Callus là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Callus là gì?

Callus là một khối mô thực vật chưa biệt hóa, được hình thành từ các tế bào sống có khả năng phân chia, thường xuất hiện khi mô bị tổn thương cơ học hoặc được nuôi cấy trong điều kiện in vitro phù hợp. Trong nghiên cứu sinh học thực vật và công nghệ sinh học, callus đóng vai trò trung tâm nhờ tính linh hoạt và khả năng tái sinh thành cây hoàn chỉnh.

Callus thường phát triển từ mô mềm như lá, thân non, rễ hoặc phôi, khi được đặt vào môi trường dinh dưỡng chứa các chất điều hòa sinh trưởng thực vật. Mô này không có cấu trúc tổ chức cụ thể như rễ, thân hay lá mà là khối tế bào dạng khối, có thể màu trắng, vàng nhạt hoặc xanh lục, tùy vào nguồn mô và điều kiện nuôi cấy.

Theo NCBI, callus là giai đoạn trung gian bắt buộc trong hầu hết các hệ thống nuôi cấy mô, đặc biệt là nhân giống vô tính và chuyển gen, do khả năng phản ứng cao với tín hiệu môi trường và hormone.

Quá trình hình thành callus

Hình thành callus (callus induction) là quá trình kích thích sự phân chia tế bào và khử biệt hóa từ một mô trưởng thành sang trạng thái chưa chuyên hóa. Quá trình này được khởi động khi mẫu mô (explants) được đặt lên môi trường dinh dưỡng rắn hoặc lỏng có chứa hormone thực vật ở nồng độ cụ thể.

Các giai đoạn cơ bản của cảm ứng callus gồm:

1. Khử trùng và chuẩn bị mẫu mô
2. Cấy mẫu vào môi trường chứa auxin và/hoặc cytokinin
3. Quan sát phản ứng sau 3–7 ngày: mô chuyển màu, trương lên
4. Sau 2–4 tuần, callus hình thành rõ rệt quanh vết cắt mô

Quá trình này không chỉ phụ thuộc vào hormone mà còn chịu ảnh hưởng bởi điều kiện vật lý như ánh sáng (thường là bóng tối giai đoạn đầu), nhiệt độ (khoảng 25°C) và pH môi trường nuôi cấy (5.6–5.8).

Chi tiết kỹ thuật tham khảo tại: ScienceDirect – Plant Tissue Culture

Vai trò của hormone thực vật

Sự hình thành và phát triển của callus được điều chỉnh chủ yếu bởi hai nhóm hormone thực vật: auxin (ví dụ như 2,4-D, NAA) và cytokinin (ví dụ BAP, kinetin). Tỷ lệ giữa hai loại hormone này trong môi trường nuôi cấy quyết định việc callus phát triển, phân hóa rễ hay chồi, hoặc tiếp tục giữ trạng thái chưa biệt hóa.

Khi nồng độ auxin cao hơn cytokinin, callus có xu hướng biệt hóa thành rễ. Ngược lại, nếu cytokinin vượt trội, callus có thể phát triển chồi. Trường hợp cả hai ở mức cân bằng hoặc thấp, callus thường duy trì trạng thái phân chia tế bào chưa biệt hóa.

$\text{Tỷ lệ hormone} = \frac{[\text{auxin}]}{[\text{cytokinin}]}$

Ví dụ về ảnh hưởng của tỷ lệ hormone đến biệt hóa của callus:

Phân loại callus

Callus có thể được phân chia theo đặc điểm hình thái, cấu trúc hoặc khả năng biệt hóa. Một số loại thường gặp trong thực tiễn nuôi cấy mô bao gồm:

• Callus đặc (compact callus): cấu trúc rắn, màu trắng hoặc vàng nhạt, tế bào ít phân chia, khó tái sinh thành cây
• Callus sẹo (friable callus): mô mềm, xốp, dễ nghiền và phân tán, phù hợp cho nuôi cấy lỏng hoặc huyền phù tế bào
• Callus phôi hóa (embryogenic callus): có khả năng tạo phôi soma, là loại callus lý tưởng cho nhân giống và chuyển gen

Việc xác định đúng loại callus là cơ sở để lựa chọn chiến lược tái sinh hoặc nhân giống phù hợp, tùy theo mục tiêu nghiên cứu hoặc ứng dụng công nghệ sinh học cụ thể.

Ứng dụng trong nuôi cấy mô

Callus đóng vai trò then chốt trong công nghệ nuôi cấy mô thực vật, đặc biệt là vi nhân giống (micropropagation). Quá trình tạo callus từ một mẫu mô nhỏ cho phép nhân bản hàng nghìn cây con giống hệt cây mẹ trong điều kiện vô trùng, ổn định và hiệu quả. Đây là công cụ chiến lược cho bảo tồn nguồn gen, sản xuất cây trồng sạch bệnh và phục vụ trồng rừng, nông nghiệp quy mô lớn.

Callus còn được dùng trong chọn lọc dòng đột biến hoặc kháng bệnh. Khi tiếp xúc với chất chọn lọc (ví dụ kháng sinh, kim loại nặng, muối), chỉ những callus có đột biến hoặc tính trạng mong muốn mới sống sót, từ đó chọn lọc được dòng ưu việt để tái sinh cây con. Ngoài ra, các callus đặc biệt có thể sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp như alkaloid, flavonoid hay anthocyanin phục vụ công nghiệp dược phẩm và mỹ phẩm.

Ví dụ ứng dụng callus trong thực tiễn:

• Nhân giống lan mô (Orchidaceae) ở quy mô thương mại
• Tạo giống khoai tây kháng virus qua chọn lọc callus
• Sản xuất paclitaxel từ callus cây thông đỏ (Taxus spp.)

Callus trong kỹ thuật chuyển gen

Callus là nguyên liệu lý tưởng cho kỹ thuật biến đổi gen nhờ khả năng phân chia nhanh, dễ xử lý và dễ tái sinh. Trong quá trình chuyển gen, DNA ngoại lai được đưa vào callus thông qua các phương pháp phổ biến như truyền vector bằng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens hoặc bắn gen bằng thiết bị gene gun (biolistics).

Sau khi gen được tích hợp vào tế bào callus, quá trình chọn lọc bằng kháng sinh hoặc chất chỉ thị sinh hóa sẽ giúp loại bỏ các mô không mang gen. Callus mang gen được tiếp tục nuôi cấy trong môi trường cảm ứng tái sinh để phát triển thành cây hoàn chỉnh. Nếu gen được tích hợp vào nhân tế bào và truyền lại cho thế hệ sau, cây này sẽ được xem là giống chuyển gen (GMO).

Ví dụ thành công từ callus biến đổi gen:

1. Gạo vàng (Golden rice): sử dụng callus để chèn gen tổng hợp beta-carotene vào hạt gạo
2. Ngô Bt: kháng sâu nhờ biểu hiện protein Cry
3. Cà chua chín chậm: kiểm soát gen ethylene thông qua callus nuôi cấy

Yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển callus

Sự hình thành và phát triển của callus chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố sinh lý và kỹ thuật. Nguồn mô là yếu tố đầu tiên cần xem xét, vì không phải tất cả mô thực vật đều có khả năng cảm ứng callus giống nhau. Mô non và giàu dinh dưỡng (như phôi, mô phân sinh) thường có khả năng hình thành callus cao hơn so với mô hóa già (mô gỗ, mô cứng).

Thành phần môi trường nuôi cấy cũng quyết định tỷ lệ và chất lượng callus. Các yếu tố như loại hormone, nồng độ đường, muối khoáng và vitamin cần được tối ưu hóa. Ngoài ra, điều kiện vật lý như ánh sáng (thường để tối khi cảm ứng), nhiệt độ (25–28°C) và pH môi trường (5.6–5.8) cũng cần kiểm soát chặt chẽ.

Bảng thông số tối ưu cho nuôi callus từ mô lá cây thuốc lá (Nicotiana tabacum):

Callus và phôi soma (somatic embryogenesis)

Một số loại callus, đặc biệt là callus phôi hóa (embryogenic callus), có khả năng biệt hóa thành phôi soma – một hình thái phôi phát sinh từ tế bào không phải giao tử. Quá trình sinh phôi soma mở ra khả năng tạo cây hoàn chỉnh mà không cần qua thụ tinh hữu tính.

Phôi soma phát triển thông qua các giai đoạn giống như phôi hạt: hình cầu, hình tim, hình ngưỡng, sau đó nảy mầm thành cây con. Quá trình này rất quan trọng trong nhân giống vô tính quy mô lớn, bảo tồn gen quý hiếm và nghiên cứu di truyền học phân tử.

$\text{Tế bào soma} \rightarrow \text{phôi soma} \rightarrow \text{cây hoàn chỉnh}$

Giới hạn và thách thức

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc ứng dụng callus vẫn còn gặp nhiều giới hạn trong thực tế. Không phải loài cây nào cũng cảm ứng callus dễ dàng, và không phải callus nào cũng có khả năng tái sinh. Sự khác biệt giữa các giống, dòng và điều kiện môi trường làm tăng biến dị kết quả.

Quá trình nuôi cấy kéo dài còn có thể gây ra biến dị soma (somaclonal variation) – thay đổi di truyền ngoài ý muốn. Điều này ảnh hưởng đến độ đồng nhất và ổn định của cây con tái sinh. Bên cạnh đó, kỹ thuật yêu cầu trang thiết bị chuyên dụng, chi phí cao và cần nhân lực có tay nghề.

Các thách thức thường gặp:

• Độ đặc hiệu mô nguồn cao
• Biến dị soma làm giảm chất lượng giống
• Chi phí duy trì môi trường nuôi cấy ổn định

Kết luận

Callus là một hệ thống sinh học mạnh mẽ, mở ra nhiều hướng phát triển trong nghiên cứu thực vật và công nghệ sinh học nông nghiệp. Từ một khối mô chưa biệt hóa, các nhà khoa học có thể tạo ra cây trồng mới, chuyển gen, chọn lọc đột biến, sản xuất hợp chất sinh học và bảo tồn giống quý hiếm.

Tiềm năng của callus sẽ tiếp tục được mở rộng khi các kỹ thuật nuôi cấy, kiểm soát hormone và chỉnh sửa gen ngày càng chính xác. Đây là một trong những nền tảng kỹ thuật quan trọng nhất trong kỷ nguyên nông nghiệp công nghệ cao.