Bộ gene trong cây lúa và triển vọng

1 BỘ GEN TRONG CÂY LÚA VÀ TRIỂN VỌNG Nguyễn Văn Tuấn * Ðối với người Việt chúng ta, hay phần lớn dân Á châu nói chung, lúa (tên khoa học Oryza sativa) hạt gạo loại thực phẩm gần gũi đóng vai trò quan trọng dinh dưỡng Ngay từ lòng mẹ, làm quen với cơm gạo, lớn lên theo lúa hạt gạo Với sắc văn hóa nông nghiệp, lúa hạt gạo biểu tượng sống Ca dao, ngữ có câu "Người sống gạo, cá bạo nước", hay "Em xinh xinh lúa", v.v Ðối với người Trung Quốc, vật quí ngọc trai hay đá quí, mà hạt gạo Quê hương lúa, không nhiều người tưởng Trung Quốc hay Ấn Ðộ, mà vùng Ðông Nam Á, vùng khí hậu ẩm điều kiện lí tưởng cho phát triển nghề trồng lúa Theo kết khảo cổ học vài thập niên qua, quê hương lúa vùng Ðông Nam Á Ðông Dương, nơi mà dấu ấn lúa ghi nhận khoảng 10.000 năm trước Công Nguyên [1] Còn Trung Quốc, chứng lúa lâu đời 5.900 đến 7.000 năm trước, thường thấy vùng xung quanh sông Dương Tử [2] Từ Ðông Nam Á, nghề trồng lúa du nhập vào Trung Quốc, lan sang Nhật Bản, Hàn Quốc, nơi mà cư dân quen với nghề trồng lúa mạch Ở Trung Quốc Nhật Bản ngày xưa, có giai cấp quí tộc hay võ sĩ có gạo ăn thường xuyên Ở Hàn Quốc, người ta có danh từ "annam mi" để loại gạo nhập cảng từ Việt Nam nước Ðông Nam Á [3] Á châu trung tâm sản xuất lúa gạo lớn giới Theo thống kê Cơ quan Thực phẩm Liên hiệp quốc, giới có khoảng 147,5 triệu đất dùng cho việc trồng lúa, 90% diện tích thuộc nước Á châu [4] Các nước Á châu sản xuất khoảng 92% tổng sản lượng lúa gạo giới Ngày nay, Thái Lan Việt Nam hai nước xuất cảng gạo hàng đầu thị trường lúa gạo giới Lúa gạo nguồn lương thực quan trọng cho khoảng tỷ người [hay khoảng phần cư dân] giới Trong dân số giới tiếp tục gia tăng diện tích đất dùng cho trồng lúa lại không tăng, không muốn nói giảm theo thời gian Do đó, vấn đề lương thực đặt mối đe dọa đến an ninh ổn định giới tương lai Theo dự đoán chuyên gia dân số học, dân số giới tiếp tục gia tăng vòng 20 năm tới, sản lượng lúa gạo phải tăng 80% đáp ứng cho nhu cầu sống cư dân Trong điều kiện eo hẹp đó, người ta phải suy nghĩ đến chiến lược để tăng sản lượng lúa gạo Một chiến lược quan trọng ứng dụng công nghệ sinh học vào việc gây giống qua đó, hi vọng đem lại cho giới nguồn thực phẩm mới, an toàn hơn, có giá trị dinh dưỡng cao Nhưng muốn gây giống cách an toàn, người ta cần phải biết cấu trúc sinh học lúa Ngày nay, qua tiến khoa học sinh học phân tử, người ta biết rằng, giống người, đơn vị sinh học * Tiến sĩ, Viện Nghiên cứu y khoa Garvan Sydney, Autralia lúa tế bào (cells) Mỗi lúa cấu tạo hàng tỷ tế bào Tất tế bào có cấu trúc giống nhau: tế bào có nhân (nucleus) nằm Cái nhân có chứa chất liệu di truyền mà ta thường gọi DNA (viết tắc từ chữ deoxyribonucleic acid) Mỗi nhân thường có hàng triệu DNA DNA gồm có bốn yếu tố hóa học: A (adeline), C (cytosine), G (guanine), T (thymine) Một mảng DNA tạo thành gene Và nhiều gene tạo thành di truyền, gọi chromosome Có thể nói cách ví von cách dùng sách ví dụ: (a) sách có 23 chương (chromosome); (b) chương có nhiều câu chuyện (genes); (c) câu chuyện có nhiều đoạn văn (exons); (d) đoạn văn có nhiều chữ (codons); (e) chữ viết mẫu tự (bases) Do đó, người, gene đóng vai trò quan trọng việc điều hành sinh trưởng, tồn tại, bảo vệ thực vật, kể lúa, chống lại mối đe dọa từ thiên nhiên Gene có chức gửi tín hiệu hóa học đến tất nơi lúa Những tín hiệu có chứa đầy đủ thông tin, thị cụ thể cho quan lúa phải hoạt động Việc tìm hiểu số lượng gene cấu tổ chức gene lúa điều tất yếu để mang lại tiến quan trọng môn sinh học Trong thời gian vừa qua, hai nhóm nghiên cứu (Viện Nghiên cứu Di truyền Bắc Kinh (Beijing Genomic Institute, viết tắt BGI) Công ty sinh học Syngenta (San Diego, Mỹ)), công bố họ gần hoàn tất công trình tìm hiểu cấu tổ chức hệ thống di truyền lúa [5] Nhóm Bắc Kinh cộng tác nhóm gồm nhà khoa học thuộc Trung tâm Nghiên cứu Di truyền thuộc Trường Ðại học Washington (Seattle) nghiên cứu giống lúa có tên indica, Công ty Syngenta tập trung vào nghiên cứu giống lúa japonica có hình dạng ngắn giống indica [6] Ðây công trình nghiên cứu quan trọng khoa học, lần lịch sử nhân loại, người toàn cấu trúc di truyền lúa Khám phá công trình nghiên cứu có ý nghĩa mang tầm dóc giới, tương lai ứng dụng dựa vào kiện có ảnh hưởng đến hàng tỷ người toàn cầu Một số điểm bật công trình hai nhóm nghiên cứu tóm gọn sau: Thứ nhất, số lượng gene lúa nhiều người Theo nhóm nghiên cứu BGI, giống lúa indica (còn có tên bulu Nam Dương) có khoảng 45.000 đến 56.000 genes Còn nhóm Syngenta ước lượng giống lúa japonica (còn có tên sinica) có khoảng 32.000 đến 50.000 genes Ðây ngạc nhiên, từ lâu người ta nghĩ người phức tạp thực vật, số lượng genes người phải cao số lượng gene thực vật Tuy nhiên, qua công trình Human Genome Project (HGP) vừa công bố năm qua người có khoảng 30.000 đến 39.000 genes, hay có ước đoán 34.000 đến 35.000 genes [7] Do đó, đứng phương diện sinh học, nói người có cấu trúc di truyền đơn giản lúa!? Thực ra, chưa thể kết luận được, cần phải hiểu thêm khác biệt cấu trúc di truyền người lúa Kết nghiên cứu nhóm BGI Syngenta cho thấy cấu trúc di truyền người phức tạp cấu trúc lúa Tính trung bình, gene lúa có khoảng 4.500 mẫu tự DNA, gene người dài đến lần (tức khoảng 30.000 mẫu tự) 3 Tại lúa có nhiều gene người? Câu hỏi đề tài suy luận lí thú giới làm khoa học Theo thuyết lưu truyền lúa khả lại (chúng đứng chỗ!) hoàn cảnh này, lúa đối tượng, mồi nhiều kẻ thù kể sâu rầy môi trường chung quanh Do đó, lúa tiến hóa có nhiều genes để chống trả lại đe dọa tự bảo vệ lấy Trong đó, người, đối đầu với hiểm nguy, bỏ chạy hay di chuyển Có lẽ khác giải thích phần khác biệt người cấu trúc di truyền Thứ hai, so sánh với loại cải xoong Arabidopsis mà cấu trúc di truyền khám phá lúa có nhiều genes Cải xoong Arabidopsis có khoảng 25.500 genes, gene, tính trung bình có khoảng 1.000 mẫu tự Khoảng 81% genes tìm thấy cải xoong Arabidopsis tìm thấy giống lúa indica, có 49% genes giống lúa indica tìm thấy cải xoong Arabidopsis Một kết tương tự ghi nhận so sánh giống lúa japonica cải xoong Arabidopsis Thứ ba, người lúa có số genes có cấu trúc DNA giống nhau, chưa có chứng cho thấy gene luân chuyển lúa người Kết có ý nghĩa quan trọng tranh luận gần thực phẩm thay đổi gene, phủ nhận giả thuyết người tiêu thụ thực phẩm thay đổi gene, gạo chẳng hạn, genes hạt gạo khả truyền vào người Nói cách khác, thực phẩm hay trái thay đổi gene không làm thay đổi cấu trúc gene người Tuy nhiên, dù công bố thể một bước tiến dài lịch sử nghiên cứu di truyền, bước đầu, từ giai đoạn đến giai đoạn ứng dụng gene vào việc chế biến hay tạo giống thách thức lớn Thực vậy, công trình có hoàn tất mai, biết cấu trúc di truyền mà Nói cách ví von, biết đồ, chưa biết vùng (trên đồ) có chứa hoạt động Do đó, giai đoạn tìm hiểu mối tương tác genes môi trường, hay quan hệ genes genes thách thức lớn đòi hỏi tri thức nhiều lĩnh vực khác nhau, kể tin học toán học Theo chúng tôi, giai đoạn thứ hai này, gọi thời đại sau di truyền (post-genomic era), thời kỳ hấp dẫn huy hoàng di truyền học Trong nghiên cứu y học, sau di truyền người công bố năm qua, nhà khoa học khắp giới tiến sâu vào lĩnh vực nghiên cứu chức genes Nhưng dù giới chi ngân sách khổng lồ hàng vạn nhà nghiên cứu bỏ nhiều năm làm việc, kết khiêm tốn Cho đến nay, người ta chưa tìm tất genes có liên quan đến bệnh phức tạp ung thư, suyễn, tiểu đường, loãng xương, v.v Qua kinh nghiệm nghiên cứu người, nói việc phát triển giống lúa công nghệ di truyền học vấn đề lâu dài thách thức lớn Ðối với Việt Nam, nước nông nghiệp, đứng vào hàng thứ hai giới xuất cảng gạo, vấn đề đặt sau di truyền lúa công bố thách thức lớn Vấn đề cần đặt phải tận dụng kết nghiên cứu để đem lại lợi ích kinh tế cho nước nhà Chúng thấy phát họa vài phương hướng sau: Thứ nhất, cần phải đầu tư nhân lực xây dựng sở vật chất vào việc nghiên cứu di truyền Phải nói lực lượng khoa học gia Việt Nam làm việc sinh học công nghệ sinh học mỏng, chưa có khả cạnh tranh cao với nước khác vùng Do đó, cần phải có sách khuyến khích học sinh, sinh viên theo đuổi nghiệp nghiên cứu di truyền học, từ đẩy mạnh việc đào tạo thêm chuyên viên có trình độ cao ngành công nghệ sinh học Thứ hai, nên trọng đến môn Thông tin Sinh học (còn gọi bio-informatics) Ðây môn kết hợp kỹ thuật máy tính, toán học di truyền học, để tìm hiểu cấu trúc hoạt động genes mạng lưới sinh học Với đồ genes, cộng với tiến kỹ thuật thông tin học, môn nghiên cứu có mục đích lâu dài "cá nhân hóa" gene cho đặc điểm hay bệnh lí Có thể nói hội cho Việt Nam, song song với việc phát triển tin học nay, cần phải phát triển công nghệ thông tin sinh học Thứ ba, tập trung vào việc nghiên cứu chức genes (còn gọi functional genomics) Nói cách khác, hội để nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu tìm hiểu chức genes việc tăng trưởng sản phẩm Chẳng hạn tìm hiểu xem genes có khả đề kháng sâu rầy, genes có khả chịu nước/khô, v.v Tất nhiên, genes vận hành mình, mà cần phải phối hợp với genes khác hay môi trường để gây tác động; tìm hiểu mối tương tác hướng nghiên cứu cần thiết Hiện nay, với phát triển công nghệ sinh học, nhà nghiên cứu thử nghiệm chức hàng vạn genes chip điện toán Nói tóm lại, việc công bố đồ genes lúa mở kỷ nguyên cho công nghệ sinh học, cung cấp hội cho thích [hay có ý định] dấn thân vào ngành nghiên cứu hấp dẫn kỷ 21, thời đại mệnh danh kỷ công nghệ sinh học Tài liệu tham khảo thích: [1] Xem, chẳng hạn như, "Southeast Asia and Korea: from the beginning of food production to the first states" Wilhelm Solheim, sách "The history of humanity: Scientific and cultural development," 1: "Prehistory and the beginning of civilisation", UNESCO/Routledge, London: 1994, trang 468-81 [2] Sách "Eden in the East: the Drowned Continent of Southeast Asia," Stephen Oppenheimer, Nhà xuất Phoenix (London), 1998, trang 65-71 [3] Xem "Tìm sắc văn hóa Việt Nam," Trần Ngọc Thêm Nhà xuất Thành phố Hồ Chí Minh in lần thứ ba, năm 2001 5 [4] Xem báo cáo sau FAO: (a) "Rice processing industries," FAO/UNDP Regional Workshop, Jakarta, 15-20 July 1985 Bangkok, FAO Regional Office for Asia and the Pacific 293 pp.; (b) FAO "Rice" FAO Q Bull Stat., 3(1): 20-28, 55, 73; (c) "FAO production yearbook," 1989, FAO Stat Ser No 88, Vol 43 Rome, FAO [5] Xem báo cáo khoa học J Yu đồng nghiệp, "A draft sequence of the rice genome (oryza sativa L ssp Indica), Tập san Science 2002; 296:79 [6] Xem báo cáo khoa học S A Goff đồng nghiệp, "A draft sequence of the rice genome (oryza sativa L ssp japonica), Tập san Science 2002; 296:92 [7] Xem báo cáo khoa học Ewing B, Green P., "Analysis of expressed sequence tags indicates 35,000 human genes," Tập san Nature Genetics 2000; 25:232-4 TÓM TẮT Cũng người, gene đóng vai trò quan trọng việc điều hành sinh trưởng, tồn tại, bảo vệ thực vật, kể lúa, chống lại mối đe dọa từ thiên nhiên Gene có chức gửi tín hiệu hóa học đến tất nơi lúa Những tín hiệu có chứa đầy đủ thông tin, thị cụ thể cho quan lúa phải hoạt động Việc tìm hiểu số lượng gene cấu tổ chức gene lúa điều tất yếu để mang lại tiến quan trọng môn sinh học