PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.3. KHÁI NIỆM HẠN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HẠN ĐẾN CÂY TRỒNG
2.3.4. Tác động của hạn đến tình hình sản xuất ngô trong và ngoài nước
Theo thống kê, thiệt hại sản lượng ngô thế giới hàng năm bởi hạn là rất lớn ước tính khoảng 19,0 triệu tấn (chiếm 15%) trong năm 1992; 20,4 triệu tấn (17%) trong năm 1997; và khoảng 24,0 triệu tấn trong năm 2002 (Zaidi & cs., 2014) và năm 2012 tổng sản lượng ngô thiệt hại 15%, năng suất giảm 21% bởi hạn gây ra (Edmeades, 2013). Tony Fischer & cs. (2014) tổng kết trong 20 năm từ năm 1985 - 2005 hạn gây thiệt hại bình quân 8%/năm tổng sản lượng ngô thế giới.
Thiệt hại sản lượng ngô do hạn ở Mỹ, nước sản xuất 38% sản lượng ngô thế giới năm 2012 là 21%. 27 quốc gia Châu Âu sản lượng ngô bị mất do hạn là 12.5% (Edmeades, 2013). Hạn gây mất ổn định về sản lượng ngô ở đa số vùng bán sa mạc ở Châu Phi, nơi điều kiện tưới tiêu không khả thi. Theo báo Nông Nghiệp 19/7/2010, ước tính sản lượng ngô thiệt hại do hạn ở Việt Nam lên tới 30% vì trên 80% diện tích ngô trồng trong điều kiện không tưới (0.6-0.7 triệu ha) (Dương Đình Tường, 2010).
Hạn là yếu tố chính ảnh hưởng đến sản xuất ngô ở Việt Nam. Có khoảng 0,3 triệu ha ngô dễ có nguy cơ thiếu nước, thiệt hại tới 0,5 - 0,7 triệu tấn ngô hạt (Lê Quý Kha, 2005). Khả năng xảy ra hạn ở cả 8 vùng ngô: Hạn nặng và thường xuyên diễn ra ở vùng Bắc Trung Bộ, Duyên Hải Nam Trung Bộ, Tây Nguyên; Hạn nhiều ở vùng Tây Bắc, Đông Bắc, Tây Nam Bộ và Đồng bằng Sông Cửu Long; Hạn nhẹ ở vùng Đồng bằng Sông Hồng (Ngân hàng Thế giới, 2010). Dự báo, tổng lượng nước mặt vào năm 2025 chỉ bằng khoảng 96% so với năm 2010, đến năm 2030 các nguồn nước có dòng chảy sẽ giảm (2,4% ở thượng nguồn; 2,9% vùng đồng bằng; 1,9% lưu vực Sông Hồng) và 50 năm nữa sẽ bị thiếu nước trầm trọng (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007).
Đợt nắng nóng kéo dài cuối năm 2009 khiến ngành nông nghiệp các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long bị thiệt hại hàng trăm tỷ đồng. Tỉnh Kiên Giang có khoảng 13.400 ha lúa bị ảnh hưởng, trong đó hơn 3.000 ha bị mất trắng hoàn toàn, thiệt hại gần 80 tỷ đồng. Thiệt hại nặng nhất là huyện Gia Rai, ước tính chỉ riêng huyện này đã bị thiệt hại gần 50 tỉ đồng.
Như vậy, hạn gây thiệt hại năng suất và sản lượng ngô trên thế giới và ở Việt Nam. Do đó, nhu cầu giống ngô chịu hạn có tiềm năng năng suất cao cho vùng nước trời và những vùng không thuận lợi tưới tiêu là một đòi hỏi cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nước, ổn định sản xuất, tăng sản lượng đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn về ngô.
2.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN GEN CHỊU HẠN Ở CÂY NGÔ
Theo báo cáo của công ty Monsanto (Mỹ), chương trình nghiên cứu chuyển gen chịu hạn vào cây ngô được tiến hành từ năm 2000 trên cơ sở vector PV- ZMAP595 mang gen CspB từ B.subtilis thông qua Agrobacterium (Monsanto, 2007). 4 giống ngô biến đổi gen mang gen chịu hạn được thử nghiệm tại Nam Phi với giấy phép số 17/3 (4/7/015): ZM-M39872; ZM-M38714; ZM-M38721 và ZM-M38835. Kết quả bước đầu cho thấy có sự tăng năng suất, sản phẩm GMO của 4 giống ngô trên đang được thử nghiệm làm thức ăn gia súc và thực phẩm cho người.
Từ kết quả phân tích mức độ hoạt động phân tử lần đầu tiên được nghiên cứu ở cây Arabidopsis, sau đó mới được mở rộng ra các cây trồng khác, cho đến thời điểm hiện nay, người ta xác định được 2 nhóm gen liên quan tới tính chịu hạn ở cây trồng (Li & cs., 2005; Shen & cs., 2003): Nhóm gen chức năng và nhóm gen điều khiển.
Hệ thống gen điều khiển bao gồm các gen chứa mã di truyền tổng hợp nên một loại protein nào đó, làm nhiệm vụ hoạt hóa tổng hợp một loại protein thứ cấp là sản phẩm của hệ thống gen điều khiển. Còn gen chức năng có nhiệm vụ hoạt hóa cho sự tổng hợp một loại protein cụ thể tham gia trực tiếp vào phản ứng chống chịu hạn. Hiện nay, có hơn 30 họ gen điều khiển các gen chịu hạn đã được nghiên cứu trên Arabidopsis (Riechmann & cs., 2000), trong đó 4 họ gen được các nhà nghiên cứu quan tâm là: Dreb hoặc CBF, MYB,
bZIP và Zinc-finger (Umezawa & cs., 2006). Ở ngô, năm 2007, nhóm nghiên cứu của Qiu đã phân lập được cDNA ZmDREB2A từ ngô. ZmDREB2A mã hoá phân tử protein gồm 318 amino acid chứa vùng gắn với DNA ERP/AP2 đặc trưng cho DREB. Thông qua thí nghiệm biểu hiện trong Arabidopsis, protein ZmDREB2A đã được chứng minh có khả năng tăng cường sức chống chịu với điều kiện hạn cho cây (Qiu & cs., 2007).
Bảng 2.5. Danh sách các gen nhóm DREB và sự biểu hiện gen chuyển trong một số cây trồng
Gen Loài Tính trạng biểu hiện Tài liệu
DREB Arabidopsis Tăng khả năng chịu hạn, lạnh và mặn
Kasuga và cộng sự (1999)
CgDREBa Chrysanthemum Tăng khả năng chịu hạn và mặn
Chen và cộng sự (2007)
DREB1A Chrysanthemum Tăng khả năng chịu nhiệt
Hong và cộng sự (2009)
DREB1A Lạc Giảm sự thoát hơi nước Bhatnagar-Mathur và cộng sự (2009)
DREB1 or
OsDREB1 Lúa
Tăng khả năng chịu
hạn, lạnh và mặn Ito và cộng sự (2006)
DREB2 Lúa Tăng năng suất trong điều kiện thiếu nước
Bihani và cộng sự (2011)
DREB1A Thuốc lá Tăng khả năng chịu hạn, lạnh Kasuga và cộng sự (2004)
DREB1A Lúa mỳ Giảm quá trình héo rũ trong điều kiện hạn
Pellegrineschi và cộng sự (2004)
DREB1A;
DREB2A Arabidopsis
Tăng khả năng chịu hạn
Maruyama và cộng sự (2009)
TaDREB2-3 Lúa mỳ, đại mạch Tăng khả năng chịu hạn, lạnh Morran và cộng sự (2011)
Một trong những khó khăn gặp phải trong quá trình chọn tạo giống ngô chuyển gen chịu hạn ở Việt Nam đó là chưa có những nghiên cứu cơ bản và hệ thống về hệ thống tái sinh invitro hữu hiệu, nhất là xác định các vật liệu (dòng bố mẹ) có khả năng tái sinh cao khi biến nạp gen. Bên cạch đó, mối tương thích giữa vector, Agrobacterium và cây chủ, hệ thống gen chịu hạn, hệ thống promoter thích hợp chưa được xác định. Việc hoàn thiện phương pháp chuyển gen vào ngô thông qua Agrobacterium hay quy trình chuyển gen mới được nghiên cứu ở mức cơ bản.
Trong những năm gần đây, một số cơ quan nghiên cứu như Viện Nghiên cứu Ngô, Viện Di truyền Nông nghiệp, Viện Công nghệ Sinh học, Viện nghiên cứu Hệ gen, Viện Lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long …. đã có những nghiên cứu cơ bản ban đầu như sàng lọc các gen hữu ích, thiết kế vector và chuyển gen vào một số cây trồng trong đó có ngô.
Năm 2014 Viện Nghiên cứu Ngô kết hợp với Viện Nghiên cứu Hệ gen đã phân lập, thiết kế vector và chuyển thành công một số gen chịu hạn như
ZmDREB2A, modiCspB vào các ngô thuần Việt Nam thông qua vi khuẩn
Agrobacterium tumefaciens. Kết quả cho thấy, Viện đã xây dựng thành công hệ
các gen chuyển trong dòng ngô thông qua những phân tích phân tử như PCR, RT-PCR, sequencing. Các dòng có tỷ lệ cây mang gen cao, thể hiện khả năng chịu hạn vượt dòng nền đối chứng 7-10% thông qua thí nghiệm gây hạn nhân tạo giai đoạn cây con và ổn định qua các thế hệ (Huỳnh Thị Minh Huệ & cs., 2014; Nguyễn Xuân Thắng & cs., 2016).
Nguyễn Văn Đồng & cs. (2013) đã sử dụng hệ thống biến nạp với 2 vector CaMV35S::ZmNF-YB, SARK::IPT chứa gen chịu hạn và gen chỉ thị chọn lọc bar (kháng phosphinothricin) và gen chỉ thị chọn lọc hpt (kháng hygromycin) tương ứng mang lại kết quả chuyển nạp ổn định và đồng đều trên 2 dòng ngô VH1 và C8H9. Kết quả bước đầu cho thấy, hệ thống biến nạp sử dụng vector CaMV35S::ZmNF-YB cho hiệu suất biến nạp khả quan hơn so với hệ thống sử dụng vector SARK::IPT.
Phạm Xuân Hội & cs. (2011) đã xây dựng được hai thư viện cDNA chịu hạn từ giống lúa Mộc Tuyền và giống ngô tẻ vàng làm nguồn vật liệu cho nghiên cứu phân lập các gen mã hóa nhân tố phiên mã. Đồng thời phân lập được 6 gen mã hóa nhân tố phiên mã đáp ứng hạn OsDREB1A, OsDREB2A, OsNAC1, OsNAC6, ZmDREB2A và OsAREB1A phục vụ nghiên cứu tạo giống cây trồng chuyển gen chịu hạn; phân lập được 2 promotor là Ubiquitin biểu hiện liên tục và Lip9 biểu hiện trong điều kiện cảm ứng, phục vụ cho nghiên cứu thiết kế các hệ thống vector chuyển gen; thiết kế được 11 vector chuyển gen biểu hiện dưới sự điểu khiển của promoter Ubiquitin, 35S và Lip9. Tạo được 11 chủng Agrobacterium EHA105 và C58 (pGV2260) tái tổ hợp mang các gen mã hóa nhân tố phiên mã đáp ứng hạn bằng phương pháp xung điện.
Phạm Thị Thanh Nhàn & cs. (2013) đã nghiên cứu mối tương quan giữa sự biến đổi hàm lượng Anthocyanin và khả năng chịu hạn của cây ngô nếp địa phương giai đoạn cây non. Kết quả cho thấy, hàm lượng anthocyanin và khả năng chịu hạn có mối tương quan thuận khá chặt chẽ. Hàm lượng anthocyanin của các giống trong điều kiện gây hạn nhân tạo đều tăng so với đối chứng từ ngày thứ nhất đến ngày thứ 5 sau gây hạn (trừ BS1, ĐX2, KL giảm nhẹ) và giảm mạnh sau 7 ngày, tăng trở lại sau 9 ngày hạn và cho kết quả cao nhất ở các giống NH, Mo, TB.
Trương Thu Hằng (2013) đã tiến hành chọn tạo các dòng ngô được chuyển gen kháng sâu (CryIAc) thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens đã
chuyển thành công gen kháng sâu CryIAc thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens vào dòng ngô HR9 nhập nội. Ngoài ra, tác giả còn đánh giá sự biểu hiện của gen biến nạp bằng phương pháp PCR và phương pháp đánh giá cây chuyển gen được trồng trong nhà lưới cách li côn trùng. Các kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và có ý nghĩa thực tiễn trong phát triển các giống cây ngô chuyển gen ở Việt Nam trong tương lai.