Ứng dụng bioreactor trong sản xuất giống cây cà phê

Ứng dụng bioreactor trong sản xuất giống cây cà phê

06/01/2016 08:03:21 GMT+7

Theo Bộ NN-PTNT, hiện nay diện tích cà phê trên 20 năm tuổi hiện có trên 86 nghìn ha, chưa kể khoảng 40 nghìn ha cà phê dưới 20 tuổi nhưng đã có biểu hiện già cỗi cho năng suất và chất lượng thấp. Nếu không kịp thời tái canh thì trong một vài năm tới sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất và chất lượng của cà phê Việt Nam. Chính vì vậy, tái canh cây cà phê là chương trình được Chính phủ và NHNN quan tâm, chỉ đạo. 

Để thực hiện tốt chương trình tái canh cây cà phê, thì yếu tố quan trọng nhất là vấn đề cây giống cà phê chất lượng cao, đồng đều. Trước nay, nông dân và các nhà khoa học thường áp dụng hai phương pháp nhân giống cây cà phê là nhân giống vô tính truyền thống (ghép) và nuôi cấy mô thông thường không sử dụng bioreactor. Tuy nhiên phương pháp ghép có nhược điểm là: Nguồn chồi rất lớn nên cần một diện tích vườn nhân chồi lớn; một cây chỉ lấy được 20-30 chồi/vụ; thời vụ sản xuất (ghép chồi) ngắn, chỉ từ 2-3 tháng; nguồn gốc giống dễ bị lẫn tạp từ gốc cây mẹ nếu không kiểm soát kỹ; khó kiểm soát được nguồn gốc của chồi ghép, cây ghép và cây giống ghép của các cơ sở tư nhân. Phương pháp nuôi cấy mô thông thường không sử dụng bioreactor có nhược điểm: Thời gian nhân giống kéo dài ít nhất là 24 tháng để tạo thành cây hoàn chỉnh; hệ số nhân cao hơn phương pháp ghép nhưng vẫn thấp hơn 2-3 lần so với phương pháp nhân giống bằng nuôi cấy mô tế bào có sử dụng hệ thống bioreator; mức độ đồng đều của cây giống không cao, tỷ lệ ra rễ thấp, rễ không thẳng, ngắn, ra thành rễ chùm (nhiều rễ) nên khó xác định được rễ chính; phải cấy chuyền nhiều lần nên tốn nhiều công, từ đó làm chi phí tăng cao so với cây ghép.

Từ thực tế đó, Thạc sĩ Trần Thị Hoàng Anh và các cộng sự tại Viện Khoa học Kỹ thuật Nông Lâm nghiệp Tây Nguyên đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện giải pháp: “Ứng dụng bioreactor trong sản xuất giống cây cà phê bằng công nghệ nuôi cấy mô tế bào”.

Mục đích của giải pháp là nhằm giảm chi phí công cấy chuyền trong quá trình nuôi cấy; tăng tỷ lệ phôi sinh lá mầm và tạo rễ; tăng sinh khối của cây: chiều cao cây, chiều dài rễ, độ lớn của cây, độ lớn của lá và mức độ đồng đều; tăng hệ số nhân của cây lên 2-3 lần so với phương pháp nuôi cấy mô cà phê truyền thống và 1000-2000 lần so với phương pháp ghép chồi; tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, đồng đều trong thời gian ngắn. Bên cạnh đó còn đảm bảo đúng nguồn gốc của giống, cây giống không bị sâu bệnh, có độ đồng đều cao. Đây cũng là một tiêu chí quan trọng trong tái canh cà phê khi sản xuất cây giống không bị bệnh. Khi công nghệ nuôi cấy mô sử dụng bioreactor được sử dụng nhiều và liên tục sẽ làm giảm giá thành cây giống được sản xuất, từ đó giúp cho người nông dân giảm chi phí sản xuất cà phê.

          ThS. Trần Thị Hoàng Anh cho biết, Công nghệ nhân giống cà phê bằng công nghệ Bioreactor gồm các công đoạn:

- Tạo mẫu sạch : Chọn mẫu lá không bị sâu bệnh, rửa sạch dưới vòi nước chảy, sau đó nhúng vào dung dịch khử trùng mẫu. Sản phẩm yêu cầu đạt được của công đoạn này là mẫu lá vô trùng làm vật liệu để tạo tế bào mô sẹo.

- Tạo tế bào mô sẹo: Mẫu lá vô trùng được cấy lên môi trường kích thích phản ứng của tế bào tạo mô sẹo. Sản phẩm yêu cầu đạt được của công đoạn này là tế bào mô sẹo từ mẫu lá để làm vật liệu cho công đoạn tăng hệ số nhân tế bào mô sẹo.

- Tăng hệ số nhân tế bào mô sẹo: Chọn tế bào mô sẹo có khả năng tái sinh, tăng hệ số nhân đưa vào nuôi cấy trong môi trường lỏng được lắc thường xuyên trên máy lắc. Sản phẩm yêu cầu đạt được của công đoạn này là khối lượng mô sẹo được tăng lên và có khả năng tái sinh thành phôi.

-Tái sinh phôi: Mô sẹo có khả năng tái sinh phôi được cấy vào môi trường lỏng và được lắc để tạo phôi. Sản phẩm yêu cầu đạt được của công đoạn này là phôi cà phê có khả năng tạo thành cây hoàn chỉnh.

- Tái sinh phôi thành cây: Chọn lọc những phôi không bị biến dạng bất thường, có khả năng tái sinh thành cây, đưa vào bình bioreactor để nuôi phôi phát triển thành cây. Sản phẩm công đoạn này là tăng hệ số nhân lên gấp 1.000- 2.000 lần và đồng thời sản xuất cây giống đồng nhất với số lượng lớn 30.000 – 40.000 cây trong 1 hệ thống.

- Huấn luyện chăm sóc cây ngoài vườn ươm : Cây con được chọn lọc có rễ cọc, 1-2 cặp lá thật đem huấn luyện ngoài vườn ươm và được chăm sóc đạt tiêu chuẩn xuất vườn.

Trong các công đoạn này, tái sinh phôi thành cây có lá thật bằng bioreactor là công đoạn quan trọng và quyết định đến hiệu quả của quá trình sản xuất. Thực hiện qui trình này và áp dụng bioreator sẽ làm: tăng nhanh hệ số nhân, tăng độ đồng đều của cây, tăng tốc độ phát triển của cây và rút ngắn được thời gian sản xuất cây giống từ 2-3 tháng.

Khi không sử dụng hệ thống bioreactor trong quá trình sản xuất cây bằng nuôi cấy tế bào thì sẽ có những hạn chế, là: Tỷ lệ cây không đồng đều và hệ số nhân không cao; thời gian nuôi phôi để tạo cây kéo dài; trục thân cây bé, có chiều dài thân ngắn, cong và khó định dạng thẳng, sinh khối của cây thấp; rễ cong và nhiều rễ nhánh ; tốn nhiều công sức cấy chuyền từng mẫu lên các bình tam giác.

Như vậy công đoạn tái sinh phôi thành cây có lá mầm bằng hệ thống bioreactor đã giải quyết được những hạn chế trong phương pháp nuôi cấy mô tế bào: tạo ra cây sinh trưởng khỏe, đồng đều, hệ số nhân cao gấp 1000- 2000 lần so với phương pháp nhân giống bằng nuôi cấy mô tế bào trước đây, trục thân kéo dài, thẳng, có 1 rễ cọc thẳng và đặc biệt rút ngắn qui trình nuôi nhân giống cà phê từ 24 tháng còn lại 21 tháng, giảm chí phí trong quá trình sản xuất cây giống bằng phương pháp nuôi cấy mô tế bào.

          So sánh với các phương pháp nhân giống vô tính truyền thống khác thì sử dụng bioreator đã khắc phục được các khuyết điểm của những phương pháp này.

Nguyên lý của giải pháp mới của ThS. Trần Thị Hoàng Anh và cộng sự là thay thế việc tiếp xúc với môi trường liên tục và thiếu không khí trong bình tam giác bằng việc tiếp xúc với môi trường trong thời gian vừa đủ thẩm thấu chất dinh dưỡng và trong điều kiện được cung cấp đủ lượng không khí cho quá trình sinh trưởng và phát triển của phôi, cây, rễ (được thực hiện theo nguyên tắc ngập chìm tạm thời trong bình nuôi cấy Rita của hệ thống bioreactor).

Hệ thống bioreactor là một hệ thống bao gồm nhiều bình nuôi cấy (RITA), một hoặc nhiều hệ thống bơm khí để điều khiển dung dịch ngập chìm theo thời gian đặt cố định, hệ thống ống dẫn khí, hệ thống màng lọc vô trùng. Một bình nuôi cấy có dung tích 1lít gồm có 2 phần, phần trên chứa phôi hoặc cây và phần dưới chứa môi trường. Bơm sẽ cung cấp một áp suất khí vừa đủ để làm dâng môi trường từ phần dưới lên ngăn chứa phôi (cây) phía trên (phần trên) và làm ngập phôi (hoặc cây) trong dung dịch dinh dưỡng, không khí sẽ được cung cấp qua hệ thống cung cấp khí. Trong thời gian làm ngập môi trường ngăn trên, dòng môi trường chuyển động xoáy ốc từ dưới lên với tốc độ chậm làm cho mẫu cấy xoay trở và các mặt đều được tiếp xúc với môi trường, lượng không khí sau đó được thoát ra bên ngoài thông qua ống thoát có màng lọc không khí. Dinh dưỡng trong bình được duy trì trong suốt thời gian nuôi cấy mà không cần thay mới môi trường, điều này làm giảm mức độ nhiễm nấm, vi khuẩn của các phôi và tế bào trong bình, giảm được công cấy chuyền và tăng tỷ lệ phát sinh lá mầm, rễ và sinh khối của cây.

Nguyên tắc hoạt động: Hệ thống bioreactor hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng bơm áp lực bằng điện có điều chỉnh tự động để điều chỉnh mức độ ngập chìm tạm thời và thời gian ngập chìm, dòng chuyển động của môi trường và không khí trong các ống vô trùng, các bộ lọc không khí, được bảo vệ bởi các gioăng kín. Môi trường thích hợp về thành phần, nồng độ, độ ổn định của môi trường, các thông số về thời gian ngập chìm, độ sâu của dung dịch ngập chìm, tần suất của số lần ngập chìm đã được nghiên cứu cụ thể trên từng loại cây, đặc biệt đối với cây cà phê thì điều này càng được nghiên cứu một cách nghiêm ngặt bởi thời gian cây được sinh trưởng trong bình rita là khá dài.

Cấu tạo hệ thống bioreator bao gồm: Bộ phận bơm có điều khiển tự động, bộ cài đặt thời gian tự động, hệ thống ống dẫn, hệ thống bình nuôi cấy RITA, giàn đặt hệ thống trong phòng vô trùng.

Qui trình nuôi cấy mô tế bào đối với cây cà phê bao gồm các công đoạn:

 

Trong qui trình này công đoạn tái sinh phôi thành cây là công đoạn có ảnh hưởng lớn nhất tới kết quả của qui trình về: tỷ lệ tạo cây, tỷ lệ tạo rễ, thời gian hình thành cây, hình dáng và sinh khối của cây. Bên cạnh đó công đoạn này nếu được làm theo qui trình cũ sẽ sử dụng nhiều nhân công để cấy chuyền, nguy cơ nhiễm trong những lần cấy chuyền là rất cao, sự kém đồng đều giữa các lần cấy chuyền về môi trường và dinh dưỡng làm cho quá trình tạo cây, tạo mầm, tạo rễ bị ảnh hưởng. Do đó giải pháp công nghệ đặc biệt này tập trung nghiên cứu ứng dụng bioreator vào công đoạn này nhằm giải quyết được vấn đề đặt ra, giúp phôi được nẩy mầm hoàn thiện, sinh trưởng và phát triển của cây đồng đều, có sinh khối tốt, rễ thẳng và dài, từ đó nâng cao được chất lượng của cây giống, tăng tỷ lệ thành công và từng bước hạ giá thành sản phẩm. Giải pháp công nghệ sử dụng bioreactor là bước đột phá để đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm ra tới sản xuất ở qui mô công nghiệp. Nếu không có giải pháp này thì rất khó để giảm được giá thành của cây, giảm được thời gian nuôi cấy và tăng tỷ lệ cây nuôi cấy thành công. Đây là bước đột phá mới của công nghệ này.

          Các chuyên gia nông nghiệp và công nghệ sinh học Ban Tổ chức Hội thi sáng tạo kỹ thuật tỉnh Đắk Lắk lần thứ V (2014-2015) đánh giá: Giải pháp là sản phẩm từ các kết quả nghiên cứu công phu và chuyên sâu về nuôi cấy mô tế bào, về ứng dụng bioreactor, về hoàn thiện qui trình sản xuất trong một giai đoạn dài của các đề tài và dự án; Giải pháp là phương pháp tối ưu để giải quyết được một trong những công đoạn khó khăn nhất, có ảnh hưởng lớn nhất trong qui trình và quyết định tới chất lượng, số lượng và qui mô của sản phẩm. Giải pháp là kết quả đạt được từ việc thực hiện hàng loạt các thí nghiệm thực nghiệm trong phòng ở qui mô từ nhỏ tới lớn.

         Công nghệ nuôi cấy mô tế bào sử dụng bioreactor đối với cà phê lần đầu tiên được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam, dựa trên các luận cứ khoa học chắc chắn, các kết quả nghiên cứu cụ thể, các sản phẩm tạo thành đảm bảo về mặt chất lượng và số lượng. Giải pháp có tính sáng tạo cao trong ứng dụng khoa học công nghệ tiên tiến, công nghệ mới, công nghệ có trình độ cao trong nhân giống cây cà phê. Bên cạnh đó giải pháp còn mang tính kết hợp những kỹ thuật tiên tiến của các ngành (trồng trọt và công nghệ sinh học) vào trong những thao tác và qui trình để nhằm hoàn thiện hơn và tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt hơn. Giải pháp ứng dụng bioreactor trong nhân giống cà phê đã được áp dụng ở qui mô công nghiệp, tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao, được nhiều người nông dân tìm đến để đặt hàng. Giải pháp là cơ sở để mở rộng sản xuất giống theo phương pháp nuôi cấy mô tế bào ứng dụng bioreactor, tạo ra sản phẩm có chất lượng, sạch bệnh, đúng giống và sinh trưởng phát triển tốt. Giải pháp này là phương pháp tạo ra được cây giống sạch bệnh, đúng giống để giúp cho vấn đề tái canh cây cà phê tại Đắk Lắk nói riêng, Tây Nguyên nói chung thành công. Đây cũng là cơ sở để có những nghiên cứu và ứng dụng bioreactor trên các cây thân gỗ khác tương tự cây cà phê trên địa bàn Tây Nguyên như: cacao, điều, bơ, macadamia…

Với hiệu quả cao về các mặt kỹ thuật, kinh tế, xã hội và môi trường, giải pháp: “Ứng dụng bioreactor trong sản xuất giống cây cà phê bằng công nghệ nuôi cấy mô tế bào” của Thạc sĩ Trần Thị Hoàng Anh đã được Ban Tổ chức Hội thi sáng tạo Kỹ thuật tỉnh Đắk Lắk lần thứ V (2014-2015) trao giải Nhất Hội thi.

                                                            Tác giả bài viết: Đoàn Văn Thanh

                              Trưởng Ban Thông tin, phổ biến kiến thức và hội viên

                              Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Đắk Lắk

Thứ ba, 16/01/2018 04:48:26 PM

Bình chọn

Bạn thấy nội dung của website như thế nào ?

Bình chọn

Liên kết website

Mở liên kết

Lượt truy cập: 2,006,071

Đang online: 57