Ứng dụng CNSH trong lâm nghiệp sẽ tập trung vào một số hướng trọng tâm, như: (1) cải thiện giống cây trồng (cây gỗ và cây dược liệu) bằng công nghệ nuôi cấy mô-tế bào thực vật, chuyển ge[r]
(1)ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG LÂM NGHIỆP
Hà Văn Huân Viện Công nghệ sinh học Lâm nghiệp Đại học Lâm nghiệp Việt Nam Giới thiệu
Công nghệ sinh học (CNSH) lĩnh vực cơng nghệ mới, có nhiều tiềm phát triển có phạm vi ứng dụng rộng nhiều lĩnh vực khác nhau, như: Nông-lâm-ngư nghiệp, bảo vệ môi trường, công nghiệp thực phẩm, y-dược lượng Trong năm gần đây, CNSH nước ta phát triển với tốc độ nhanh, có đóng góp quan trọng việc giải vấn đề lương thực, thực phẩm, thuốc chữa bệnh xử lý ô nhiễm môi trường CNSH thực trở thành ngành kinh tế-kỹ thuật công nghệ cao, xu hướng phát triển mang tính thời đại (Nguyễn Văn Liễu, 2012).Việt Nam có nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển ngành nông lâm nghiệp Tuy nhiên, hiệu đem lại chưa tương xứng với tiềm vốn có ngành Nhận thức rõ vai trị vị trí quan trọng CNSH phát triển kinh tế xã hội nước ta, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 14/2008/QĐ-TTg ngày 22/01/2008 việc phê duyệt “Kế hoạch tổng thể phát triển ứng dụng CNSH Việt Nam đến năm 2020” Một nội dung kế hoạch phát triển ứng dụng CNSH nước ta chủ yếu tập trung vào số lĩnh vực chính, như: Nơng-lâm-ngư nghiệp, cơng nghiệp chế biến thực phẩm, vệ sinh an toàn thực phẩm, y-dược bảo vệ môi trường, đồng thời thúc đẩy hình thành phát triển doanh nghiệp sản xuất, kinh doanh, dịch vụ công nghệ sinh học Chính phủ phê duyệt nhiều chương trình, đề án trọng điểm phát triển ứng dụng CNSH giao cho bộ, ngành tổ chức triển khai thực (Nguyễn Văn Liễu, 2012) Trong đó, Chương trình trọng điểm phát triển ứng dụng CNSH lĩnh vực nông nghiêp phát triển nông thôn đến năm 2020 Chính phủ phê duyệt sớm đưa vào triển khai từ năm 2006, đến đạt số kết quan trọng (Nguyễn Thị Thanh Thủy, 2012) Trong năm qua từ nguồn kinh phí Chương trình này, Bộ Nơng nghiệp PTNT cho triển khai nhiều đề tài, dự án đầu tư trang thiết bị CNSH cho nhiều Viện, Trung tâm có hoạt động nghiên cứu ứng dụng CNSH nông nghiệp, thủy sản, chăn nuôi, thú y Tuy nhiên, kinh phí đầu tư cho đề tài nghiên cứu dự án đầu tư trang thiết bị phục vụ nghiên cứu CNSH lâm nghiệp hạn chế chưa quan tâm mức Các nghiên cứu ứng dụng CNSH lâm nghiệp nước ta thường triển khai chậm kinh phí đầu tư chiếm tỷ lệ nhỏ so với lĩnh vực khác Vì vậy, thời gian tới nhà nước cần quan tâm có chế phù hợp để thúc đẩy ứng dụng CNSH lâm nghiệp, nhằm nâng cao hiệu đóng góp ngành lâm nghiệp việc phát triển kinh tế xã hội bảo vệ môi trường
Ứng dụng CNSH lâm nghiệp tập trung vào số hướng trọng tâm, như: (1) cải thiện giống trồng (cây gỗ dược liệu) công nghệ nuôi cấy mô-tế bào thực vật, chuyển gen, thị phân tử gây đột biến thực nghiệm; (2) phân tích đa dạng di truyền nguồn tài nguyên sinh vật kỹ thuật sinh học phân tử để phục vụ công tác bảo tồn nguồn gen cải thiện giống); (3) sản xuất chế phẩm sinh học (phân bón vi sinh, thuốc bảo vệ thực vật, ) phục vụ sản xuất lâm nghiệp phát triển bền vững hiệu
1 Ứng dụng CNSH lâm nghiệp giới
Các nghiên cứu ứng dụng CNSH lâm nghiệp thường tập trung vào
hướng nhân giống trồng kỹ thuật nuôi cấy in vitro; tạo giống lâm nghiệp
(2)Biến đổi gen 19% Đa dạng
di truyền 26%
Hệ gen đồ gen
21%
Nhân giống in vitro
34%
Hình Các hướng nghiên cứu ứng dụng CNSH cho lâm nghiệp
Trên giới, nghiên cứu ứng dụng CNSH lâm nghiệp thường chậm nơng nghiệp Ví dụ, nghiên cứu tạo giống trồng nông nghiệp biến đổi gen triển khai từ năm 1980, đến năm 1995 có nhiều giống nơng nghiệp biến đổi gen thức trồng thương mại; đến năm 1990 nghiên cứu tạo giống lâm nghiệp biến đổi gen bắt đầu triển khai Như vậy, có nghĩa lĩnh vực nghiên cứu lâm nghiệp biến đổi gen mẻ Mặc dù, nghiên cứu tạo giống lâm nghiệp biến đổi gen triển khai nhiều nước giới Tuy nhiên, tập trung chủ yếu vào 15 nước có hoạt động nghiên cứu nhiều chiếm 77% hoạt động nghiên cứu toàn cầu Trong 15 nước này, nhóm nước phát triển chiếm 68%, Mỹ (14 %), Pháp (9 %), Canada (8 %), Nhật (4,5 %), Australia (4,2), Anh (4 %) nhóm nước phát triển chiếm 32%, Ấn Độ (9 %), Trung Quốc (6 %) Brazil (2.5 %)
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16%
Hình Các nước có hoạt động nghiên cứu lâm nghiệp biến đổi gen nhiều (theo FAO, 2004)
Các nghiên cứu lâm nghiệp biến đổi gen triển khai nhiều đối tượng
khác nhau, chủ yếu tập trung vào lồi là: Populus (47%), Pinus (19%),
Eucalyptus (7%), Liquidambar (5%), Picea (5%), Betula (3%), Larix (2%), Ulmus (2%) lồi
(3)Hình Các loài lâm nghiệp tập trung nghiên cứu biến đổi gen
Trong có giống biến đổi gen trồng khảo nghiệm là: Populus chiếm
51%, Pinus chiếm 23%, Liquidambar chiếm 11% Eucalyptus chiếm 7% (FAO, 2004). Đến
nay, có Trung Quốc nước nhât có hai giống lâm nghiệp (Populus
nigra Hybrid poplar 741) biến đổi gen trồng thương mại
Các hoạt động nghiên cứu lâm nghiệp biến đổi gen Châu Âu (39%), Châu Á (24%), Bắc Mỹ (23%), Châu Đại Dương (6%), Nam Mỹ (5%), Châu Phi (3%) vùng cận Đông (1%)
E u r o p e , %
A s i a , % N o r t h
A m e r i c a , %
O c e a n i a , %
S o u t h A m e r i c a ,
5 %
N e a r E a s t , % A f r i c a ,
3 %
Hình Hoạt động nghiên cứu lâm nghiệp biến đổi gen khu vực giới Theo thống kê FAO, có khoảng 520 báo cáo nghiên cứu lâm nghiệp biến đổi gen Trong đó, nơi có cơng bố nhiều khu vực Bắc Mỹ (48%), Châu Âu (32%), Châu Á (14%), Châu Đại dương (5%), Nam Mỹ (1%) Châu Phi thấp 1%
2 Ứng dụng CNSH lâm nghiệp Việt Nam
2.1 Ứng dụng CNSH nhân giống lâm nghiệp
(4)không gian hẹp, không phụ thuộc vào mùa vụ, thời tiết (Đỗ Năng Vịnh, 2012) Ngoài ra, công nghệ nuôi cấy mô-tế bào thực vật ứng dụng để nhân nhanh sinh khối tế bào thực vật thông qua việc nuôi cấy tế bào đơn phôi soma để sản xuất hợp chất thứ sinh có hoạt tính ứng dụng y-dược cơng nghiệp hóa mỹ phẩm Ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ nuôi cấy mô-tế bào thực vật để nhân nhanh số giống trồng tiến hành từ năm 1980, đến đạt kết đáng kể (Đỗ Năng Vịnh, 2012) Các đối
tượng trồng nhân giống thành công phương pháp nuôi cấy mô tế bào, như: Các
lồi có giá trị kinh tế phục vụ gây trồng quy mô lớn, số loài hoa (hoa lan, cúc, đồng tiền, lily, phăng, cẩm chướng, lay ơn, hoa hồng); Cây lương thực, thực phẩm (khoai tây, cà chua, súp lơ, khoai sọ, khoai môn, sắn); Cây ăn (chuối, dứa, dâu tây, cam, quýt, bưởi); Cây cơng nghiệp (mía, cà phê, thuốc lá) Đối với lâm nghiệp thường tập trung vào số lồi thân gỗ có khả trồng rừng sản xuất, địa dược liệu quý Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ nuôi cấy mô-tế bào để nhân giống lâm nghiệp chủ yếu tập trung số sở, như: Trung tâm Khoa học Sản xuất lâm nông nghiệp Quảng Ninh, Viện Nghiên cứu Cây nguyên liệu giấy Phù Ninh, Trung tâm Nghiên cứu Giống rừng – Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Trường Đại học Lâm nghiệp số doanh nghiệp giống trồng, Nhiều quy trình kỹ thuật nhân giống lâm nghiệp xây dựng thành cơng đưa vào sản xuất, như: Quy trình nhân giống Bạch đàn urơ dịng U6, Bạch đàn lai, Keo, Hơng, Tếch, Dó bầu, Lõi thọ, Song mật, Xoan ta (Đoàn Thị Mai, 2010; Trần Thị Doanh, 2012; Hồ Văn Giảng, 2012; Trương Thị Bích Phượng, 2012; Vũ Thị Huệ, 2011; Hà Bích Hồng, 2012) Trong đó, điển hình Trung tâm Khoa học Sản xuất lâm nông nghiệp Quảng Ninh triển khai nhiều đề tài, dự án nhân giống lâm nghiệp sản xuất hàng chục triệu giống cung cấp cho dự án trồng rừng sản xuất (Trần Thị Doanh, 2012; Thanh Hằng, 2012)
2.2 Ứng dụng CNSH chọn tạo giống lâm nghiệp
Công tác nghiên cứu chọn tạo giống trồng biện pháp truyền thống tiến hành từ sớm, đến đa đạt nhiều thành tựu quan trọng Tuy nhiên, phương pháp cịn gặp nhiều khó khăn, hạn chế Gần đầy nhờ phát triển phương pháp tiên tiến công nghệ sinh học, như: Phương pháp chuyển gen thực vật, thị phân tử, gây đột biến tế bào soma, Các phương pháp xem công cụ hỗ trợ hiệu cho phương pháp chọn tạo giống truyền thống, góp phần rút ngắn thời gian, cơng sức nhanh chóng đạt mục tiêu đề chương trình cải thiện giống Mặc dù, việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật CNSH chọn tạo giống trồng nước ta triển khai thời gian ngắn, đạt số kết quan trọng, tiền đề tốt cho công tác cải thiện giống mức độ cao thời gian tới
2.2.1 Tạo giống trồng công nghệ chuyển gen
Chuyển gen thực vật kỹ thuật tạo giống cho phép nhà khoa học lựa chọn hay số gen quy định hay số đặc điểm quý mong muốn, đưa chúng vào tích hợp với hệ gen giống trồng nhằm tạo giống trồng mang tính trạng theo mong muốn người Khác với phương pháp lai giống truyền thống, chuyển gen đưa gen quý, liên quan đến tính trạng xác định trước mà khơng đưa tồn hệ gen thể khác vào giống tạo, trình mang lại hiệu cao ngăn ngừa không cho hàng ngàn gen không mong muốn thâm nhập vào giống tạo Một ưu việt khác kỹ thuật chuyển gen cho phép nhà khoa học tích hợp gen từ thể xa nguồn gốc, chí từ động vật, vi sinh vật vi rút vào trồng - điều mà thực lai tạo giống truyền thống Do đó, chuyển gen xem công cụ hữu hiệu so với biện pháp tạo giống truyền thống việc cải thiện suất, chất lượng trồng thúc đẩy biện pháp sản xuất có lợi cho mơi trường
(5)môn cao, trang thiết bị đại Đối với nông nghiệp, giai đoạn 2006-2011 nhà khoa học Việt Nam tạo số dịng bơng, ngơ, đậu tương biến đổi gen mang gen kháng sâu, kháng thuốc trừ cỏ (Nguyễn Văn Đồng, 2012; Trần Thị Cúc Hòa, 2012), số dòng cà chua chuyển gen kháng bệnh vi rút xoắn vàng (Đặng Thị Vân, 2012), thuốc chuyển gen kháng bệnh khảm xoắn đọt (Lê Văn Sơn, 2012) Các dòng chuyển gen đánh giá phạm vi nhà lưới khả biểu gen chuyển hình thành dịng biến đổi gen tiến tới khảo nghiệm ứng dụng vào sản xuất (Nguyễn Thị Thanh Thủy, 2012) Tuy nhiên, để đưa giống trồng biến đổi gen vào sản xuất diện rộng gặp nhiều khó khăn Đối với lâm nghiệp, việc nghiên cứu phát triển giống biến đổi gen có nhiều thuận lợi so với nông nghiệp sản phẩm từ lâm nghiệp nghiệp điến đổi gen không sử dụng trực tiếp làm thức ăn cho người động vật nên bị cản trở hay kiểm sốt quy định quản lý an toàn sinh vật biến đổi gen Vì vậy, nhiều nước giới khuyến khích nhà khoa học nghiên cứu tạo giống lâm nghiệp biến đổi gen Trong đó, nơng nghiệp biến đổi gen bị kiểm sốt chặt chẽ bị hạn chế cấm hồn tồn
Đến nay, Bộ Nơng nghiệp & PTNT phê duyệt 04 nhiệm vụ nghiên cứu khoa học cấp nhà nước tạo giống lâm nghiệp biến đổi gen, đối tượng lâm nghiệp là: Xoan ta, Thơng Bạch đàn Trong đó, Viện CNSH Lâm nghiệp – trường Đại học Lâm nghiệp triển khai 02 nhiệm vụ cấp nhà nước tạo giống Xoan ta Bạch đàn urô Trong đề tài “Nghiên cứu tạo giống Xoan ta biến đổi gen” với mục tiêu tạo giống trồng có suất cao, chất lượng tốt, nhóm tác giả tiến hành chuyển gen tăng khả sinh trưởng (gen GA20) tăng chất lượng gỗ (gen 4CL1) vào Xoan ta Kết xây dựng thành công quy trình biến nạp gen vào đối tượng Xoan ta đạt hiệu cao, tạo 05 dòng Xoan ta chuyển gen sinh trưởng nhanh 03 dòng Xoan ta chuyển gen tăng chất lượng gỗ Ngoài ra, đề
tài “Nghiên cứu tạo giống Bạch đàn urô (Eucalyptus urophylla) sinh trưởng nhanh công nghệ
chuyển gen”, theo kế hoạch đề tài triển khai năm (2012-2016) Đến nay, nhóm nghiên cứu xây dựng hệ thống tái sinh Bạch đàn urô thông qua phôi soma với hiệu suất cao phục vụ biến nạp gen tạo số dòng Bạch đàn chuyển gen phạm vi phịng thí nghiệm Sự thành cơng đề tài thể nhà khoa học Việt Nam hồn tồn có khả tiếp cận làm chủ loại công nghệ Kết đề tài khẳng định hướng nghiên cứu lĩnh vực chọn tạo giống trồng lâm nghiệp cơng nghệ áp dụng Việt Nam Trong tương lai, nhà khoa học hy vọng hướng nghiên cứu tạo giống trồng đặc biệt đối tượng lâm nghiệp công nghệ chuyển gen tiếp tục quan tâm phát triển Tuy nhiên, nghiên cứu tạo giống lâm nghiệp biến đổi gen cần có nhiều thời gian Trước tiên, cần xác định loài chủ lực để tập trung nghiên cứu phát triển, sau xây dựng chương trình nghiên cứu tổng thể dài hạn cho lồi cụ thể với mức đầu tư kinh phí thời gian nghiên cứu phù hợp (10-15 năm), giao nhiệm vụ cho sở nghiên cứu nhóm nhà khoa học đủ mạnh tập trung nghiên cứu để tạo sản phẩm cuối (giống mới) đáp ứng mục tiêu người
Cây Xoan ta chuyển gen tăng chất lượng gỗ (gen 4CL1)
A đối chứng; B chuyển gen
A B
A B
Cây Xoan ta chuyển gen tăng sinh trưởng (gen GA20)
(6)2.2.2 Chọn tạo giống trồng kỹ thuật thị phân tử
Trong tự nhiên tồn biến dị di truyền, người chủ động tiến hành lai hữu tính để tạo tổ hợp di truyền mới, nguồn vật liệu quý cho công tác chọn tạo giống Theo phương pháp truyền thống để chọn dòng/giống tốt theo mục tiêu chọn giống cần nhiều thời gian, cơng sức kinh phí Các kỹ thuật tiên tiến CNSH hỗ trợ hiệu cho nhà chọn tạo giống nhanh chóng sàng lọc chọn dịng hay cá thể đáp ứng mục tiêu chọn giống Hiện nay, số thị phân tử phát triển sử dụng phân tích mối quan hệ di truyền, chọn tạo giống trồng như: Kỹ thuật RAPD, RFLP, AFLP, SSR, STS, MAS, SNP,…Ưu điểm sử dụng thị phân tử chọn tạo giống chọn lọc cá thể tốt giai đoạn nhỏ, nên tiết kiệm thời gian, cơng sức, diện tích trồng thí nghiệm, khơng bị ảnh hưởng mơi trường, phân biệt dạng đồng hợp tử dị hợp tử, Hiện nay, số nước chưa chấp nhận sản phẩm lương thực, thực phẩm biến đổi gen lo ngại vấn đề an toàn loại sản phẩm này, cịn lâm nghiệp thường có chu kỳ sinh trưởng dài nên khó khăn cho việc chọn giống theo phương pháp truyền thống Vì vậy, việc ứng dụng thị phân tử để chọn tạo giống trồng thuộc nhóm lương thực, thực phẩm lâm nghiệp phù hợp có hiệu
Đến nay, nhà khoa học Việt Nam chọn tạo số dòng/giống lúa có triển vọng suất chất lượng cao, kháng bệnh nhờ trợ giúp thị phân tử kết hợp với lai giống truyền thống Các dòng/giống khảo nghiệm quốc gia, số giống công nhận giống sản xuất thử (Nguyễn Thị Thanh Thủy, 2012) Ngoài ra, chọn số giống cà chua có khả kháng vi khuẩn, vi rút; Giống đậu tương kháng bệnh rỉ sắt, chống chịu khô hạn; Giống ngô chống chịu khô hạn (Bùi Chí Bửu, 2012; Trần Kim Định, 2012; Trần Thị Cúc Hịa, 2012); Giống bơng kháng bệnh xanh lùn, có chất lượng sơ tốt (Nguyễn Thị Thanh Thủy, 2012; Nguyễn Thị Minh Nguyệt, 2012); Cây có múi chống chịu bệnh vàng Greening (Nguyễn Văn Hòa, 2012) Đối với lâm nghiệp, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam triển khai số đề tài nghiên cứu chọn giống Bạch đàn, Keo sinh trưởng nhanh, kháng bệnh kỹ thuật thị phân tử Tuy nhiên, kết thu bước đâu Vì vậy, nhà khoa học với nhà quản lý cần quan tâm nữa, đẩy mạnh nghiên cứu chọn tạo giống lâm nghiệp theo hướng nghiên cứu
2.2.3 Chọn tạo giống trồng gây đột biến tế bào soma
(7)nở vào dịp tết (http://www.agi.gov.vn/), hoa cẩm chướng (Nguyễn Thị Lý Anh, 2012) Ngoài ra, giống trồng khác giống lúa DR2 có khả chịu hạn, chịu lạnh, vải, khoai tây, khoai lang, dâu tằm, chuối, dược liệu có hàm lượng tinh dầu hoạt chất sinh học cao, loại ăn cam, quýt, nhãn, vải không hạt tạo phương pháp gây đột biến thực nghiệm (http://www.agi.gov.vn/; Hà Thị Thúy, 2012)
Theo đánh giá nhà khoa học, so với phương pháp tạo giống trồng biến đổi gen gây nhiều tranh cãi tạo giống đột biến phóng xạ đánh giá phương pháp có tiềm an tồn Do vậy, thời gian tới việc chọn tạo giống trồng công nghệ chiếu xạ giải pháp nhanh, hiệu ngành nông lâm nghiệp
2.3 Ứng dụng CNSH phân tích đa dạng di truyền tài nguyên sinh vật
Trong thời gian qua, việc phân loại đánh giá đa dạng di truyền sinh vật chủ yếu dưa đặc điểm hình thái Phương pháp phân loại truyền thống nhiều trường hợp cịn gặp nhiều khó khăn hạn chế, như: nhiều sinh vật có hình thái giống thực tế lại khác hệ thống phân loại (hệ gen khác nhau); ngược lại nhiều sinh vật có hình thái khác lại gần hệ thống phân loại (hệ gen giống nhau) Mặt khác, phương pháp phân loại truyền thống dựa đặc điểm hình thái khó phân biệt khác biệt biến thể loài
Gần nhờ vào phát triển khoa học cơng nghệ nói chung kỹ thuật sinh học phân tử nói riêng cho phép nhanh chóng xác định khác biệt vật chất di truyền loài sinh vật, chí cá thể sinh vật lồi Từ xác định mối quan hệ di truyền cá thể, quần thể hay xuất xứ sinh vật khác Sự đời phát triển sinh học đại cung cấp cơng cụ thích hợp cho phân tích, nghiên cứu di truyền cách nhanh chóng hiệu (Atienzar cộng sự, 2000; Costa cộng sự, 2006; Kawar cộng sự, 2009) Một số kỹ thuật phân tích ADN sử dụng phổ biến để xác định đa dạng di truyền mối quan hệ di truyền sinh vật, như: Kỹ thuật RAPD, AFLP, RFLP, SSR, ISSR, SNIP, DNA Barcod,…Tuy nhiên, đến chưa có kỹ thuật sinh học phân tử ưu việt tuyệt đối, kỹ thuật có ưu điểm hạn chế riêng, tùy trường hợp cụ thể mà chọn lựa kỹ thuật phân tích ADN phù hợp để đạt hiệu phân tích cao Trong đó, thị RAPD thị sử dụng phổ biến để đánh giá đa dạng di truyền nhiều loài rừng, như: Lim xanh (Nguyễn Hoàng Nghĩa
và cộng sự, 2005), Sao hình tim (Hopea cordata Vital) (Nguyễn Hoàng Nghĩa cộng sự,
2006), họ Dầu (Nguyễn Đức Thành cộng sự, 2005), Sao mạng Cà Ná (Hopea reticulate
Tardicu) (Nguyễn Đức Thành cộng sự, 2009) Dầu rái (Dipterocarpus alatus Roxb.)
(Nguyễn Thị Hải Hồng cộng sự, 2012), Tràm địa (Melaleuca cajuputi) (Nguyễn Việt
Cường cộng sự, 2010), họ Song mây (Sarmah cộng sự, 2007; Vũ Thị Huệ cộng sự,
2009) Kết đánh giá sở khoa học quan trọng để đề xuất biện pháp bảo tồn nguồn gen, cải thiện giống phù hợp hiệu
2.4 Ứng dụng CNSH sản xuất chế phẩm sinh học phục vụ nông lâm nghiệp
(http://www.agi.gov.vn/).