Nghiên cứu về gene lúa chịu ngập Sub1A
Là một nhà di truyền học thực vật, con đường đưa GS. Pamela Ronald đi đến nghiên cứu cây lúa không phải là một lựa chọn tình cờ. “Tôi quyết định nghiên cứu về cây lúa vì gạo là nguồn thực phẩm của một nửa dân số thế giới”, GS. Pamela Ronald kể trong cuộc phỏng vấn sau khi nhận giải, “Đó là ước mơ của tôi: giúp đỡ những người nông dân trồng lúa”.
Lúa là loài cây lương thực có vai trò quan trọng như vậy, nhưng ước tính có đến 25% diện tích trồng lúa trên thế giới chịu đe dọa từ lũ lụt hằng năm, và con số này sẽ còn tăng trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay. Dù cây lúa nước là “loài ngũ cốc duy nhất có khả năng chịu ngập ở một mức độ nhất định”, hầu hết các giống lúa sẽ chết nếu như bị ngập trong nước quá ba ngày.
Giống FR13A là một ngoại lệ. Là một giống lúa truyền thống được trồng ở bang Odisha, miền Đông Ấn Độ, lúa FR13A có tính trạng đặc biệt cho phép nó chịu ngập hoàn toàn trong nước đến 14 ngày. Tuy nhiên, lúa FR13A chỉ có năng suất thấp và các nỗ lực lai tạo giống này thành giống lúa năng suất và chất lượng cao trong nhiều năm không đem lại kết quả. Nguyên nhân chính là vì các nhà khoa học khi đó không chắc chắn được đâu là gene cần thiết và đâu là vị trí (locus) của nó trong hệ gene, khiến họ “vô tình đưa thêm các gene làm giảm chất lượng chung của gạo”, GS. Ronald từng giải thích trong cuốn sách do bà và chồng viết chung.
Thách thức đó đã được nhóm GS. David Mackill, GS. Pamela Ronald và PGS. Xu Kenong tại ĐH California – Davis tiếp nhận. Năm 1996, GS. Mackill và PGS. Xu phát hiện ra locus tính trạng số lượng (QTL) quyết định 70% biến dị kiểu hình chống chịu ngập ở cây lúa. Locus này được đặt tên là Submergence (“Ngập”) 1, hay Sub1. GS. Mackill sau đó cộng tác với phòng thí nghiệm của GS. Ronald - người đã có kinh nghiệm với việc phân lập gene Xa21 kháng bệnh bạc lá cho cây lúa - để cùng nhau phân lập gene chịu ngập từ Sub1. Đến năm 2006, họ xác định và giải trình tự được cụm ba gene trong locus Sub1 - được ký hiệu lần lượt là A, B, C. Trong khi loại gene B và C xuất hiện ở nhiều giống lúa thường không chịu được ngập, gene Sub1A - cụ thể là alen Sub1A-1 - chỉ xuất hiện ở lúa FR13A và đóng vai trò quyết định cho khả năng chịu ngập dài ngày của giống lúa này.
Bí quyết của gene Sub1A nằm ở việc nó tác động ức chế quá trình cây lúa phản ứng với các hormone như ethylene và axit gibberellic, do đó làm chậm lại quá trình trao đổi chất, hô hấp và dài thân của cây. Nói cách khác, lúa mang gene Sub1A có thể kích hoạt trạng thái “nghỉ” và ngừng phát triển, bảo tồn năng lượng để chờ đến khi nước rút. Điều đó mang ý nghĩa quyết định, bởi cây lúa khi bị ngập lâu ngày sẽ chết vì không có ánh sáng, khí O2 và CO2 cần thiết cho quá trình quang hợp và hô hấp để sinh trưởng.
Cùng với các đồng nghiệp tại Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc tế (IRRI) tại Philippines, nhóm đã thử nghiệm đưa gene Sub1A vào các giống lúa được trồng phổ biến tại Nam Á và Đông Nam Á. Giống lúa đầu tiên, lúa Swarna-Sub1, được trồng thử nghiệm ở các vùng trũng ngập tại Ấn Độ và Bangladesh vào năm 2007 đã cho thấy thành công vượt trội. “Người nông dân trên thực tế thu hoạch được sản lượng cao hơn đến 60% so với giống Swarna [thường]”, GS. Ronald tự hào khẳng định. “Và cho đến năm ngoái đã có 60 triệu nông dân trồng lúa Sub1”.
“Như đảo xanh giữa bể nước”
Một trong những thành công của quá trình nghiên cứu lúa Sub1, theo GS. Ronald, là việc nó đóng vai trò giúp đỡ những cộng đồng nông dân yếu thế nhất trong xã hội.
Thử nghiệm trồng lúa tại Viện IRRI so sánh giữa lúa mang gene chịu ngập Sub1 với lúa không mang Sub1. Lúa được cho ngập hoàn toàn trong nước trong 17 ngày, cho thấy sự phát triển khác biệt rõ rệt 60 ngày sau khi được tháo nước. Ảnh: Bailey-Serres et.al. 2010.
Khi nhắc lại thử nghiệm trồng lúa Sub1 của mình cùng đồng nghiệp Kyle Emerick ở 128 ngôi làng thuộc bang Odisha, GS. Ronald nhận ra: “Các khu vực trũng thấp thường xuyên chịu lụt xưa nay vẫn do các nhóm người thiểu số [đẳng cấp thấp] cư trú, thường là liên tục hàng thế kỷ”, và do đó, theo bà, “công nghệ lúa Sub1 có tác động nhiều nhất đến những người nông dân này, những người nông dân nghèo nhất trên thế giới.”
Còn đối với Việt Nam, đường bờ biển dài và địa hình đồng bằng trũng thấp, úng ngập và xâm nhập mặn trở thành vấn đề tác động trực tiếp đến an ninh lương thực và người nông dân trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
“Khi biến đổi khí hậu bắt đầu nói đến vào những năm đầu thế kỷ 21, nhiều người ở Việt Nam, ngay cả các lãnh đạo của Bộ Nông nghiệp còn không tin nó đang xảy ra”, GS.TS. Lê Huy Hàm (Viện Di truyền Nông nghiệp và ĐH Công nghệ, ĐH Quốc gia Hà Nội) chia sẻ trong buổi giao lưu với GS. Ronald chiều 21/12: “Mọi người khi đó đều nghĩ rằng biến đổi khí hậu là một cái gì đó rất trừu tượng”.
GS. Hàm đã dành nhiều năm nghiên cứu cách thức lai tạo giống cây trồng hòng giúp nông nghiệp Việt Nam ứng phó với biến đổi khí hậu. Bất chấp những hoài nghi, chính ông cùng các đồng nghiệp ở Viện Di truyền Nông nghiệp là những người đầu tiên đưa gene Sub1A vào thử nghiệm lai tạo trên cây lúa tại Việt Nam.
Đã được biết đến gene Sub1 và một gene lúa chịu mặn khác là Satol qua các đồng nghiệp tại IRRI, năm 2009, nhóm GS. Hàm nhận được sự hỗ trợ của Cơ quan Phát triển quốc tế Đan Mạch DANIDA và các chuyên gia của IRRI trong việc đưa các gene lúa này về Việt Nam. “Chúng tôi đã làm việc với nhau trong ba năm và sau ba năm, chúng tôi đã có được một thử nghiệm rất tốt”, GS. Hàm nhớ lại.
Thành quả đầu tiên của nhóm là sự ra đời của giống lúa Khang Dân 18-Sub1 (SHPT2), được trồng thử nghiệm ở nhiều tỉnh phía Bắc, trong đó có Hải Dương. Khả năng chống ngập của lúa Khang Dân 18 mang gene Sub1 nhanh chóng được chứng minh khi đem trồng thử nghiệm tại Tứ Kỳ, vùng “rốn ngập” của cả tỉnh. GS. Hàm kể: “Năm 2016, ở tỉnh Hải Dương xảy ra lũ lụt, khi ấy xung quanh đồng lúa chỉ toàn là nước. Riêng đồng lúa có Sub1 vẫn nổi như một hòn đảo. Nó như một hòn đảo xanh giữa biển nước vậy.”
“Đến lúc đó, mọi người thay đổi suy nghĩ về lúa Sub1. Sau đó tỉnh Hải Dương, vì chúng tôi cổ vũ trồng giống lúa này, đến nay họ đã có 10 nghìn héc ta trồng lúa Sub1”, GS. Hàm cho biết.
Đến năm 2017, Viện Di truyền Nông nghiệp tiếp tục thử nghiệm giống lúa SHPT3, từ lúa Khang Dân 18 lai với giống PSBRc68 mang gene Sub1, cho khả năng chịu ngập và chịu chua vượt trội. Đến năm 2021, lúa SHPT3 đã được cấp phép lưu hành và đưa về giới thiệu phổ biến ở các tỉnh từ phía Bắc đến Nam Trung Bộ, cũng đã được chứng minh là có sản lượng rất tốt.
Hành động vì tương lai của lương thực
Công trình nghiên cứu về gene lúa Sub1 đã đem đến cho GS. Pamela Ronald và các cộng sự nhiều giải thưởng cao quý, trong đó có Giải thưởng Wolf về Nông nghiệp (Wolf Prize in Agriculture) hồi đầu năm nay, và bây giờ là Giải thưởng VinFuture.
Hiểu rõ về vai trò của mình trong quan hệ với người nông dân, GS. Ronald nhấn mạnh: “Là một nhà di truyền học, tôi nghĩ đóng góp của chúng tôi là tạo ra các giống có khả năng, chẳng hạn như kháng bệnh, để chúng có thể phát triển mà không cần người nông dân phun thuốc trừ sâu”.
Các nghiên cứu về gene của bà sử dụng kỹ thuật biến đổi gene (genetic engineering, GE) và gần đây là công nghệ chỉnh sửa gene (genome editing) cho các loại cây trồng để chúng có thể mang các tính trạng có lợi. Thế nhưng, các nghiên cứu này đang phải vượt qua nhiều nghi ngờ về vấn đề an toàn. “Thực phẩm biến đổi gene” (Genetically modified foods) hay “thực phẩm kỹ thuật gene” (Genetic engineering foods) trở thành những từ khóa gây nghi ngại trong dư luận các nước phương Tây hơn 10 năm trước, và vài năm trở lại đây bắt đầu xuất hiện trên các diễn đàn tại Việt Nam.
“Mấy năm qua đã có một sự quan tâm rất lớn với nông nghiệp và công nghệ gene. Chúng tôi rất hoan nghênh sự tò mò đó”, GS. Ronald nói tại buổi tọa đàm Talk Future hôm 21/12. “Nhưng đôi khi lại có sự sai lệch thông tin trên truyền thông có thể làm mọi người sợ hãi. Vì vậy chúng tôi rất muốn [...] có thể giải ảo công nghệ gene và giải ảo cho nông nghiệp nói chung”.
Một nỗ lực của GS. Ronald để giải quyết những hiểu lầm về thực phẩm biến đổi gene là cuốn sách Tomorrow’s table: organic farming, genetics, and the future of food (“Bàn ăn của ngày mai: nông nghiệp hữu cơ, gene và tương lai của lương thực”) mà bà và chồng là nhà nông nghiệp Raoul Adamchak xuất bản vào năm 2008. Bằng văn phong thân thiện và dễ hiểu, cuốn sách của hai người giải thích nhiều vấn đề liên quan đến quy trình nghiên cứu gene, sự an toàn của thực phẩm biến đổi gene và các vấn đề đạo đức và luật pháp đi cùng.
“Điều chúng tôi muốn làm trong cuốn sách là đưa cuộc đối thoại này về câu hỏi quan trọng: làm thế nào để chúng ta tạo ra một nền nông nghiệp có thể sử dụng đất và nước tiết chế hơn, chống chịu được áp lực và dịch bệnh mà không cần thêm tác động bên ngoài”, GS. Ronald cho biết. “Chúng tôi cố gắng đưa ra những ví dụ rất chuẩn xác vì thuật ngữ GMO thật sự làm mọi người khó hiểu – nó nghĩa là ‘sinh vật biến đổi gene’. Nhưng tất cả mọi thứ chúng ta ăn đều đã được cải thiện về gene về một mặt nào đó”.
Vấn đề này được GS. Ronald nhấn mạnh trong cả hai bài thuyết trình của mình trong Tuần lễ KH&CN VinFuture 2022. Một ví dụ được bà sử dụng là cây ngô: con người trong quá trình 800 năm đã biến đổi gene của cây ngô thông qua quá trình chọn và lai giống, để đến ngày nay, “ta có cây ngô cho ra sản lượng nhiều hơn 100 lần so với cây ngô nguyên thủy”.
Sự khác biệt của ngày hôm nay so với trước đây, theo GS. Ronald, là việc chúng ta đã có những kỹ thuật cho phép thực hiện các thay đổi cực kỳ chính xác, với tốc độ rất nhanh chóng. Dẫn chứng cho sự khác biệt này, bà nêu trường hợp giống cà tím Bt biến đổi gene do các nhà khoa học tại Bangladesh và Đại học Cornell phát triển thành công và cho trồng đại trà từ năm 2014. Trước đây, người nông dân phải phun thuốc để diệt sâu bọ gây hại cho cà tím và việc này “vốn gây hại cho cây trồng và đắt đỏ với nông dân nghèo”. Trong khi đó, giống cà tím Bt được thao tác biến đổi gene để mang protein có trong vi khuẩn Bacillus thuringiensis, độc với sâu bọ nhưng hoàn toàn vô hại với con người và môi trường. Kết quả là, đến mùa vụ 2020-2021, cà tím Bt đã được khoảng 65.000 nông dân Bangladesh đón nhận, mang lại năng suất và thu nhập cao hơn trước 20%. Và quan trọng hơn, theo GS. Ronald: “Người nông dân đã giảm lượng phun thuốc hóa học xuống bằng không. […] họ còn có thể lấy hạt và tiếp tục trồng chúng trong vụ tới”.
Những nghiên cứu biến đổi gene chính xác do đó mang lại giá trị thiết thực cho những người nông dân nghèo nhất. Đồng thời, các nhà khoa học như GS. Ronald cũng muốn đảm bảo rằng, những công nghệ quan trọng này được cung cấp không hạn chế cho người nông dân thay vì nằm trong tay các tập đoàn nông nghiệp. Bởi vậy, với trường hợp gene Xa21 trước đây và gene Sub1, nhóm nghiên cứu của bà theo đuổi chiến lược không đăng ký độc quyền vì giá trị trực tiếp nó mang lại cho nông nghiệp trồng lúa ở các nước đang phát triển.
Cũng giống như với vaccine, các nhà di truyền học thực vật phải tích cực cải chính sai lệch thông tin xoay quanh cây trồng biến đổi gene, và cách tốt nhất để làm việc đó, theo GS. Ronald, là truyền bá kiến thức khoa học “mắt thấy tai nghe” cho người dân. “Rất khó để một người tưởng tượng một cái cây có thể bị ốm và chết đi, và điều đó sẽ ảnh hưởng xấu thế nào đến những thứ họ ăn”, bà nói, phê phán luồng quan điểm cự tuyệt sự can thiệp của công nghệ trong nông nghiệp.
Mặt khác, theo bà, cũng “rất khó để cân bằng giữa nhu cầu trồng trọt và bảo vệ môi trường. Mọi trang trại, bất kể là trang trại hữu cơ, trang trại nhỏ, về cơ bản đều phá hủy hệ sinh thái bản địa.”
Những nhà khoa học như GS. Ronald đang cố gắng hết sức để duy trì sự cân bằng đó. Dự án mới nhất của bà tập trung vào nghiên cứu rễ cây trồng và hệ vi sinh vật gắn với rễ cây. “Ước tính nông nghiệp thế giới đã làm đất mất đi 487 giga tấn CO2 trong 80 năm qua”, bà chỉ ra. Mục tiêu của Phòng thí nghiệm Ronald là tạo ra hệ thống rễ cây lúa chỉnh sửa gene cho phép tối ưu hóa quá trình rễ cây đưa carbon trở lại đất.
Mục tiêu này cần có sự hợp tác của nhiều nhà khoa học trẻ, trong đó có các nhà khoa học Việt Nam: “Tôi tin rằng có rất nhiều nhà khoa học trẻ sẽ làm nên những sáng tạo quan trọng để ứng phó với những thách thức này”, GS. Ronald nói về kỳ vọng của mình với các đồng nghiệp trong buổi giao lưu Talk Future. “Tôi cảm thấy rất lạc quan”.
