Đang tải... (xem toàn văn)
Theo dự báo, dân số thế giới sẽ đạt khoảng 810 tỷ người vào năm 2020, trong đó khoảng 80% dân số sống ở các nước kém phát triển. Hiện nay, cả thế giới đang phải đối mặt với những thách thức lớn như: (1) tăng dân số, tăng nhu cầu lương thực và giảm diện tích đất canh tác bình quân đầu người; (2) quá trình đô thị hóa xảy ra nhanh và sức mua được cải thiện làm tăng nhu cầu lương thực bình quân trên đầu người do tăng nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm động vật; (3) sự khai thác tối đa tài nguyên thiên nhiên gây tác động xấu đến nền tảng sinh thái nông nghiệp (gồm đất, nước, rừng, đa dạng sinh học, khí quyển) có thể gây ra các thay đổi bất thường về khí hậu và mực nước biển; (4) các thành tựu đột phá trong công nghệ mới, đặc biệt là trong công nghệ sinh học, xuất hiện ngày càng nhiều, trong khi còn có nhiều quan điểm khác nhau về các thành tựu đó.
Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU Theo dự báo, dân số giới đạt khoảng 8-10 tỷ người vào năm 2020, khoảng 80% dân số sống nước phát triển. Hiện nay, giới phải đối mặt với thách thức lớn như: (1) tăng dân số, tăng nhu cầu lương thực giảm diện tích đất canh tác bình qn đầu người; (2) q trình thị hóa xảy nhanh sức mua cải thiện làm tăng nhu cầu lương thực bình qn đầu người tăng nhu cầu tiêu thụ sản phẩm động vật; (3) khai thác tối đa tài ngun thiên nhiên gây tác động xấu đến tảng sinh thái nơng nghiệp (gồm đất, nước, rừng, đa dạng sinh học, khí quyển) gây thay đổi bất thường khí hậu mực nước biển; (4) thành tựu đột phá cơng nghệ mới, đặc biệt cơng nghệ sinh học, xuất ngày nhiều, có nhiều quan điểm khác thành tựu đó. Trong bối cảnh vậy, nhân loại phải tìm giải pháp để đảm bảo an ninh lương thực, nâng cao sức khỏe người phồn thịnh cho tất nước, đặc biệt nước phát triển. Hơn 30 năm qua, “Cách mạng Xanh” mang lại nhiều thành tựu bật nơng nghiệp, góp phần tăng sản lượng lương thực, giải vấn đề thiếu lương thực nhiều quốc gia, đặc biệt nước phát triển. Tuy vậy, “Cách mạng Xanh”, có số trồng lúa ngơ đặc biệt quan tâm, nhiều lồi trồng cho vùng khó khăn tồn giới lại đầu tư nghiên cứu. Cơng nghệ sinh học xem “Cách mạng Xanh” lần thứ hai hay “Cách mạng Xanh kép”, suất trồng tăng cao với việc giảm tác hại tới mơi trường. Có thể hiểu khái niệm cơng nghệ sinh học bao hàm hai thành tố cơng nghệ sinh học. Sinh học có nghĩa tri thức khoa học sống, thơng qua cơng nghệ trở thành quy trình sản xuất. Cơng nghệ sinh học q trình sử dụng kiến thức truyền thống cơng nghệ đại nhằm làm thay đổi vật chất di truyền thể sinh vật tạo sản phẩm mới. Cơng nghệ sinh học đặc biệt cơng nghệ sinh học thực vật ứng dụng nơng nghiệp với phát triển mối quan tâm lớn quốc tế. Khái niệm cơng nghệ sinh học thực vật hiểu theo hai nghĩa: theo nghĩa rộng tất cơng nghệ tạo hồn chỉnh từ tế bào, tập hợp tế bào (mơ) hay phận thể thực vật mơi trường nhân tạo phòng thí nghiệm (in vitro); theo nghĩa hẹp q trình tái tổ hợp DNA, nghĩa cơng nghệ liên quan đến thao tác gene để làm thay đổi chất di truyền trồng vậy, làm thay đổi sản phẩm chúng. Trong phạm vi giáo trình này, khái niệm cơng nghệ sinh học thực vật hiểu theo nghĩa rộng, nghĩa bao gồm kỹ thuật ni cấy mơ, tế bào 1 Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu kỹ thuật chuyển gene thực vật. Cơng nghệ sinh học thực vật nói chung cơng nghệ gene nói riêng có bước phát triển nhảy vọt đạt nhiều thành tựu đáng kể, đặc biệt vài thập niên vừa qua. Cơng nghệ chuyển gene cơng cụ hữu hiệu, giúp cho nhà chọn giống tạo giống trồng có đặc tính mong muốn mà nay, chưa có phương pháp chọn tạo giống đạt được. Nhiệm vụ cơng nghệ sinh học thực vật nơng nghiệp phải đáp ứng mục tiêu: giảm nghèo an tồn lương thực; thoả mãn u cầu nơng dân sản xuất nhỏ tập trung vào trồng có giá trị kinh tế. Mục tiêu quan trọng cuối mà lĩnh vực cơng nghệ sinh học thực vật cần hướng tới phát triển cơng nghiệp sinh học. Năm 2005 năm thứ 10 ứng dụng cơng nghệ sinh học trồng trọt kể từ vụ trồng biến đổi gene trồng năm 1996. Điểm mốc quan trọng hội để xem xét tổng thể tác động cơng nghệ nơng nghiệp tồn cầu. Kết sở để quốc gia, chương trình phát triển tồn cầu hoạch định chiến lược phát triển cơng nghệ sinh học, đặc biệt cơng nghệ sinh học thực vật. 1. Cơng nghệ ni cấy mơ tế bào thực vật Kỹ thuật ni cấy mơ tế bào sử dụng có hiệu chọn tạo giống trồng. Các kỹ thuật phát triển thành cơng áp dụng rộng rãi nơng nghiệp gồm: Ni cấy chồi với số lượng lớn phục vụ cơng tác giống trồng: phương pháp áp dụng rộng rãi nhiều trồng có giá trị kinh tế cao như: khoai tây, dâu tây, hoa hồng, cẩm chướng, cúc đồng tiền, . Ni cấy đỉnh sinh trưởng kết hợp với kỹ thuật vi ghép tạo nguồn giống bệnh: phương pháp áp dụng với trồng quan trọng như: có múi, khoai tây, thuốc lá, lily, . Ni cấy bao phấn hạt phấn tạo đơn bội kép kết hợp với chọn lọc phục vụ cho cơng tác chọn tạo giống trồng, đặc biệt trồng cho hạt lúa. Ni cấy tế bào đơn để thu nhận hợp chất thứ cấp hệ thống ni cấy lỏng tĩnh, lỏng lắc, lỏng có sục khí, bioreactor, ngập chìm tạm thời, . Ni cấy tế bào trần làm ngun liệu cho q trình lai tế bào sinh dưỡng (dung hợp tế bào trần) tạo giống trồng mới. Dung hợp tế bào trần kết hợp với nhân dòng vơ tính khoai tây tạo giống cho suất cao giống khoai tây thường 2 Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu Cơng nghệ phơi vơ tính hạt nhân tạo giúp bảo quản nguồn giống trồng. Đây phương pháp áp dụng thành cơng để nhân giống lan hồ điệp. Cơng nghệ thủy canh – trồng khơng cần đất, phương pháp trồng trọt cho suất cao, sản phẩm thu hồn tồn khơng gây ảnh hưởng cho mơi trường khơng sử dụng thuốc trừ sâu hóa chất độc hại khác. 2. Cơng nghệ chuyển gene thực vật Kỹ thuật chuyển gene vào thực vật thành cơng nhiều loại trồng ngơ, lúa, đậu tương, bơng, . Nhiều gene lạ phân lập từ vi sinh vật, động vật, thực vật tổng hợp nhân tạo đưa thành cơng vào trồng để tạo giống trồng có suất chất lượng tốt, có tính chống chịu tốt với sâu, bệnh hại điều kiện bất lợi ngoại cảnh mặn, hạn, rét, ngập úng. Lợi ích mang lại trồng chuyển gene to lớn, giúp giải vấn đề lương thực tồn cầu, đặc biệt nước đơng dân số nước có điều kiện khó khăn cho sản xuất nơng nghiệp. Cơng trình nghiên cứu Ấn Độ cho thấy biến đổi di truyền tiến hành có chất lượng tốt có tác động lớn đến sản xuất nơng nghiệp giải vấn đề an ninh lương thực. Thế kỉ 21 chứng kiến thay đổi nhiệt độ, lượng mưa, mực nước biển, tia UV kết nóng lên tồn cầu. Tất tai hoạ người gây có ảnh hưởng bất lợi đến quốc gia nghèo giới. Việc chuyển gene chịu mặn từ lồi đước (họ Rhizophoraceae) vào lúa thuốc cơng việc khơng thể làm khơng nhờ vào thí nghiệm tái tổ hợp DNA. Đây ví dụ chứng minh ích lợi to lớn cơng nghệ sinh học nghiên cứu khoa học sinh học nơng nghiệp. Kỹ thuật chuyển gene vào trồng tạo giống có sức chống chịu với điều kiện bất lợi cao sâu, bệnh, cỏ dại, khơ hạn, mặn, rét, . Theo ước tính FAO, khoảng 70% tiềm năng suất trồng bị thiệt hại điều kiện bất lợi mơi trường sâu bệnh hại. Chọn tạo giống trồng có khả chống chịu cao với điều kiện bất lợi nhà khoa học đặc biệt quan tâm từ lâu. Ngồi việc áp dụng phương pháp chọn tạo giống truyền thống, phương pháp gây đột biến cơng nghệ sinh học sử dụng rộng rãi đạt nhiều thành tựu to lớn. Nhiều loại giống trồng tạo phương pháp cơng nghệ sinh học mang đặc tính tốt mà phương pháp khác khơng thể đạt được: 3 Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu Các gene kháng sâu hại gene Bt nghiên cứu chuyển vào nhiều loại trồng lúa, bơng, ngơ, đậu tương. Các gene kháng sâu đục thân, rầy nâu, bệnh bạc lá, bệnh nấm gây chuyển thành cơng vào lúa. Các trồng chuyển gene thử nghiệm áp dụng rộng rãi sản xuất, đặc biệt Mỹ, Canada Trung Quốc, góp phần tăng thu nhập cho người nơng dân. Các nhà khoa học thử nghiệm thành cơng việc chuyển gene tham gia vào q trình quang hợp C4 vào trồng C3 làm tăng hiệu suất quang hợp suất trồng nhiều ví dụ lợi ích kỹ thuật này. Tuy nhiên, cố gắng bước đầu, cần nghiên cứu hồn thiện thêm, ngồi enzym xúc tác cho q trình quang hợp, có khác về cấu trúc tế bào mơ C4 C3. Các nghiên cứu phân lập chuyển gene cố định đạm (nif gene) vào lúa để tạo lúa có khả cố định đạm để giảm bớt chi phí mua phân đạm. Chuyển gene kháng sâu hại sâu đục thân, sâu cắn lá, rầy nâu; gene kháng bệnh nấm, bệnh vi khuẩn vào trồng để hạn chế tác hại sâu, bệnh gây giảm chi phí phòng trừ; chuyển gene chịu thuốc trừ cỏ vào trồng để sử dụng thuốc trừ cỏ cách hữu hiệu. Đa số hệ trồng biến đổi di truyền mang gene chịu thuốc trừ cỏ kháng sâu, bệnh hại thường gặp giống trồng có. Sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo trồng mang nhiều đặc tính chữa bệnh có tác dụng làm dược phẩm thành tựu lớn cơng nghệ di truyền. Các trồng chuyển gene tổng hợp insulin, gene tổng hợp vitamin A ví dụ. Có nhiều biến nạp di truyền trồng làm thay đổi hàm lượng tinh bột, dầu chất béo, có khơng có tác động đến đa dạng sinh học. Chuyển gene làm chậm q trình chín (ripening delay gene) để tăng tuổi thọ bảo quản, vận chuyển, tăng giá trị thị trường loại hoa, quả. Kỹ thuật chuyển gene góp phần tăng suất trồng, tăng chất lượng sản phẩm tăng thu nhập cho người lao động. Trong 10 năm qua, diện tích trồng cơng nghệ sinh học liên tục tăng trưởng hai số năm (kể từ loại trồng đưa vào trồng đại trà năm 1996). Đáng ý thập niên đưa vào trồng đại trà, diện tích trồng cơng nghệ sinh học tăng 50 lần. Từ 1,7 triệu năm 1996 lên 81 triệu năm 2004 đạt 90 triệu ha, tương đương với 222 triệu mẫu năm 2005. Trong năm 2004-2005, diện tích trồng cơng nghệ sinh học tăng 11%, tương đương với triệu (22 triệu mẫu). 4 Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu Hình 1.1. Bức tranh tổng thể 10 năm phát triển trồng sinh học tồn cầu Tỷ lệ trồng loại trồng tỷ lệ áp dụng cơng nghệ trồng cao nơng nghiệp, điều cho thấy ngày có nhiều nơng dân nước phát triển phát triển chấp nhận trồng cơng nghệ sinh học. Số nước trồng trồng cơng nghệ sinh học tăng gấp gần lần thời gian 10 năm qua. Năm 1996 có nước chuẩn y trồng loại tăng lên nước năm 1998, năm 1999 tăng thêm nước có 17 nước phát triển cơng nghệ vào năm 2004. Năm thứ 10, năm 2005 số nước chuẩn y phát triển cơng nghệ lên đến 21 nước, thực điểm mốc đáng ý. Ba số nước tham gia năm 2005 nước thuộc Liên minh châu Âu Bồ Đào Nha, Pháp, Cộng hồ Séc Iran. Bảng 1.1. Diện tích trồng Cơng nghệ sinh học giới từ 1996 - 2005 Diện tích Năm (Triệu) Mẫu (triệu) 1996 1,7 4,3 1997 11,0 27,5 1998 27,8 69,5 1999 39,9 98,6 2000 44,2 109,2 2001 52,6 130,0 2002 58,7 145,0 2003 67,7 167,2 5 Công nghệ sinh học thực vật 2004 2005 Tổng Chương 1. Mở đầu 81,0 90,0 384,6 200,0 222,0 951,3 Hình 1.2. Diện tích trồng Cơng nghệ sinh học tồn cầu (1996-2005) Năm 2005, 21 nước trồng cơng nghệ sinh học, có 11 nước phát triển 10 nước cơng nghiệp. Đồ thị cho thấy tương quan diện tích trồng cơng nghệ sinh học nước phát triển phát triển từ năm 1996-2005. Trong năm 2004, phần ba diện tích trồng cơng nghệ sinh học, tương đương với 27,6 triệu hecta trồng nước phát triển. Trong phần đáng kể trồng cơng nghệ sinh học (66%) trồng nước phát triển, thị phần trồng cơng nghệ sinh học nước phát triển lại liên tục tăng nhanh hàng năm với mức tăng cao số nước như: Trung Quốc, Ấn Độ, Philippin, Achentina, Braxin, Mexico, Uruguay, Paraguay Nam Phi. Tại nước phát triển, diện tích trồng cơng nghệ sinh học tăng cao gần gấp ba lần (35%) so với mức tăng diện tích nước cơng nghiệp (13%). Đến năm 2005, diện tích trồng cơng nghệ sinh học nước phát triển chiếm 1/3 (38%, tăng so với 34% năm 2004), tương đương với 333,9 triệu ha, mức tăng diện tích năm 2004 - 2005 (là 6,3 triệu hay tăng 23%) cao nhiều so với mức tăng diện tích nước cơng nghiệp (2,7 triệu ha, tăng 5%). Các tác động ngày tăng quốc gia phát triển (Trung Quốc, Ấn Độ, Achentina, Braxin Nam Phi) đại diện cho châu lục Nam bán cầu châu Á, Mỹ Latinh châu Phi, xu hướng quan trọng cho việc chấp nhận ứng dụng trồng cơng nghệ sinh học tồn giới tương lai. 6 Công nghệ sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu Năm 2005 có 8,5 triệu nơng dân 21 nước giới trồng cơng nghệ sinh học, tăng so với số 8,25 triệu nơng dân 17 nước năm 2004. Đáng ý 90% người trồng hưởng lợi nơng dân nghèo nước phát triển, nhờ vào việc trồng cơng nghệ sinh học, thu nhập họ tăng cao đóng góp cho q trình xố nghèo. Trong năm 2005 có khoảng 7,7 triệu nơng dân nghèo kiếm sống nhờ vào trồng trọt thu lợi từ trồng cơng nghệ sinh học (tăng so với 7,5 triệu người năm 2004) - phần lớn nơng dân Trung quốc với 6,4 triệu người, Ấn Độ với triệu người, hàng nghìn nơng dân Nam Phi mà chủ yếu phụ nữ trồng bơng Bt, 50.000 nơng dân Philippine, số lại nước phát triển trồng cơng nghệ sinh học năm 2005. Như vậy, thời gian 10 năm, loại trồng cơng nghệ sinh học 25 triệu nơng dân trồng thành cơng tổng diện tích khoảng 475 triệu ha, tương đương với gần nửa diện tích đất Mỹ hay Trung Quốc. 7 . trên thế giới từ 19 96 - 2005 Diện tích Năm ha (Triệu) Mẫu (triệu) 19 96 1, 7 4,3 19 97 11 ,0 27,5 19 98 27,8 69,5 19 99 39,9 98,6 2000 44,2 10 9,2 20 01 52,6 13 0,0 2002 58,7 14 5,0 2003 67,7 16 7,2 Công nghệ. sinh học thực vật Chương 1. Mở đầu 6 2004 81, 0 200,0 2005 90,0 222,0 Tổng 384,6 9 51, 3 Hình 1. 2. Diện tích cây trồng Cơng nghệ sinh học tồn cầu (19 96-2005) Năm 2005, trong 21 nước trồng cây cơng. thời gian 10 năm qua. Năm 19 96 chỉ có 6 nước chuẩn y trồng loại cây này đã tăng lên 9 nước năm 19 98, năm 19 99 tăng thêm 3 nước và có 17 nước phát triển cơng nghệ này vào năm 2004. Năm thứ 10 , năm