Bên cạnh đó, kĩ thuật này là kĩ thuật không thể thiếu được trong công tác tạo giống mới như kĩ thuật chuyển gen, dung hợp, nuôi cấy tế bào đơn, tạo cây đơn bội… với nhiều mục đích như [r]
(1)CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC VẬT TRONG THẾ KỈ XXI: TRIỂN VỌNG VÀ THÁCH THỨC
Dương Tấn Nhựt*, Hoàng Xuân Chiến
Viện Sinh học Tây Nguyên, Viện KHCNVN, Tp Đà Lạt
*
Email: duongtannhut@gmail.com
Đến Tòa soạn: 16/12/2012; Chấp nhận đăng: 24/12/2012 TÓM TẮT
Trong tổng quan này, tác giả xin đề cập đến triển vọng lĩnh vực công nghệ sinh học thực vật quang cảnh chung kinh tế nông nghiệp định hướng tiêu biểu chúng công tác giống trồng Hiện nay, giới có 700 công ty giống trồng áp dụng công nghệ nuôi cấy mô, quan tế bào thực vật để sản xuất hàng trăm triệu giống trồng bệnh năm (cây dược liệu, ăn quả, lương thực, hoa, cảnh, rừng) mang lại hiệu kinh tế cao so với việc sử dụng phương pháp truyền thống khác, góp phần bảo vệ an ninh lương thực chống biến đổi khí hậu tồn cầu Ở Việt Nam, có 100 phịng thí nghiệm sử dụng kĩ thuật sản xuất gần 30 triệu giống vơ tính; riêng Đà Lạt, thành phố đầu nước sản xuất 26 triệu giống nơi có phịng thí nghiệm tư nhân có quy mơ thuộc loại hàng đầu giới Bên cạnh đó, kĩ thuật kĩ thuật thiếu công tác tạo giống kĩ thuật chuyển gen, dung hợp, nuôi cấy tế bào đơn, tạo đơn bội… với nhiều mục đích tạo chống stress, tích lũy chất có hoạt tính sinh học, thích nghi với điều kiện trồng trọt khác nhau… Để thực điều đó, cần phải có kiến thức liên quan sinh lí thực vật, sinh hóa, di truyền, phân loại, sinh học phân tử… Những thông tin ngắn gọn tổng quan vai trò quan trọng công nghệ sinh học thực vật cách mạng xanh ghi nhận chúng phát triển kinh tế xã hội giới Việt Nam
Từ khóa: An ninh lương thực, biến đổi khí hậu, trồng biếnđổi gen, chuyển gen, cơng nghệ
sinh học thực vật, kĩ thuật chọn giống, nhiên liệu sinh học, kĩ thuật chọn giống, nhiên liệu sinh học, nông nghiệp, tăng mùa vụ, vi nhân giống
1. MỞ ĐẦU
Công nghệ sinh học nói chung, cơng nghệ sinh học thực vật nói riêng có đóng góp định phát triển kinh tế xã hội Nhìn thấy tầm quan trọng đó, năm qua, Đảng Nhà nước ta đầu tư nhiều kinh phí cho lĩnh vực Công nghệ sinh học
thực vật Với hai phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia công nghệ tế bào thực vật (Viện di
(2)860
công nghệ gen (Viện công nghệ sinh học) nhà nước tài trợ với tổng kinh phí khoảng 11,5 triệu la Mỹ nhiều phịng thí nghiệm trọng điểm cơng nghệ sinh học thực vật Bộ Nông nghiệp – Phát triển nông thôn, Bộ Khoa học – Công nghệ đầu tư trực tiếp cho Viện trực thuộc với kinh phí khơng nhỏ Để giúp có nhìn tổng thể việc phát triển lĩnh vực này, tác giả mong muốn cung cấp thông tin “những việc cần làm
những điều cần quan tâm” để phát triển công nghệ sinh học thực vật, qua thấy rõ
trách nhiệm hoạt động nghiên cứu
2. QUANG CẢNH NGÀNH NƠNG NGHIỆP THẾ GIỚI: AN TỒN THỰC PHẨM
VÀ SỰ THAY ĐỔI CỦA MÔI TRƯỜNG
Việc cung cấp lương thực cho toàn giới vào năm 2050 trở thành vấn đề tồn cầu, chương trình trọng hàng đầu tổ chức Nông lương Liên Hợp Quốc - FAO Sản lượng thực phẩm toàn cầu cần phải tăng đến 70 % vào năm 2050 để cung cấp đủ cho 9,2 tỉ dân (theo diễn đàn High Level Expert, FAO, tháng 10, 2009, http://www.fao.org) Với thành công cách mạng xanh tiến công nghệ sinh học, sản lượng nông nghiệp tăng lên đáng kể vòng 40 năm qua Sản lượng lương thực (lúa mạch, lúa, bắp) tăng từ 100 – 200 % từ cuối năm 1960 [1] Theo báo cáo an ninh lương thực giới [2], báo cáo trình bày cách tính số người thiếu ăn toàn giới dựa phương pháp sửa đổi cải tiến Các ước tính cho thấy tiến việc giảm đói suốt 20 năm qua đạt tốt tưởng với nỗ lực đổi mới, đạt mục tiêu thiên niên kỷ giảm nạn đói cấp độ tồn cầu vào năm 2015 (Hình 1) Tuy nhiên, số lượng người bị thiếu ăn mức cao, thống kê FAO giới 870 triệu người tương đương với phần tám dân số giới cịn tình trạng đói xóa đói thách thức lớn cho toàn cầu (http://faostat.fao.org/faostat, 2012) Giá lương thực qua năm có gia tăng mạnh nhiều loại thực phẩm, đặc biệt Lúa mì, Ngơ, Gạo, Đậu nành Bơng Ở nước phát triển mạnh giá thực phẩm thấp, việc tăng giá thực phẩm tác động đến kinh tế Trong vấn đề nước phát triển khác biệt Khi nửa tiền lương người dân dùng cho việc mua thực phẩm giá thực phẩm lại tăng 30 – 40 %, người dân phải gặp nhiều khó khăn việc lựa chọn Do bất chấp nỗ lực phủ nhiều tổ chức phi phủ mà số người đói/số người suy dinh dưỡng thực tế cịn nhiều [3]
Có nhiều vấn đề xảy hầu hết nguồn thực phẩm dư thừa sản xuất vùng xa khu vực cần hỗ trợ thực phẩm Một lượng lớn thực phẩm sản xuất năm bị lãng phí hư hỏng, côn trùng vấn đề khác Các vấn đề khí hậu hàng năm hạn hán (gần chứng kiến Ukraina) lũ lụt (Pakistan Australia) giảm sản lượng lương thực lượng đáng kể [3]
(3)lương thực từ trở thành nhiệm vụ khó thực thi Sự thay đổi khí hậu lại thử thách cho an ninh lương thực thực phẩm (Diễn đàn High Level Expert, FAO, Rome, 12–13
Hình 1. Biểu đồ thể số lượng người bị thiếu ăn toàn giới WFS (World Food Summit) – Hội nghị cấp cao lương thực giới; Millennium Development Goal (MDG)–Mục tiêu thiên niên kỷ (số
liệu ước lượng FAO, 2012)
(4)862
lương thực thực phẩm xóa đói giảm nghèo trì sinh thái [4] (Diễn đàn High Level Expert, FAO, http://www.fao.org) Nếu thực thi, việc giảm thiểu loại trừ khí nhà kính từ hoạt động nông nghiệp vấn đề đáng ý Các ứng dụng cải tiến công nghệ sinh học bước thuận lợi việc đương đầu trước biến đổi khí hậu nhằm đảm bảo an ninh sản xuất lương thực thực phẩm cho dân số giới ngày tăng lên
Sự tồn nhân loại gắn liền với sản phẩm nông nghiệp [5] Những phương pháp sản xuất truyền thống khơng cịn đảm bảo việc đáp ứng nhu cầu lương thực người Chính vậy, ứng dụng biện pháp công nghệ sinh học thực vật cần thiết việc gia tăng sản phẩm lương thực cho xã hội Về lâu dài, việc áp dụng rộng rãi biện pháp (kĩ thuật) công nghệ sinh học thực vật công nghệ sinh học nơng nghiệp điều cần thiết Thêm vào biện pháp thay công nghệ y sinh nhằm giảm thiểu nguy suy dinh dưỡng người tình trạng thiếu lương thực Trong nghiên cứu “Sự điều khiển thảm họa”, chủ đề trọng tâm nghiên cứu xã hội chương trình giảng dạy thực phẩm thiếu hụt thực phẩm hiểm họa
đỉnh điểm Tuy nhiên, khơng bệnh tự nhiên, hồn tồn chuẩn bị
và phịng chống bệnh thiếu hụt thực phẩm từ trước Sự hóa thực vật động vật tìm thấy tự nhiên kết hợp với thay đổi số lượng chất lượng giống qua thời gian dài đóng góp nơng nghiệp Sự hóa, sau dự trữ lương thực xảy đồng thời với phát triển vi sinh vật Từ thực phẩm lên men truyền thống đời, xem ứng dụng sớm công nghệ sinh học vào việc tạo sản phẩm thực phẩm Hình thức nơng nghiệp truyền thống đối mặt với hạn chế nghiêm trọng [5]:
1 Hạn chế thị trường: Thế giới ngày trở thành làng lớn mà
luật lệ mậu dịch tự phủ nhận tính hiệu sách giá cục có sách luật lệ thương mại quốc tế tồn Điều ảnh hưởng sâu sắc đến phát triển nông nghiệp tương lai nông nghiệp ngành thương mại lớn giới
2 Hạn chế tài nguyên thiên nhiên: Sự thay đổi khí hậu toàn cầu (hậu lớn
hiện tượng sa mạc hóa nhiễm mặn), cơng nghiệp hóa, thị hóa làm giảm sút diện tích đất nước nông nghiệp gây mối đe dọa thối hóa chất lượng đất, nước khơng khí
3 Hạn chế nguồn gene sinh học có: Mặc dù đạt hiệu cao thời gian trước
đây, tạo thành kiểu gene phương pháp sinh sản truyền thống chậm để theo kịp nhu cầu nay, đồng thời kiểu gene bị hạn chế đáng kể thiếu hụt gene tự nhiên bị qua q trình lai tạo truyền thống
Ngồi hoạt động cải thiện nơng nghiệp khơng ngừng, có lẽ có hai giải pháp có tiềm việc tăng cao lượng lương thực cung cấp sản phẩm nông nghiệp mà không kể đến hạn chế vừa nêu: (1) tìm kiếm nguồn thực phẩm (ví dụ thực phẩm từ đại dương hay từ trái đất), (2) nâng cao hiệu nhân giống
3. NHU CẦU HỢP TÁC: SỰ KẾT HỢP GIỮA CƠNG NGHỆ SINH HỌC VỚI SINH
LÍ HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NHÂN GIỐNG CỔ ĐIỂN
(5)nông nghiệp, phụ thuộc vào hiệu kết hợp phương pháp nhân giống truyền thống với công nghệ sinh học thực vật đại cơng cụ mà cung cấp Chẳng hạn “cuộc cách mạng xanh” tăng sản lượng lúa mì Ấn Độ số nước Đơng Nam Á lên gấp 10 lần nuôi sống gấp lần dân số lúc Tuy nhiên, cách mạng bị khai thác đến giới hạn nó, cần có giải pháp thay để cải thiện mùa vụ Giờ công nghệ sinh học kết hợp với nhân giống cổ điển tiến đến cột mốc tạo cách mạng mới, “cuộc cách mạng thường xanh” (evergreen revolution) Tiềm cải tiến sản lượng vật nuôi, trồng khả sử dụng chúng nông nghiệp phụ thuộc chủ yếu vào kĩ
thuật DNA đánh dấu phân tử phát triển gần Các kĩ thuật cho phép lựa
chọn kiểu gene thành cơng, phân lập nhân vơ tính tốt dòng phù hợp tạo cá thể chuyển gene lồi quan trọng nơng nghiệp Những kĩ thuật kết hợp với phần nằm phần mở rộng nhân giống cổ điển, đóng góp thành cơng vào việc rút ngắn thời gian nhân giống chu trình chọn lọc Công nghệ sinh học thực vật sử dụng kĩ thuật DNA tái tổ hợp, RNAi sinh học tế bào in vitro vào ba lĩnh vực sau:
1 Là công cụ hỗ trợ cho nhân giống cổ điển: bao gồm dự án lập đồ gene
đang thực hiện, ví dụ đối tượng Arabidopsis, Lúa, Bắp Cà chua, kết hợp với hoạt động chức gene, proteomics, sinh tin học (bioinformatics) chọn lọc với hỗ trợ DNA marker Việc sử dụng kết hợp kĩ thuật nhanh chóng rút ngắn thời gian cần thiết cho việc nhân giống cổ điển chu trình chọn lọc
2 Sự tạo thành cá thể chuyển gene: Trong bối cảnh có hạn chế
nhập gene phương pháp lai cổ điển (ví dụ thiếu hụt gene mong muốn, khó khăn q trình lai tạo), việc chuyển gene hiệu thực vật có kết tốt việc cải tiến sản lượng số trồng quan trọng Dù hình thành gần hai thập kỷ, kết phát triển đầy ấn tượng cho phép tải nạp hòa nhập gene phân lập từ cá thể khác tạo khả tái tổ hợp gene
3 Sự xâm nhập vi sinh vật vào hệ thống sản xuất thực vật: Trong phát triển công
nghệ sinh học mối quan hệ cộng sinh, kháng sinh đối kháng thực vật vi sinh vật (nấm, vi khuẩn côn trùng), so với kĩ thuật khác, sử dụng thực vật chuyển gene vi sinh vật mở nhiều khả Trong có việc kiểm sốt sâu bệnh, phân bón sinh học, kích thích tăng trưởng thực vật liệu pháp sinh học – thực vật
Trong hai thập niên qua, kĩ thuật thích ứng với hoạt động nơng nghiệp mở triển vọng cho việc sử dụng thực vật Điều tiếp tục phát triển bước hoàn thiện thập niên tới Công nghệ sinh học thực vật – đặc biệt sinh học tế bào kĩ thuật tái sinh in vitro, kĩ thuật thao tác DNA điều chỉnh gene đường biến đổi hóa sinh, làm thay đổi tình hình thực vật ba lĩnh vực sau:
1 Sự điều khiển sinh trưởng phát triển (vơ tính, hữu tính nhân giống)
2 Bảo vệ thực vật trước nguy stress học sinh học chưa tăng nhanh
(6)864
Cơng nghệ sinh học thực vật đóng vai trị đáng kể cho ngành nơng nghiệp đại vòng hai thập kỉ qua Từ trồng biến đổi gen (GM) lần thương mại hóa năm 1996, diện tích mùa vụ cơng nghệ sinh học khơng ngừng phát triển tồn giới, đạt đến 134 triệu hecta vào năm 2009 [6], ước tính gia tăng triệu hecta so với năm 2008 Điều chứng minh cho thay đổi đáng kể lợi ích kinh tế tiềm to lớn trồng biến đổi gen Cho đến bây giờ, việc thương mại hóa trồng biến đổi gen, Bắp đại diện tiêu biểu thành công trồng dạng thân thảo biến đổi gen
Tuy nhiên, mối rủi ro cho môi trường, đặc biệt xâm nhập gen chuyển qua trình giao phấn, không đồng hệ gen, hiệu ứng epigenetic [7, 8] hệ trồng biến đổi gen hình thành thơng qua chuyển đổi nhân, bị giới hạn chấp nhận nhiều quốc gia, đặc biệt quốc gia châu Âu Sự xâm nhập gen trồng biến đổi gen vào loài hoang dại giống khác loài xảy diện gen chuyển nằm hạt phấn, kết chuyển đổi nhân [8, 9] Vì biến đổi trồng quan trọng phải thực với tiến độ tầm kiểm soát để đẩy nhanh sản xuất trồng tiêu chí thân thiện với mơi trường, ví dụ, để bảo vệ tài nguyên thiên nhiên bảo vệ hệ sinh thái tự nhiên để hệ thống trồng trọt thích nghi với biến đổi khí hậu (nồng độ CO2 cao khơng khí, sức ép yếu tố vơ sinh tạo thời tiết khắc nghiệt) đe dọa mùa màng an ninh lương thực, thực phẩm giới [10]
4. KIỂM SOÁT SỰ SINH TRƯỞNG: VƠ TÍNH, HỮU TÍNH, VI NHÂN GIỐNG VÀ
THỦY CANH
Một nhìn sâu vào việc điều khiển sinh sản, phát sinh hình thái hình thức phân chia tế bào thực hai thập niên gần thể ba khám phá quan trọng, là: (1) Tính toàn khả tái sinh tế bào, mô thực vật (totipotency and regeneration ability of plant cells and tissues), thể kĩ thuật nuôi cấy tế bào vi nhân giống, (2) Làm sáng tỏ vai trò gene việc sản xuất hoạt động của hormone (genes responsible for hormone production and activation) thực vật, (3) Nghiên cứu chế điều khiển mức độ phân tử chu trình tế bào đường tải nạp tín hiệu (cell cycle and signal transduction pathways), phần vận dụng nghiên cứu trước tế bào động vật, phần hoàn toàn dựa thực vật Những khám phá cho phép thực việc điều khiển kiểm soát sinh trưởng vơ tính, hình thức sinh sản (ví dụ hạt hay hoa) vi nhân giống công nghệ sinh học
4.1 Sự sinh trưởng vơ tính
(7)chia tế bào, kéo dài tế bào kéo dài tuổi thọ cho mô, cách can thiệp vào khung tế bào chu trình tế bào, tổng hợp xenlulô thành phần cấu tạo tế bào, lập chương trình cho tế bào chết Một số khả kể trở thành thực
4.2 Sự phát triển hữu tính
Hoa, hạt có vai trị quan trọng nơng nghiệp Do đó, nghiên cứu phát triển công nghệ sinh học hướng đến việc can thiệp, điều khiển phát triển đặc tính chúng Đã có nhiều nghiên cứu vấn đề đưa vào áp dụng thực tiễn Mục tiêu phát triển hoa màu sắc, mùi hương tiến trình lão hóa Chiến lược tạo giống hoa có màu sắc hương thơm mức độ phân tử bao gồm biểu vượt mức mức hợp chất tạo màu (anthocyanin carotenoid), hợp chất tạo mùi (các chất bay hơi), cụ thể sinh tổng hợp, vận chuyển định hướng tế bào Những mục tiêu quan trọng việc điều khiển phát triển bao gồm tăng trưởng, chín, lão hóa, màu sắc hương thơm (như hoa) (hình 2) Ngồi cịn có mùi vị, cụ thể điều khiển q trình chuyển hóa đường, acid thành phần tạo mùi vị cho Thành tựu lớn công nghệ sinh học việc tạo sản phẩm không hạt thông qua đường parthenocarpy (sản xuất thừa auxin) hay ngăn chặn phát triển phôi Việc điều khiển phát triển hạt sử dụng công cụ công nghệ sinh học đặc biệt quan trọng ngành công nghiệp sản xuất hạt (cùng với vật liệu nhân giống vơ tính) phần quan trọng tạo nên chất mầm cho hệ thống sản xuất thực vật Hạt quan sinh dưỡng, nói cách thực tế, đơn vị di truyền tạo cải tiến hiệu kinh tế cho ngành sản xuất nông nghiệp quy mô nhà nước hay tư nhân Kĩ thuật sinh học công cụ phân tử sẵn sàng cho hoạt động sản xuất hạt: sản xuất hạt lai tạo, hạt nhân tạo (bọc vỏ cho phôi sinh dưỡng) thiết lập ngân hàng chất mầm cho hệ thống sản xuất thực vật để giải số vấn đề đa dạng sinh học tương lai
Hình 2 Điều khiển hoa Torenia ống nghiệm [11]