Các nhà khoa học Việt tìm nguồn gene lúa thích ứng với biến đổi khí hậu

Sản xuất lúa đang phải đối đầu với những hệ quả của biến đổi khí hậu gây ra như hạn hán, xâm thực mặn, lũ lụt, nóng lạnh bất thường. Diễn biến phức tạp của dịch bệnh gây hại ngày càng trầm trọng làm giảm năng suất, thu hẹp dần diện tích trồng.

Do đó yêu cầu đặt ra là làm sao chọn tạo và phát triển các giống lúa cho sản xuất thích ứng với biến đổi khí hậu trong hiện tại. Ở tương lai, giống lúa đó vừa phải cho năng suất, chất lượng hạt tốt trong điều kiện khó khăn (như hạn, mặn, dịch bệnh hại…), vừa cho rơm rạ có chất lượng tốt để kích thích khai thác sử dụng cho chế biến nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi (thức ăn cho trâu, bò, cừu…), hạn chế việc đốt rơm rạ trên đồng ruộng, giảm phát thải CO2.

Từ thực tế trên, nhóm khoa học Việt Nam đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu phát triển các nguồn gene lúa thích ứng với biến đổi khí hậu” thuộc Chương trình hợp tác nghiên cứu song phương và đa phương về khoa học và công nghệ đến năm 2020.

Đề tài do tiến sĩ Dương Xuân Tú, Phó Viện trưởng, Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm làm nhủ nhiệm, được thực hiện từ năm 2016, hợp tác với nhóm nghiên cứu đến từ Đại học York, Đại học Dundee, nước Anh, trong thỏa thuận tác nghiên cứu thuộc Quỹ Newton (Newton Fund) do GS Simon McQueen-Mason (Đại học York) chủ nhiệm.

Mục đích của hợp tác nghiên cứu là tìm ra nguồn gene lúa (được miêu tả cả về cơ sở dữ liệu về kiểu gene và kiểu hình) có khả năng chịu hạn cao, rơm rạ có chất lượng tốt (khả năng chuyển hóa đường cao- tương đương với khả năng phân giã lignocellulose, hàm lượng silic thấp) từ các mẫu giống lúa của Việt Nam.

Các nhà khoa học cũng muốn sử dụng nguồn gene này trong chọn tạo và phát triển các giống lúa cho sản xuất thích ứng với biến đổi khí hậu (cho năng suất và chất lượng hạn tốt trong điều kiện hạn, đồng thời cho rơm rạ có chất lượng tốt phục vụ cho chế biến nhiên liệu sinh học và thức ăn chăn nuôi).

Bên cạnh đó, nhóm thực hiện nghiên cứu để tìm ra phương án tối ưu nhất (phá hủy mẫu, thủy phân chuyển hóa đường, lên men ethanol) trong các quy trình chế biến rơm rạ thành ethanol (cồn) để nâng cao hiệu quả. Mục đích cuối cùng là nâng cao hiệu quả của người nông dân, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và hạn chế tác động môi trường trong điều kiện biến đổi khí hậu diễn biến ngày càng trầm trọng.

Để thực hiện, nhóm của tiến sĩ Tú đã sử dụng công nghệ nghiên cứu tương tác rộng trên toàn hệ gene (GWAS – Genome Wide Association Study) với sự hỗ trợ của thiết bị hiện đại và công nghệ tin sinh (Bioinformatic), kỹ thuật giải trình tự kiểu gene (GBS – Genotyping By Sequencing) thế hệ mới để đưa ra số lượng đa hình đến hàng triệu chỉ thị đơn hình các nucleotide (SNP – Single Nucleotide Polypholism) trên một bộ vật liệu nghiên cứu, kết hợp với đánh giá kiểu hình để tìn ra vị trí (gene) kiểm soát tính trạng.

So với kỹ thuật sử dụng các chỉ thị SSR trước đây thì công nghệ GWAS cho độ chính xác và phân giải cao gấp hàng ngàn lần, có thể tìm ra được số lượng gene kiểm soát tính trạng trên toàn hệ gene của cây lúa.

Bên cạnh đó, trong 170 mẫu giống lúa nghiên cứu có 100 mẫu giống là các giống lúa bản địa, giống đại phương của Việt Nam có mang những gene chịu hạn khác vị trí với những gene chịu hạn đã được công bố trước đây. Đây là nguồn gene quý bổ sung vào nguồn gen chịu hạn ở cây lúa hiện nay.

Về gene kiểm soát tính trạng chuyển hóa đường trong rơm rạ rất mới, cả Việt Nam và trên thế giới đều chưa có công bố. Chính vì vậy, trong quá trình triển khai nhiệm vụ, nhóm nghiên cứu đã kết hợp với các nhà khoa học tại Đại học York và Đại học Dundee của Anh để hai bên cùng nhau thực hiện nhiều thí nghiệm, tăng lượng mẫu, tăng thế hệ phân tích di truyền, thay thế hóa chất để tìm kiếm hóa chất phù hợp…

Kết quả, các nhà khoa học đã đưa ra 3 gene ứng viên cho khả năng chuyển hóa đường cao ở cây lúa. Các gene ứng viên này đang được nhóm nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm để xác định chính xác (detect gene) bằng công nghệ chỉnh sửa hệ gene (genome editing) làm câm (block out) gene để đưa ra kết quả công bố trong thời gian tới.

Trong 170 mẫu giống lúa vật liệu đến nay nhóm phân lập được 3 nhóm nguồn gen lúa. Thứ nhất, 21 mẫu giống lúa có khả năng chịu hạn cao, mang 9 gene ứng viên kiểm soát khả năng chịu hạn của cây lúa. Thứ hai, 9 mẫu giống lúa có rơm rạ cho khả năng đường hóa cao, mang 3 gene ứng viên kiểm soát khả năng chuyển hóa đường trong rơm rạ của cây lúa. Thứ ba, 9 mẫu giống lúa có hàm lượng silic thấp trong rơm rạ, mang 2 gene ứng viên kiểm soát hàm lượng silic trong rơm rạ.

Theo đánh giá của giới chuyên môn, kết quả nghiên cứu của nhiệm vụ có giá trị rất lớn cho những nghiên cứu di truyền và chọn giống lúa trong thời gian tới.

"Các nghiên cứu tiếp theo sẽ được thực hiện sử dụng bộ vật liệu 170 mẫu giống lúa đã được giải trình tự gene để xác định các gene kiểm soát các tính trạng khác ở cây lúa như khả năng chịu mặn, chịu nóng, ngắn ngày, kháng bệnh bạc lá, kháng bệnh đạo ôn, kháng rầy nâu... phục vụ cho chọn tạo giống lúa thích ứng với biến đổi khí hậu.

Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng nguồn gene lúa của nhiệm vụ này làm vật liệu lai tạo giống lúa mới có năng suất, chất lượng hạt tốt trong điều kiện hạn, đồng thời cho rơm rạ có khả năng chuyển hóa đường cao và hàm lượng silic thấp phù hợp cho chế biến thức ăn chăn nuôi (trâu, bò) thích ứng với biến đổi khí hậu”, TS Tú nói.

Mục đích cuối cùng là tạo thêm nguồn thu nhập cho những người nông dân trồng lúa và góp ích trong việc giảm thiểu khí thải từ việc đốt bỏ rơm rạ.

Hướng nghiên cứu thu nhận biolipid và các sản phẩm có giá trị khác từ rơm rạ tuy là cần thiết và có tính ứng dụng trong tương lai gần, song còn khá mới mẻ ở Việt Nam; phương pháp nghiên cứu, trang thiết bị phục vụ phân tích mẫu… hiện rất thiếu.

Việc tìm kiếm thêm các chủng vi sinh vật có khả năng tích lũy lipid cao và xây dựng quy trình công nghệ phù hợp thu nhận biolipid để có thể áp dụng trong thực tiễn; các nghiên cứu thu nhận nhận axit béo không no từ biopilid và khả năng ứng dụng, ví dụ như sản xuất thực phẩm chức năng, chất bảo quản thực phẩm/mỹ phẩm… rất cần được tham khảo, học hỏi kinh nghiệm từ các chuyên gia Anh.