạt khô 69,4 8,6 Ngô mảnh 71,8 Khoai lang tươi Muối khoáng (mg%) Vitamin (mg%) Calo* Ca P Fe Caroten B1 B1 PP 353 30,0 104,0 1,3 - 0,12 0,04 1,9 4,7 364 30,0 190,0 2,3 0,4 0,28 0,11 2,0 8,5 3,2 359 - - - - - - - 28,5 0,8 0,2 122 34,0 49,4 1,0 0,3 0,05 0,05 0,6 Khoai lang khô 80,0 2,2 0,5 342 - - - - 0,09 - - Khoai tây tươi 21,0 2,0 Vết 94 10,0 50,0 1,2 Vết 0,10 0,05 0,9 Khoai tây khô 75,1 6,6 0,3 338 37,0 180,0 4,3 - - - - Mỳ loại I 72,9 1V0 1,1 354 29,0 132,0 2,0 - 0,18 0,13 1,0 Sắn củ tươi 36,4 1,1 0,2 156 25,0 30,0 1,2 - 0,03 0,03 0,6 Sắn củ khô 80,3 3,0 0,7 348 - - - - - - - * Calo/100 gr 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Sắn là cây trồng đứng vị trí thứ tư trên thế giới về mặt cung cấp năng lượng cho con người (bảng 2). Bảng 2: Năng lượng cung cấp trực tiếp cho con người ở vùng nhiệt đới [12]. Nguồn năng lượng Các nước nhiệt đới (tỷ kcal/ngày) Thế giới (tỷ kcal/ngày) Lúa gạo 924 2043 Đường 311 926 Ngô 307 600 Sắn 172 178 Cao lương 147 208 Kê 128 204 Lúa mỳ <100 1877 Khoai tây 54 434 Chuối 32 44 Hội nghị Sắn Toàn cầu tổ chức tại Bỉ năm 2008 đã đưa ra thông điệp: “Cây sắn là quà tặng của thế giới, cơ hội cho nông dân nghèo và thách thức đối với các nhà khoa học” [29]. Do có hàm lượng tinh bột cao, cây sắn không chỉ là cây lương thực mà còn là cây trồng nhiên liệu sinh học tiềm năng [26] tại một số quốc gia châu Á. Năm 2006, sản lượng ethanol toàn thế giới đạt khoảng 50 tỷ lít [87]. Từ 2008, sản lượng sản xuất ethanol của Trung Quốc đã đạt 1 triệu tấn và đang tiếp tục tăng lên. Trung Quốc trở thành nước nhập khẩu nguyên liệu sắn để sản xuất ethanol từ các quốc gia lân cận như Thái lan, Việt Nam, Campuchia và Indonesia. Tại Thái Lan và Việt Nam, nhiều nhà máy sản xuất ethanol sử dụng sắn đã được xây dựng trong giai đoạn từ 2008-2012. Indonesia, Philippine đã lên kế hoạch sử dụng sắn sản xuất ethanol để pha vào xăng theo tỷ lệ bắt buộc 5% bắt đầu từ năm 2010. Các nước như 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Lào, Papua New Guinea, đảo quốc Fiji, Nigeria, Colombia và Uganda cũng đang nghiên cứu thử nghiệm cho sản xuất ethanol [93]. 1.1.2.2. Vai trò của cây sắn đối với Việt Nam Tại Việt Nam, cây sắn đang được trồng rất rộng rãi và là cây lương thực, thức ăn gia súc quan trọng được xếp vào hàng thứ ba sau lúa, ngô và đang trong quá trình chuyển đổi nhanh chóng từ cây lương thực truyền thống thành cây công nghiệp [3]. Hướng sử dụng nguyên liệu sắn để chế biến tinh bột, cồn sinh học, tinh bột biến tính, thức ăn gia súc và màng phủ sinh học đang ngày càng được quan tâm. Năm 2014, tổng diện tích sắn trên cả nước đạt khoảng 551,1 nghìn ha tăng 7 nghìn ha, sản lượng đạt 10,225 triệu tấn, tăng 468 nghìn tấn so với năm 2013, so với cây ngô diện tích ngô đạt khoảng 1,18 triệu ha, tăng 7 nghìn ha và sản lượng khoảng 5,19 triệu tấn, tăng 500 tấn và so với cây lúa tổng diện tích gieo trồng lúa mùa cả nước đạt xấp xỉ 1,96 triệu ha, năng suất bình quân đạt 49 tạ/ha, sản lượng đạt 9,61 triệu tấn [11]. Cây sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo do sắn dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ. Sắn chủ yếu dùng để bán (48,6%) kế đến dùng làm thức ăn gia súc (22,4%), chế biến thủ công (16,8%), chỉ có 12,2% dùng tiêu thụ tươi [12]. Sản xuất lương thực là ngành trọng tâm và có thế mạnh của Việt Nam tầm nhìn đến năm 2020. Chính phủ Việt Nam chủ trương đẩy mạnh sản xuất lúa, ngô và coi trọng việc sản xuất sắn, khoai lang ở những vùng, những vụ có điều kiện phát triển. Thị trường xuất khẩu sắn lát và tinh bột sắn Việt Nam dự báo thuận lợi và có lợi thế cạnh tranh cao do có nhu cầu cao về chế biến bioethanol, bột ngọt, thức ăn gia súc và những sản phẩm tinh bột biến tính. Diện tích sắn của Việt Nam dự kiến ổn định khoảng 450 nghìn ha nhưng sẽ tăng năng suất và sản lượng sắn bằng cách chọn tạo và phát triển các giống sắn tốt có năng suất củ tươi và hàm lượng tinh bột cao, xây dựng và hoàn thiện quy trình kỹ thuật canh tác sắn bền vững và thích hợp vùng sinh thái [12]. Để thúc đẩy ngành sản xuất nhiên liệu sinh học phát triển, gần đây Việt Nam đã phát triển chính sách E10 (xăng sinh học gồm 10% ethanol và 90% xăng thông thường) 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn