Hạn là nhân tố chính làm giảm sản lƣợng trong sản xuất lúa gạo. Sản xuất lúa gạo cần lƣợng nƣớc rất lớn, chiếm khoảng 70% tổng lƣợng nƣớc dùng cho nơng nghiệp. Chính vì vậy, việc phát triển các giống lúa chịu hạn và giảm lƣợng nƣớc tiêu thụ trong sản xuất lúa gạo có ý nghĩa vơ cùng to lớn để tăng sản lƣợng và đảm bảo an ninh lƣơng thực [24].
Ngày nay, kỹ thuật di truyền và công nghệ gen đã đƣợc áp dụng rất phổ biến trong nghiên cứu tạo giống cây trồng chịu hạn, trong đó có cả cây lúa. Một hƣớng nghiên cứu phổ biến và rất đƣợc quan tâm hiện nay là tăng cƣờng biểu hiện các gen đáp ứng hoặc liên quan đến đáp ứng chống chịu hạn trong cây lúa chuyển gen. Các gen này đƣợc chia thành hai nhóm, dựa trên hoạt động chức năng của sản phẩm protein. Nhóm thứ nhất liên quan tới các gen cấu trúc hay chức năng, bao gồm gen mã hóa protein LEA, protein tạo kênh dẫn nƣớc, enzyme xúc tác sinh tổng hợp các chất điều hòa áp suất thẩm thấu, enzyme/protein khử độc... Nhóm gen này đƣợc nghiên cứu nhiều trong quá khứ do cơ chế hoạt động đơn giản và rõ ràng. Nhóm gen thứ hai là các gen điều hịa, mã hóa các protein tham gia vào mạng lƣới điều hòa đáp ứng stress của tế bào, bao gồm CDPK, CIPK, MAPK, nhân tố phiên mã... (Bảng 1.1). Sự thay đổi biểu hiện của các gen này thƣờng ảnh hƣởng tới mức độ biểu hiện của một nhóm gen liên quan tới đáp ứng stress sau đó. Do cơ chế chống chịu hạn phức tạp của thực vật, việc sử dụng các gen điều hòa trong nghiên cứu chuyển gen tạo giống lúa chịu hạn thƣờng mang lại hiệu quả cao hơn so với các gen chức năng [24].
Mặc dù có rất nhiều gen mã hóa nhân tố phiên mã tăng cƣờng tính chịu hạn của lúa đã đƣợc cơng bố (Bảng 1.1), cho đến nay chỉ có một vài nghiên cứu chứng minh khả năng chịu hạn của các dòng lúa chuyển gen trong điều kiện thử nghiệm trên đồng ruộng. Hu và nhóm nghiên cứu [44] đã tạo đƣợc dòng lúa chuyển gen
SNAC1 có khả năng chịu hạn cao hơn 22 – 34% so với dòng đối chứng ở giai đoạn
trổ bông trong điều kiện thử nghiệm ngoài đồng ruộng. Thử nghiệm trên quy mô đồng ruộng ở dịng lúa T3 của Xiao và nhóm nghiên cứu [120] cũng đã chứng minh việc chuyển gen OsLEA3-1 vào lúa giúp tăng tính chịu hạn, đồng thời khơng gây ảnh hƣởng đến năng suất của cây. Kết quả thử nghiệ ủa Oh và nhóm nghiên cứu [88] cho thấy dịng lúa chuyển cấu trúc OsCc1:AP37 có sản lƣợng hạt tăng 16 – 37% trong điều kiện khô hạn, trong khi ở điều kiện bình thƣờng sản lƣợng hạt khơng thay đổi so với dịng đối chứng. Gần đây, Jeong và nhóm nghiên cứu [51] cũng đã thử nghiệm khả năng chống chịu hạn của các dòng lúa chuyển gen mang cấu trúc RCc3:OsNAC10 trong điều kiện gieo trồng ngoài đồng ruộ ấy biểu hiện của gen chuyển đã giúp tăng sản lƣợng lên 5 – 14% trong điều kiện bình thƣờng và 25 – 42% trong điều kiện khô hạn.
Ở Việt Nam, các nghiên cứu về chuyển gen thực vật đã bắt đầu đƣợc thực hiện từ đầu những năm 90 của thế kỉ trƣớc. Tuy nhiên, nghiên cứu tạo giống cây trồng chống chịu điều kiện bất lợi, đặc biệt là hạn hán, chỉ thực sự đƣợc tập trung đầu tƣ trong khoảng 10 năm trở lại đây. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nơng thơn cũng đã chính thức cho phép sử dụng ngô biến đổi gen vào sản xuất và tiến tới sẽ cho phép nhiều sản phẩm biến đổi gen khác. Đây chính là tiền đề thúc đẩy phát triển định hƣớng nghiên cứu tạo giống cây trồng dựa trên công nghệ chuyển gen thực vật
Một số phịng thí nghiệm trong nƣớc đã bƣớc đầu tiến hành các nghiên cứu về phân lập, thiết kế vector và chuyển một số gen vào các giống cây trồng khác nhau nhằm cải thiện một số tính trạng nhất định [1, 2, 5, 7-10
Nông Văn Hải [11] đã tiến hành phân lập các gen có giá trị kinh tế của cây trồng nông, lâm nghiệp Việt Nam, thiết kế vector và tạo các chủng A. tumefaciens tái tổ
hợp phục vụ nghiên cứu chuyển gen (2007 – 2010). Trần Thị
[11] đang triển khai các nghiên cứu về chọn tạo giống đậu tƣơng chuyển gen kháng sâu, chịu hạn (2006 – 2010). Bùi Mạnh Cƣờng (Viện Nghiên cứu Ngô) đã thực hiện nghiên cứu tạo giống ngô chuyển gen chịu hạn và bƣớc đầu đã thu đƣợc một số dịng ngơ chịu hạn đƣợc thử nghiệm trên đồng ruộng [11]. Nhóm nghiên cứu
của Lê Trọng Tình (Viện Nghiên cứu Bông & Phát triển Nông nghiệp Nha Hố) cũng đã tiến hành thử nghiệm khả năng sinh trƣởng và chống chịu hạn của một số dịng bơng chuyển gen mã hóa nhân tố phiên mã thuộc nhóm DREB [6]. Tuy nhiên, một điểm chung của hầu hết các nghiên cứu này đó là đều sử dụng nguồn gen sẵn có (là sản phẩm của các phóng thí nghiệm quốc tế) thơng qua các chƣơng trình hợp tác nghiên cứu với các đối tác nƣớc ngoài. Chúng ta hầu nhƣ chƣa có một nghiên cứu hoàn chỉnh nào về các gen liên quan đến đáp ứng chống chịu stress, đặc biệt là nhóm gen mã hoá nhân tố phiên mã liên quan tới đáp ứng chống chịu hạn ở lúa.
Do tiềm năng ứng dụng của các gen mã hóa nhân tố phiên mã tăng cƣờng khả năng chống chịu stress của thực vật rất lớn, một số đề tài nghiên cứu cấp nhà nƣớc cũng đã đƣợc triển khai để tập trung vào phân lập và nghiên cứu đặc tính của các gen mã hóa protein điều khiển, nhằm tạo nguồn vật liệu cho nghiên cứu tạo giống cây trồng chuyển gen chống chịu stress. Nhóm nghiên cứu của Phạm Xuân Hội (Viện Di truyền Nông nghiệp) đã phân lập đƣợc 6 gen mã hóa nhân tố phiên mã thuộc họ NAC và AP2/ERF liên quan đến tính chống chịu hạn và mặn từ một số giống lúa và ngô Việt Nam, bao gồm OsDREB1A, OsDREB2A, ZmDREB2A, OsNAC1, OsNAC6 và OsRap2.4A [11]. Một số nhân tố phiên mã đã đƣợc nghiên cứu chứng minh đặc tính
liên kết đặc hiệu với trình tự DNA đích nhƣ OsRap2.4A và OsDREB1A [4, 10]. Tuy nhiên các nghiên cứu này cũng mới chỉ ở bƣớc khởi đầu, tập trung vào khâu chuyển gen, đánh giá một số dòng cây chuyển gen. Thực tế, các nghiên cứu hiện nay đang còn khoảng cách khá xa để đến đƣợc một giống lúa chuyển gen chịu hạn ổn định có thể áp dụng trong sản xuất.
giống lúa chuyển gen chịu hạn lý tƣởng phải có năng suất cao, chất lƣợng hạt tốt trong điều kiện gieo trồng bình thƣờng, đồng thời trong điều kiện khơ hạn phải có sản lƣợng cao hơn so giống lúa chịu hạn tốt nhất không chuyển gen. Mặc dù những thành quả nhất định trong nghiên cứu tạo giống cây trồng chuyển gen, nhƣng vẫn còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu để làm sáng tỏ cơ chế đáp ứng stress hạn của thực vật nói chung và cây lúa nói riêng. Chính vì vậy, con đƣờng đi tới phát triển đƣợc một giống lúa chịu hạn có thể thƣơng mại hóa áp dụng
vào sản xuất vẫn còn rất dài và địi hỏi phải có sự đầu tƣ cả về thời gian, cơng sức và kinh phí của các nhà khoa học nói riêng và cả xã hội nói chung.
Bảng 1.1: Gen mã hóa nhân tố phiên mã tăng cƣờng tính chịu hạn của lúa [24].
Gen Chức năng Nguồn Ảnh hƣởng
OsCDPK7 CDPK Lúa Tăng chống chịu hạn và mặn
OsMAPK5 MAPK Lúa Tăng chống chịu hạn và mặn
OsCIPK 12 CIPK Lúa Tăng chống chịu hạn
CBF3 Nhân tố phiên mã A. thaliana Tăng chống chịu hạn, mặn và lạnh
ABF3 Nhân tố phiên mã A. thaliana Tăng chống chịu hạn
OsDREB1A, 1B Nhân tố phiên mã Lúa Tăng chống chịu hạn, mặn và lạnh;
giảm sinh trƣởng
DREB1A, 1B, 1C Nhân tố phiên mã A. thaliana Tăng chống chịu hạn, mặn và lạnh; giảm sinh trƣởng
OsDREB1F Nhân tố phiên mã Lúa Tăng chống chịu hạn, mặn và lạnh
ZFP25 Nhân tố phiên mã Lúa Tăng chống chịu hạn và mặn
OsDREBs Nhân tố phiên mã Lúa Tăng chống chịu hạn
OsWRKY11 Nhân tố phiên mã Lúa Tăng chống chịu hạn và nhiệt độ
cao
OsbZIP23 Nhân tố phiên mã Lúa Tăng chống chịu hạn và mặn
SNAC1 Nhân tố phiên mã Lúa Tăng chống chịu hạn và mặn
OsSKIPa Protein tƣơng tác
SKI Lúa Tăng chống chịu hạn và mặn
OCPI1 Yếu tố ức chế
protease Lúa Tăng chống chịu hạn
ZFP177 Protein ZF
A20/AN1 Lúa Tăng chống chịu hạn
OsCOIN Protein ZF cảm
ứng lạnh Lúa Tăng chống chịu hạn, mặn và lạnh