C4-RICE : Cây lúa của tương lai

C₄-RICE : Cây lúa của tương lai

 a-Triển vọng phát triển cây lúa C₄ bằng công nghệ chuyển đổi gen

1-Khái quát về chu trình quang hợp C₃, C₄ và CAM

Quá trình quang hợp (Photosynthesis) của cây xanh sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để biến đổi nước (H₂O) và khí CO₂ thành chất đường bột (C₆H₁₂O₆) và khí O₂ theo công thức tổng quát là: 

2n CO ₂ + 2n H ₂ O + photon → 2 (CH ₂ O) _n + 2n O ₂.

Ba kiểu chu trình quang hợp phổ biến của thế giới thực vật được biết đến là chu trình quang hợp C₃ (C₃ Photosynthesis), chu trình quang hợp C₄ (C₄ Photosynthesis) và chu trình quang hợp CAM (CAM photosynthesis). Tương ứng với mỗi chu trình quang hợp người ta chia thực vật ra ba nhóm:Thực vật C₃ (C₃ Plants ), thực vật C₄ (C₄ Plants) và thực vật CAM (CAM Plants).

2-Thực vật C₃

Đặc điểm của chu trình C₃ là trong bước đầu tiên của chu trình Canvil CO₂ kết hợp với RuBP (ribuloza bisphotphat-loại đường 5-cacbon) để tạo thành 3-photpho glyxerat  thông qua phản ứng sau: 6 CO₂ + 6 RuBP → 12 ( 3-photphoglyxerat).

Được gọi là chu trình C₃ vì trong chu trình quang hợp CO₂ đầu tiên được đưa vào một hợp chất 3-cacbon (3-photphoglyxerat).

Chu trình Calvin trong quang hợp của cây C₃

Các loài thực vật nào chỉ tồn tại duy nhất theo kiểu cố định cacbon C₃ được gọi là thực vật C₃ và có đặc điểm sau:

-Cường độ ánh sáng Mặt Trời và nhiệt độ là vừa phải.

-Hàm lượng CO₂ trong không khí 200 ppm trở lên.

-Khí khổng được mở trong ban ngày.

-EnzymRuBisCO, loại enzyme tham gia quang hợp,liên quan đến sự hấp thu CO₂.

Thực vật C₃, có nguồn gốc từ đại Cổ Sinh và đại Trung Sinh, hiện nay hầu hết cây xanh là thực vật C₃, chiếm khoảng 95% sinh khối thực vật của Trái Đất, chúng xuất hiện trước thực vật C₄. Tất cả giống lúa trồng hiện nay thuộc thực vật C₃.

Nhược điểm của cây C₃ là song song quá trình quang hợp lại diễn ra quá trình quang hô hấp làm tiêu hao lượng đường bột dự trữ trong cây, là nguyên nhân của hiệu quả quang hợp kém hơn so với thực vật C₄.

Cây lúa trồng hiện nay thuộc thực vật C₃.

3-Thực vật C₄

Các loài thực vật sử dụng  chu trình quang hợp C₄ được gọi chung là thực vật C₄.

Cùng với kiểu quang hợp CAM, quang hợp C₄ là sự tiến hoá tự nhiên hoàn thiện hơn so với thực vật C₃. Chu trình C₄ vượt qua xu hướng của RuBisCO (enzym đầu tiên trong chu trình Calvin-Benson) trong quang hô hấp (lãng phí năng lượng bằng cách sử dụng ôxy để phá vỡ các hợp chất cacbon thành CO₂) trong cây C₃.

Thực vật C₄ cách ly RuBisCO ra khỏi ôxy không khí, cố định cacbon trong các tế bào nhu mô lá và sử dụng oxaloaxetat cùng malat để chuyên chở cacbon đã cố định tới RuBisCO và phần còn lại của chu trình Calvin-Benson được cô lập trong các tế bào bó màng bao. Các hợp chất trung gian đều chứa 4 nguyên tử cacbon, vì thế mà có tên gọi C₄.

Về cơ chế thực vật C₄ chuyển giao CO₂ tới enzym RuBisCO có hiệu quả hơn.

Mô hình quang hợp ở thực vật C₄

4-Thực vật CAM

Thực vật CAM hay quang hợp CAM với CAM là từ viết tắt của Crassulacean acid metabolism (trao đổi chất axít Crassulacea), là một kiểu cố định cacbon phức tạp trong một số thực vật quang hợp. CAM là cơ chế thường tìm thấy trong các thực vật sinh sống trong điều kiện khô hạn, gồm các loài tìm thấy trong sa mạc (ví dụ, xương rồng hay dứa). Nó được đặt tên theo họ thực vật mà cơ chế này lần đầu tiên được phát hiện ra, là họ Cảnh thiên (Crassulaceae, bao gồm các loài thực vật mọng nước như cảnh thiên, thuốc bỏng v.v).

Thực vật CAM mở khí khổng vào ban đêm, CO₂ dược khử và dự trữ trong mô để thực hiện quang hợp khi có ánh sáng vào ban ngày. Thực vật CAM chống được thoát hơi nước vào ban ngày nên thích nghi rộng ở vùng khô hạn và sa mạc.

Do CO₂ được trữ dạng axit vào ban đêm nên thân, lá của thực vật CAM vào buổi sáng có vị chua hơn vào buổi chiều.

Dứa, Thanh Long, Xương Rồng là những loài thực vật có kiểu quang hợp CAM.

b-Hiện trạng cây lúa thế giới trong 50 năm qua và những hạn chế của cây lúa C₃

Cây lúa có ngườn gốc ở vùng Đông Nam Á, Việt Nam, Ấn Độ và Miến Điện là những nơi xuất hiện nghề trồng lúa đầu tiên của loài người, từ đó lan dần khắp Châu Á.

Lúa là cây lương thực chính của thế giới nói chung và của Châu Á nói riêng, gần 90% sản lượng gạo của thế giới được sản xuất và tiêu thụ ở vùng này.Khoảng 10% sản lượng gạo được sản xuất ngoài Châu Á, chủ yếu ở Châu Phi, Châu Mỹ.

Trước năm 1960 cây lúa thế giới chủ yếu là các giống địa phương cao cây, dài ngày và năng vuất thấp.Sự gia tăng sản lượng thấp hơn sự gia tăng dân số nên an nimh lương thực bị đe doạ.

Sau khi giống lúa IR-8 ra đời năm 1966, mở màng cuộc cách mạng xanh lần thứ nhất. Các giống lúa cải tiến thấp cây, ngắn ngày, măng suất cao đã tạo ra bước tăng trưởng sản lượng lúa gạo ở Châu Á ở mức 3% trong thời kỳ 1967-1985, vượt xa tốc độ tăng trưởng của dân số trong thời kỳ này (2,14%). Nhưng trong thời kỳ 1986-2000 tốc độ tăng sản lượng gạo chỉ còn 1,7%. Thời kỳ 2001-2005 sản lượng lúa gạo thế giới chỉ còn tăng 0,87 % .

Bảng tổng hợp sản lượng lúa Thế giới và Châu lục

giai đoạn 2001- 2010 (Số liệu thống kê của FAO, 2012)
Đơn vị tính: Triệu tấn

Thế giới, Châu lục	2001	2002	2003	2004	2005	2010
- Toàn Thế giới + Châu Á + Châu Âu + Châu Đại Dương + Nam Mỹ + Bắc,Trung Mỹ + Châu Phi	597.981 544.630 3.650 1.164 19.784 12.260 16.493	569.035 515.255 3.210 1.218 19.601 12.195 17.556	584.272 530.736 2.260 1.457 19.973 11.623 18.223	606.268 546.919 2.468 1.574 23.726 12.816 18.765	618.441 559.349 2.340 1.344 24.020 12.537 18.851	672.016 607.328 4.443 0.218 23.382 12.189 22.855

Nguồn: FAOSTAT | © FAO Statistics Division 2012 | 31 March 2012

Giai đoạn 2001- 2005, sản lượng lúa thế giới đều tăng chậm, năm 2005 đạt 618.441 triệu tấn. Trong đó, sản lượng lúa Châu Á đạt 559,349 triệu tấn chiếm 90,45% ; tương tự ở Nam Mỹ - 24.020 triệu tấn (3,88%) ; ở Châu Phi- 18,851 triệu tấn( 3,04%) ; ở Bắc Trung Mỹ- 12,537 triệu tấn ( 2,03%); ở Châu Âu và Châu Đại Dương- 3.684 triệu tấn (0,6%). Có hơn 50 quốc gia có sản lượng gạo hàng năm trên 100.000 tấn. Riêng Ấn Độ và Trung Quốc đã chiếm trên 50% sản lượng lúa gạo thế giới.

Top 10 nước dẩn đầu sản lượng lúa trên thế giới trong  năm 2005 (Theo FAO) là :

1-Trung Quốc    182 triệu tấn               6-Thái Lan   27 triệu tấn

2-Ấn độ             137 triệu tấn               7-Mianma    25 triệu tấn

3-Indinesia          54 triệu tấn                8-Pakistan    18 triệu tấn

4-Bangladesh      40 triệu tấn                9-Phillipine  15 triệu tấn     

5-Việt Nam         36 triệu tấn                10-Bzazil        13 triệu tấn

Giai đoạn 2006-2010 sản lượng lúa gạo thế giới đã vào giai đoạn bảo hoà và có xu hướng tụt giảm ( khoảng 1,3 %/năm) do biến đổi khí hậu tác động trên những đồng bằng trồng lúa chính mặt dù diện tích trồng lúa có mở rộng thêm.

Hiện nay có 114 quốc gia trồng lúa, trong đó Châu Á có 30 nước, Bắc và Trung Mỹ 14 nước, Nam Mỹ 13 nước, Châu Âu 11 nước và Châu Đại Dương 5 nước. Diện tích trồng lúa toàn cầu trong giai đoạn 2000-2010 dao động trong khoảng 152 triệu ha gieo trồng, năng suất lúa thế giới bình quân giai đoạn 2000-2010 sấp sỉ 4 tấn /ha.

 Diện tích trồng lúa cao nhất là Ấn Độ 44,79 triệu ha, thấp nhất là Jamaica chỉ có 24 ha. Năng suất bình quân cao nhất là Australia 9,45 tấ/ha, thấp nhất là Iraq 0,9 tấn/ha. Trên thế giới có khoảng 3 tỷ người dùng gạo làm lương thực, trong đó khoảng 1,5 tỷ người dùng gạo làm lương thực chính. 

Theo các cơ quan nghiên cứu lúa Quốc tế dự báo sản lượng  lúa Châu Á năm 2010 (tính theo triệu tấn) là:

Quốc gia / khu vực	1993	Dự báo cho năm 2010
	Kết quả thực tế	FAO	IFPRI	IRRI
Trung Quốc	187	n / a	216	228
Ấn Độ	116	n / a	154	160
Indonesia	49	n / a	62	66
Đông Á	200	396	230	243
Đông Nam Á	110	n / a	142	152
Nam Á	153	216	206	216
Châu Á	463	612	578	611

 Rõ ràng hiện nay cây lúa thế giới đang đụng trần về sản lượng, có khả năng sụt giảm trong những năm tới do tác động của biến đổi khí hậu ngày càng  phức tạp như hạn hán, lũ lụt, mặn hoá, sa mạc hoá...và kể cả đô thị hoá và công nghiệp hoá ở các nước đang phát triển.

Trong năm mươi năm qua nhờ cuộc cách mạng xanh lần thứ nhất là đưa cây lúa lai cải tiến vào thay thế cây lúa mùa địa phương. Cuộc cách mạng này đem lại bước nhảy vọt về gia tăng năng suất và sản lượng lúa thế giới, vượt hơn và sắp xỉ mức gia tăng dân số. Nhưng hiện nay cây lúa thế giới, đúng hơn là cây lúa C₃ đã đụng trần về sản lượng và trên đà sụt giảm do biến đổi khí hậu tác động rõ nét.

Nhược điểm của cây lúa C₃ là có hiện tượng quang hô hấp mạnh, năng suất tụt giảm rõ rệt khi nhiệt độ trên 30^oC, nơi mà các đồng bằng trồng lúa chủ yếu đang hứng phải hiện nay và trong thời gian tới.

3-Nhu cầu lúa gạo thế giới trong thế kỷ 21 và sự cần thiết của cây lúa C₄

Do cây lúa C₃ hiện nay đã đụng trần về sản lượng, trước nguy cơ của biến đổi khí hậu và đô thị hoá ở các nước đang phát triển, kể cả một phần diện tích đất trồng lúa bị cạnh tranh do cây trồng cung cấp năng lượng hoá học trong nhiều thập kỷ tới nên diện tích trồng lúa thế giới sẽ tụt giảm nghiêm trọng. Trước nguy cơ đó đặt ra vấn đề phải mở ra cuộc cách mạng xanh lần thứ 2 đó là thay cây lúa C₃ bắng cây lúa C₄ trong thế kỷ 21.

Để đảm bảo an ninh lương thực ở Châu Á nói riêng và trên thế giới nói chung, các nhà khoa học IRRI đã  nhận định đến năm 2020 năng suất cây lúa nước trên thế giới phải đạt được năng suất bình quân khoảng 7 tấn /ha/vụ. Như vậy đòi hỏi cây lúa phải có tiềm năng 12 tấn/ha/vụ trong mùa khô và 8-9 tấn /ha/vụ trong mùa mưa như vậy năng suất ngoài đồng bình quân phải đạt trên 70% tiềm năng của giống.

Đến năm 2025 phải đạt trên 771 triệu tấn, đến năm 2030 phải đạt 830 triệu tấn và đến năm 2050 trở đị phải đạt sản lượng từ 900-1.000 triệu tấn mới giải quyết được vấn đề an ninh lương thực toàn cầu.

Trước vấn đề đó cây lúa C₃ hiện nay chỉ có thể trụ vững trong vòng 20 năm nữa và đến năm 2030 trở đi cây lúa C₄ phải chiếm lĩnh ưu thế trong sản lượng lúa gạo thế giới. Việc tạo ra cây lúa C₄ để đưa vào sản xuất đại trà thay thế cây lúa C₃ là tất yếu vì ưu thế tạo năng suất của cây lúa C₄ có thể tăng từ 30-50 % so với cây lúa C₃ hiện nay. Tuy nhiên việc tạo ra cây lúa C₄ còn gặp nhiều trở ngại về rào cản kỹ thuật và sự e ngại dùng giống lúa chuyển đổi gen đang còn là vấn đề do dự trên chính các nước trồng lúa truyền thống.

Theo các nhà khoa học IRRI và FAO, cây lúa C₄ vượt trội cây lúa C₃ ở các đặc điểm sau :

Thứ nhất : Trong cây C₄ hiệu quả xử dụng CO₂ cao hơn, năng suất quang hợp trên mỗi đơn vị protein diệp lục cao hơn, có thể tăng năng suất từ 30-50%.

Thứ hai : Ở nhiệt độ 30oC trở lên cây lúa C₄ quang hợp tốt, không bị thất thoát năng lượng do quang hô hấp như ở cây lúa C₃. Do đó cây lúa C₄ sẽ thích ứng nhiệt độ cao vốn bao trùm trên vùng lúa nhiệt đới trong nhiều thập kỹ sắp tới.

Thứ ba : Trong nhiều cây họ hoà thảo đã có sản nguồn gen quang hợp C₄, có thể chuyển vào cây lúa . Sơ đồ gen cây lúa đã được xác định từ năm 2002, đã cho biết các đoạn ADN điều khiển các gen quang hợp nên việc chuyển đổi gen C₄ từ ngô, lúa miến...sang cây lúa cũng thuận lợi và không gây nguy hiểm về sinh thái và di truyền.

Các nhà khoa học IRRI và FAO cho rằng giải pháp chuyển đổi gene cho cây lúa có chu trình quang hợp C₄ thay thế dần cho cây lúa có chu trình quang hợp C₃ là một giải pháp sáng suốt nhất. Tăng năng suất lúa theo khái niệm Cách Mạng Xanh hiện nay là thay đổi chu kỳ quang hợp cây lúa, vốn là cây C₃, chuyển đổi thành cây C₄.

Một dự án được tiến hành tại Viện Lúa Quốc Tế (IRRI) do Bill & Melinda Gate Foundation tài trợ, với kinh phí 1 triệu USD, thực hiện trong 3 năm (kể từ năm 2009), nhằm cải tiến năng suất cây lúa bằng phương pháp gọi là “supercharging its engine” (nạp năng lượng siêu mạnh cho bộ máy cây lúa). Hiện nay dự án cây lúa C₄ của IRRI đang tiếp nhận trên 11 triệu USD từ nhiều nguồn kinh phí để từng bước hoàn thiện cây lúa C₄.

Nếu thành công, các nhà khoa học IRRI dự đoán năng suất lúa sẽ tăng thêm 50%, đẩy sản lượng lúa toàn cầu tăng thêm 300 triệu tấn / năm; giá trị tăng thêm ước đạt 104 tỷ USD / năm, và hơn 10.000 tỷ USD trong 50 năm tới.

Nhóm Nghiên cứu cây lúa C₄ của IRRI tại các quốc gia có dự án

Lịch sử phát triển giống lúa biến đổi gen

Lịch sử phát triển giống lúa biến đổi gen

Khi cây trồng biến đổi gen đã trở thành xu thế phát triển trong thời đại kỹ thuật tạo giống cây trồng hiện đại thì ý tưởng tạo giống lúa chuyển đổi gen cũng được các nhà khoa học quan tâm nhằm thay đổi chất lượng gạo, khả năng thích nghi và tính kháng sâu bệnh.

Lịch sử phát triển giống lúa gạo vàng Golden rice

1-Ý tưởng và dự án

Dự án đầu tiên tạo ra giống lúa chuyển đổi gen là tạo ra giống lúa từ Oryza sativa có khả năng sinh tổng hợp ra chất beta-carotene là tiền chất của vitamin A trong hạt gạo.

So sánh giữa gạo trắng và gạo vàng biến đổi gen (IRRI-2010)

Dự án này được bắt đầu từ năm 1992 bởi Ingo Potrykus của Viện Khoa học thực vật tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ, làm việc với Peter Beyer của trường Đại học Freiburg. Được công bố vào năm 2000 với sản phẩm lúa chuyển đổi gen có tên là giống Gạo hạt vàng (Golden Rice).

Gạo hạt vàng sẽ được thiết kế để sản xuất beta- carotene, một tiền chất của vitamin A, trong nội nhũ hạt gạo (cây lúa tự nhiên có thể sản sinh beta-carotene trong lá khi quang hợp và chuyển một phần rất ít vào vỏ cám).

2-Kết quả bước đầu

Gạo hạt vàng sẽ được tạo ra bằng cách chuyển đổi hai gen sinh tổng hợp beta-carotene:

1-psy (phytoene synthase) từ hoa của cây thủy tiên ( pseudonarcissus).

2-CRTL từ vi khuẩn đất Erwinia uredovora.

Lúa Hạt vàng ban đầu được gọi là SGR1, và theo điều kiện nhà kính này sản xuất 1,6 mg / g chất carotenoid.

3-Các bước tiếp theo

Golden rice đã được lai tạo với giống lúa địa phương ở Việt Nam , Đài Loan và lúa Mỹ 'Cocodrie'.Các thử nghiệm thực địa đầu tiên của những giống lúa gạo vàng đã được thực hiện bởi Trung tâm Trường Đại học Nông nghiệp bang Louisiana vào năm 2004.Lĩnh vực thử nghiệm sẽ cho phép một phép đo chính xác hơn về giá trị dinh dưỡng của lúa gạo vàng, và sẽ cho phép trồng thử nghiệm được thực hiện. Kết quả sơ bộ từ thử nghiệm đã cho thấy lúa gạo vàng sản xuất từ 4 đến 5 lần beta-carotene hơn so với lúa gạo vàng phát triển trong điều kiện nhà kính.

Trong năm 2005, một nhóm các nhà nghiên cứu tại công ty công nghệ sinh học , Syngenta , sản xuất nhiều lúa gạo vàng được gọi là "Golden Rice 2 ". Họ kết hợp gen phytoene synthase từ ngô với crt1 gạo vàng ban đầu. Golden Rice 2 sản xuất carotenoid nhiều hơn 23 lần so với gạo vàng trước đó (lên đến 37 mg / g), và ưu tiên tích tụ beta-carotene (có thể lên đến 31/37 mg/g của carotenoids).

Để nhận được các khuyến nghị Trợ cấp chế độ ăn uống (RDA), ước tính 144 g cao nhất sẽ có thể ăn , sinh khả dụng của carotene từ lúa vàng đã được xác nhận và được tìm thấy là một nguồn hiệu quả của vitamin A đối với con người .

Trong Tháng 6/2005, nhà nghiên cứu Peter Beyer nhận được tài trợ từ Bill và Melinda Gates Foundation nâng cao hơn nữa lúa gạo vàng bằng cách tăng mức độ khả dụng sinh học của pro-vitamin A, vitamin E , sắt , kẽm , và để cải thiện chất lượng protein thông qua di truyền sửa đổi.

Năm 2011 được dự báo rằng gạo vàng sẽ vượt qua rào cản quy định cuối cùng và tiếp cận thị trường vào năm 2013.Viện Nghiên cứu lúa gạo quốc tế (IRRI) hiện đang điều phối Mạng gạo vàng với các đối tác khác, những người có chuyên môn trong lĩnh vực nông nghiệp và dinh dưỡng nghiên cứu và phát triển gạo hạt vàng. Năm 2011, IRRI đã thông báo rằng Helen Keller International, một tổ chức sức khỏe hàng đầu thế giới làm giảm mù lòa và ngăn ngừa suy dinh dưỡng trên toàn thế giới, được tham gia dự án Golden Rice phát triển hơn nữa và đánh giá gạo hạt vàng.

4-Triển vọng giống Lúa gạo vàng (Golden rice)

*Khả năng sử dụng lúa hạt vàng để chống thiếu Vitamin A

Các nghiên cứu về gạo vàng đã được tiến hành với mục tiêu giúp đỡ trẻ em bị thiếu vitamin A(VAD). Trong năm 2005, 190 triệu trẻ em và 19 triệu phụ nữ mang thai, trong 122 quốc gia, ước tính bị ảnh hưởng bởi VAD.VAD đã gây cho 1-2 triệu người chết, 500.000 trường hợp mù lòa và hàng triệu trường hợp khô mắt hàng năm.Trẻ em và phụ nữ mang thai có nguy cơ cao nhất. 

Vitamin A được bổ sung bằng miệng và bằng cách tiêm tại các khu vực nơi mà chế độ ăn uống thiếu vitamin A. Đã có 43 quốc gia có chương trình bổ sung vitamin A cho trẻ em dưới 5, 10 tuổi của các quốc gia này, hai liều cao bổ sung có sẵn mỗi năm, trong đó, theo UNICEF, có hiệu quả có thể loại bỏ VAD.Tuy nhiên, UNICEF và một số các tổ chức phi chính phủ tham gia vào lưu ý bổ sung liều thấp thường xuyên hơn, bổ sung phải là một mục tiêu khả thi.

Vì nhiều trẻ em ở các nước nơi có sự thiếu hụt trong khẩu phần ăn vitamin A dựa vào gạo là lương thực chính , sửa đổi di truyền để làm cho gạo sản xuất vitamin A, tiền chất beta-carotene được xem như là một thay thế đơn giản và ít tốn kém để bổ sung vitamin hoặc một gia tăng trong tiêu thụ các loại rau màu xanh lá cây hoặc sản phẩm động vật. Nó có thể được coi là tương đương với biến đổi gen của nước có chất fluoride hoặc muối i - ốt.

Phân tích ban đầu của lợi ích dinh dưỡng tiềm năng của lúa gạo vàng đề nghị tiêu thụ lúa gạo vàng sẽ không loại bỏ các vấn đề của thiếu vitamin A, nhưng nên được xem như là một bổ sung cho các phương pháp khác của vitamin bổ sung. Kể từ đó, cải thiện giống lúa gạo vàng đã được phát triển có chứa provitamin đủ A để cung cấp các yêu cầu toàn bộ chế độ ăn uống chất dinh dưỡng này cho những người ăn khoảng 75g gạo vàng mỗi ngày .

Đặc biệt, kể từ khi carotenes kỵ nước , cần có đủ lượng chất béo hiện nay trong chế độ ăn cho gạo vàng  (hoặc hầu hết các vitamin A bổ sung) để có thể để giảm bớt thiếu hụt vitamin A . Điều đó, rất có ý nghĩa rằng thiếu hụt vitamin A là rất hiếm khi một hiện tượng bị cô lập, nhưng thường cùng với một thiếu chung của một chế độ ăn uống cân bằng (đối số Vandana Shiva dưới đây). Do đó, giả sử một khả dụng sinh học ngang tầm với các nguồn tự nhiên khác của provitamin A, Greenpeace ước tính người trưởng thành cần ăn khoảng 9 kg gạo nấu chín vàng của giống đầu tiên nhận được RDA của beta-carotene, trong khi một người phụ nữ cho con bú cần gấp đôi, ảnh hưởng của một chế độ ăn uống không cân bằng (thiếu chất béo) không được hạch toán đầy đủ cho. Nói cách khác, nó có thể sẽ có được cả về thể chất không thể trồng đủ ăn đủ gạo vàng ban đầu đáp ứng được mức RDA được chấp nhận ở các nước đang phát triển.

Lưu ý, tuy nhiên, mức độ RDA được chấp nhận trong phát triển quốc gia vượt quá số tiền cần thiết để ngăn ngừa mù lòa. Hơn nữa, tuyên bố này được gọi một cây trồng đầu tiên của lúa vàng, phiên bản gần đây có số lượng cao hơn đáng kể của vitamin A trong đó.

5-Các lập luận phản đối

Các nhà phê bình của cây trồng biến đổi gen đã đưa ra mối quan tâm khác nhau. Một trong số đó là gạo vàng ban đầu đã không có đủ vitamin A vấn đề này đã được giải quyết bởi sự phát triển giống lúa mới.Tuy nhiên, vẫn còn nghi ngờ về tốc độ mà vitamin A làm giảm một khi cây trồng được thu hoạch , và bao nhiêu vẫn còn sau khi nấu.

Một nghiên cứu năm 2009 của lúa vàng đun sôi thức ăn cho các tình nguyện viên kết luận rằng gạo vàng là có hiệu quả được chuyển đổi thành vitamin A ở người. Greenpeace phản đối việc phát hành của bất kỳ sinh vật biến đổi gen vào môi trường, và liên quan đến vàng gạo là một hộp Pandora sẽ mở cửa để sử dụng rộng rãi hơn của sinh vật biến đổi gen. 

Vandana Shiva , nhà hoạt động chống biến đổi gen một Ấn Độ , đã lập luận vấn đề là không phải là cây trồng có bất kỳ thiếu sót cụ thể, nhưng có những vấn đề tiềm năng với nghèo đói và mất đa dạng sinh học trong cây lương thực. Những vấn đề này trầm trọng hơn bởi sự kiểm soát của công ty nông nghiệp dựa trên các thực phẩm biến đổi gen.Bằng cách tập trung vào một vấn đề thu hẹp (thiếu vitamin A), Shiva lập luận, những người đề xuất lúa vàng đã che khuất các vấn đề lớn hơn của sự thiếu sẵn sàng mở rộng các nguồn đa dạng và đầy đủ dinh dưỡng của thực phẩm.

Các nhóm khác có lập luận một chế độ ăn uống thay đổi, gồm các loại thực phẩm giàu beta carotene như khoai lang , rau lá xanh và trái cây sẽ cung cấp cho trẻ em với đầy đủ vitamin A.

Do thiếu các nghiên cứu thực tế và sự không chắc chắn về việc có bao nhiêu người sẽ sử dụng lúa vàng, suy dinh dưỡng chuyên gia của WHO Francesco Branca kết luận đưa ra bổ sung, củng cố thực phẩm hiện có với vitamin A, và dạy người dân để trồng cà rốt hoặc các loại rau nhất định, bây giờ cách hứa hẹn hơn để chống lại vấn đề ".

Hình ảnh Cây lúa chuyển gen Golden rice

Sự chuẩn bị cho ra đời cây lúa có kiểu quang hợp C4 để đáp ứng nhu cầu lúa gạo thế giới trong thế kỷ 21

Do cây lúa C₃ hiện nay đã đụng trần về sản lượng, trước nguy cơ của biến đổi khí hậu và đô thị hoá ở các nước đang phát triển, kể cả một phần diện tích đất trồng lúa bị cạnh tranh do cây trồng cung cấp năng lượng hoá học trong nhiều thập kỷ tới nên diện tích trồng lúa thế giới sẽ tụt giảm nghiêm trọng. Trước nguy cơ đó đặt ra vấn đề phải mở ra cuộc cách mạng xanh lần thứ 2 đó là thay cây lúa C₃ bắng cây lúa C₄ trong thế kỷ 21.

Để đảm bảo an ninh lương thực ở Châu Á nói riêng và trên thế giới nói chung, các nhà khoa học IRRI đã  nhận định đến năm 2020 năng suất cây lúa nước trên thế giới phải đạt được năng suất bình quân khoảng 7 tấn /ha/vụ. Như vậy đòi hỏi cây lúa phải có tiềm năng 12 tấn/ha/vụ trong mùa khô và 8-9 tấn /ha/vụ trong mùa mưa như vậy năng suất ngoài đồng bình quân phải đạt trên 70% tiềm năng của giống.

Đến năm 2025 phải đạt trên 771 triệu tấn, đến năm 2030 phải đạt 830 triệu tấn và đến năm 2050 trở đị phải đạt sản lượng từ 900-1.000 triệu tấn mới giải quyết được vấn đề an ninh lương thực toàn cầu.

Theo các nhà khoa học IRRI và FAO, cây lúa C₄ vượt trội cây lúa C₃ ở các đặc điểm sau :

Thứ nhất : Trong cây C₄ hiệu quả xử dụng CO₂ cao hơn, năng suất quang hợp trên mỗi đơn vị protein diệp lục cao hơn, có thể tăng năng suất từ 30-50%.

Thứ hai : Ở nhiệt độ 30oC trở lên cây lúa C₄ quang hợp tốt, không bị thất thoát năng lượng do quang hô hấp như ở cây lúa C₃. Do đó cây lúa C₄ sẽ thích ứng nhiệt độ cao vốn bao trùm trên vùng lúa nhiệt đới trong nhiều thập kỹ sắp tới.

Thứ ba : Trong nhiều cây họ hoà thảo đã có sản nguồn gen quang hợp C₄, có thể chuyển vào cây lúa . Sơ đồ gen cây lúa đã được xác định từ năm 2002, đã cho biết các đoạn ADN điều khiển các gen quang hợp nên việc chuyển đổi gen C₄ từ ngô, lúa miến...sang cây lúa cũng thuận lợi và không gây nguy hiểm về sinh thái và di truyền.

Các nhà khoa học IRRI và FAO cho rằng giải pháp chuyển đổi gene cho cây lúa có chu trình quang hợp C₄ thay thế dần cho cây lúa có chu trình quang hợp C₃ là một giải pháp sáng suốt nhất. Tăng năng suất lúa theo khái niệm Cách Mạng Xanh hiện nay là thay đổi chu kỳ quang hợp cây lúa, vốn là cây C₃, chuyển đổi thành cây C₄.

Một dự án được tiến hành tại Viện Lúa Quốc Tế (IRRI) do Bill & Melinda Gate Foundation tài trợ, với kinh phí 1 triệu USD, thực hiện trong 3 năm (kể từ năm 2009), nhằm cải tiến năng suất cây lúa bằng phương pháp gọi là “supercharging its engine” (nạp năng lượng siêu mạnh cho bộ máy cây lúa). Hiện nay dự án cây lúa C₄ của IRRI đang tiếp nhận trên 11 triệu USD từ nhiều nguồn kinh phí để từng bước hoàn thiện cây lúa C₄.

Nếu thành công, các nhà khoa học IRRI dự đoán năng suất lúa sẽ tăng thêm 50%, đẩy sản lượng lúa toàn cầu tăng thêm 300 triệu tấn / năm; giá trị tăng thêm ước đạt 104 tỷ USD / năm, và hơn 10.000 tỷ USD trong 50 năm tới.

Lịch sử phát triển cây trồng biến đổi gen

Lịch sử cây trồng biến đổi gen trên thế giới

Cây trồng biến đổi gen là cây trồng mới được được áp dụng kỹ thuật di truyền hiện đại để làm biến đổi cấu trúc ADN của nhân tế bào nhằm tạo ra các tính trạng mới theo ý muốn của con người như tính kháng sâu bệnh, tính thích nghi, phẩm chất, màu sắc... của nông sản..

Về bản chất của cây trồng biến đổi gen là sự biến đổi vật chất di truyền, tiếp nhận những gen mới, kết quả là xuất hiện những tính trạng mới. Quá trình biến đổi vật chất di truyền (thêm gen mới) nhờ vào công nghệ chuyển gen hiện đại. Nếu so sánh quá trình biến đổi gen với quá trình đột biến trong tự nhiên thì về bản chất của hai quá trình này gần giống như nhau. Bởi vì quá trình tiến hóa của sinh vật đều dựa vào quá trình biến đổi vật chất di truyền, trong đó đột biến đóng vai trò quan trọng.

Dưới tác động của các nhân tố gây đột biến, vật chất di truyền được biến đổi theo hai hướng: thêm đoạn gen hay bớt đoạn gen. Quá trình thêm đoạn nhờ công nghệ chuyển đổi gen tương tự như quá trình thêm đoạn AND trong đột biến tự nhiên. Tuy nhiên hai quá trình này cò nhiều điểm khác nhau:

-Quá trình chọn lọc tự nhiên chỉ giữ lại những biến dị có lợi cho quá trình tiến hóa của loài.

-Còn trong kỹ thuật chuyển gen cây trồng chỉ giữ lại tính trạng định hướng trước theo ý muốn của con người nhằm vào mục đích kinh tế hoặc chất lượng và không đóng góp gì cho sự tiến hóa của loài.

Quá trình hình thành tính trạng mới trong tự nhiên phải diễn ra hàng trăm năm, hàng ngàn năm hoạc hàng triệu năm, còn quá trình chuyển đổi gen theo công nghệ hiện đại chỉ cần 1-2 năm để bổ sung các tính trạng ưu việt mới.

Quá trình tiếp nhận gen mới trong tự nhiên bị ngăn cản bởi ranh giới loài, công nghệ chuyển gen cho phép di chuyển các gen mới từ các loài khác mà phương pháp lai tạo truyền thống không thể thực hiện được.

Mặc dù cây trồng chuyển đổi gen đang bị công kích bởi các nhà bảo vệ tự nhiên cũng như các tôn giáo và những trường phái bảo thủ. Song với tính ưu việt của cây trồng chyến đổi gen, xu thế mở rộng diện tích thay dần cho cây trồng truyền thống là điều hiển nhiên, trước hết ở những nước có nền công nghệ sinh học và nền nông nghiệp tiên tiến.

Cây trồng biến đổi gen được đề cập ở mục này chỉ ra những giống cây trồng được chọn tạo bằng kỹ thuật di truyền hiện đại, chuyển vào cây trồng truyền thống những gen hoàn toàn mới từ các sinh vật khác vào cây trồng như từ gen của cây trồng khác loài, từ vi khuẩn, tảo, nguyên sinh động vật...

Các lĩnh vực thử nghiệm đầu tiên của thực vật biến đổi gen xảy ra ở Pháp và Mỹ trong năm1986, khi cây thuốc lá được thiết kế để đề kháng với thuốc diệt cỏ.  Năm 1987, Viện di truyền thực vật Ghent (Bỉ) , được thành lập bởi Marc Van Montagu và Jeff Schell, được các Công ty đầu tư để phát triển kỹ thuật di truyền trên cây thuốc lá với khả năng chịu côn trùng bằng cách thể hiện gen mã hóa cho protein diệt côn trùng từ loài vi khuẩn BT (Bacillus thuringiensis).

Trung Quốc là quốc gia đầu tiên cho phép thương mại hóa cây thuốc lá biến đổi gen kháng vi-rút vào năm 1992. Cây trồng biến đổi gen đầu tiên được chấp thuận cho bán tại Mỹ năm 1994 là cây cà chua FlavrSavr có thời gian bảo quản lâu hơn.

Năm 1994, Liên minh châu Âu (EU) đã phê chuẩn cây thuốc lá thiết kế có khả năng chịu thuốc diệt cỏ bromoxynil ,là cây trồng biến đổi gen đầu tiên trên thị trường ở Châu Âu.

Năm 1995, khoai tây biến đổi gen BT đã được phê duyệt an toàn của Cơ quan Bảo vệ môi trường, là cây thực phẩm biến đổi gen đầu tiên cây trồng được chấp thuận tại Hoa Kỳ.

Năm 2009 có 25 quốc gia nghiên cứu, sản xuất, nhập khẩu cây trồng biến đổi gen, trong đó chủ yếu là các nước phát triển và đang phát triển (15 nước). Diện tích cây biến đổi gen khoảng 180 triệu ha, trong đó Hoa Kỳ 62,5 triệu ha, Argentina 21 triệu ha, Brazil 15,8 triệu ha, Ấn Độ 7,6 triệu ha, Canada 7,6 triệu ha...

Theo đánh giá của Clive James, giám đốc của ISAAA (Cơ quan dịch vụ quốc tế về tiếp thu các ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp). Chỉ trong 15 năm sau khi thương mại hóa, cây trồng công nghệ sinh học biến đổi gen vượt 180 triệu ha trong năm 2010, trong đó có 154 triệu nông dân ở 29 quốc gia hiện đang được hưởng lợi từ công nghệ mới này. Với sự gia tăng 87 lần chưa từng có từ năm 1996 đến 2010, cây trồng công nghệ sinh học là công nghệ cây trồng được áp dụng nhanh nhất trong lịch sử của nông nghiệp hiện đại.

Trong năm 2010, các nước đã phát triển các loại cây trồng biến đổi gen nhất là Hoa Kỳ (45%), Brazil (17%), Argentina (15%), Ấn Độ (6%), Canada (6%), Trung Quốc (2%), Paraguay (2%), Pakistan (2%), Nam Phi (1%) và Uruguay (1%). 

Tại Mỹ trong năm 2010 cây trồng giống biến đổi gen đã chiếm: 93% diện tích trồng đậu tương, 93% bông, 86% ngô và 95% của củ cải đường. Trong đó giống đậu tương biến đổi gen được ghép vào gen kháng thuốc diệt cỏ glyphosate. Bông và ngô được chuyển vào cả 2 gen chống thuốc diệt cỏ glyphpsat và gen diệt côn trùng  BT ( được chuyển từ loài vi khuẩn Bacillus thuringiensis).

Năm 2010 là kỷ niệm 15 năm thương mại hóa cây trồng biến đổi gen, 1996-2010. Diện tích cây trồng biến đổi gen (tính theo luỹ kế) giai đoạn 1996-2010 vượt 1 tỷ ha (tương đương với tổng diện tích rộng lớn của Mỹ hoặc Trung Quốc), rõ ràng điều đó cho thấy cây trồng biến đổi gen đang được chấp nhận và phát triển mạnh.

Triển vọng phát triển cây lúa lai trên thế giới

TRIỂN VỌNG PHÁT TRIỂN CÂY LÚA LAI TRÊN THẾ GIỚI

a- Các tổ chức quốc tế có liên quan đã vào cuộc

1-Viện nghiên cứu lúa quốc tế IRRI tham gia phát triển lúa lai

Kinh nghiệm thành công với công nghệ lúa lai Trung Quốc khuyến khích IRRI khám phá những triển vọng và các vấn đề của việc sử dụng lúa lai để tăng sản lượng từ năm 1979. 

Đến năm 1989, hai dòng thương mại CMS là IR58025A và IR62829A với gen "WA",được tạo ra tại IRRI và chia sẻ với các chương trình quốc gia trên toàn thế giới (Virmani et al, 1996). IR58025A ổn định trong vô sinh ở các nước nhiệt đới, trong khi IR62829A có khả năng kết hợp tốt nhưng vô sinh của nó là không đủ ổn định để sản xuất hạt giống lai ở nhiệt độ cao hơn.Trong những năm gần đây, IRRI phóng thích mỗi năm từ 10-20 dòng di truyền CMS mới để cung cấp dòng đầu nguồn cho các nước trồng lúa lai.

Công nghệ hạt giống lai cho vùng nhiệt đới đã được phát triển tại IRRI phối hợp với các chương trình quốc gia, và các gói công nghệ của Viện này có thể dẫn đến năng suất hạt giống lai lên đến 2 tấn /ha ở vùng nhiệt đới.

2-FAO hổ trợ chương trình phát triển lúa lai

FAO xem xét công nghệ lúa lai như một cách tiếp cận quan trọng để tăng sản lượng lúa gạo toàn cầu để giúp đáp ứng nhu cầu lương thực của thế giới ngày càng tăng. Do đó, Tổ chức FAO đã hổ trợ chương trình phát triển lúa lai ở các nước Mỹ Latinh và Caribê (ví dụ như Columbia và Brazil) và cung cấp hỗ trợ thông qua Chương trình Hợp tác Kỹ thuật (TCP) hoạt động ở một số nước Đông Nam Á như Bangladesh, Ấn Độ, Myanmar, Philippines và Việt Nam. Hy vọng rằng lúa lai có thể đóng một vai trò quan trọng trong cuộc chiến chống nạn đói trên thế giới trong tương lai gần.

b-Triển vọng phát triển lúa lai trên toàn cầu

Trung Quốc phát triển lúa lai thành công đầu tiên trên thế giới với diện tích cao điểm 70% so tổng diện tích trồng lúa và ổn định trên 15 triệu ha với năng suất 7,2 tấn/ha. Từ sự thành công của Trung Quốc cây lúa lai lan tỏa đến nhiều nước trồng lúa chủ yếu trên thế giới.

Từ năm 1979 Trung Quốc đã chuyển giao công nghệ lúa lai cho Hoa Kỳ. Từ năm  Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc (FAO) đã lựa chọn 15 quốc gia để tài trợ phổ biến lúa lai. Trong đó có Ấn Độ và Việt Nam là hai nước phát triển lúa lai sớm nhất ngoài Trung Quốc.

Trung Quốc cũng đã giúp đở các nước Đông Nam Á phát triển lúa lai theo công nghệ Trung Quốc.Trong tháng 5/2000,Tổng thống Philippines Gloria Macapagal Arroyo đích thân tham quan các mô hình trồng lúa lai của Trung Quốc và bà kêu gọi nông dân Philippines mạnh dạn phát triển lúa lai. Giáo sư Yuan, cha đẻ của ngành lúa lai Trung Quốc đã được bà mời đến thăm đất nước hai lần với tư cách là khách mời của Chính phủ Philippines để cố vấn về kỹ thuật trồng lúa lai.

FAO cũng mời Giáo sư, Viện sĩ Yuan là tư vấn trưởng của FAO để chia sẻ chuyên môn và kiến ​​thức của mình với các nước trồng lúa khác. Trong năm 2001, Trung Quốc thử nghiệm và chứng minh các giống lúa lai ở Việt Nam, và lúa lai năng suất cao hơn 30% sản lượng hơn so với các giống lúa địa phương phổ biến. Hơn nữa, các quốc gia Châu Á và Châu Phi như Indonesia, Sri Lanka, Myanmar, Campuchia, Lào, và Nam Phi đã thành công với lúa lai đang phát triển. 

Đến năm 2009, lúa lai đã được giới thiệu đến110 quốc gia trồng lúa, và tổng diện tích trồng lúa lai bên ngoài Trung Quốc chỉ mới đạt 3 triệu ha. Vì vậy, sự phát triển của lúa lai của Trung Quốc ở nước ngoài vẫn còn ở quy mô hạn chế, và doanh số bán hạt giống của Trung Quốc ra nước ngoài chỉ đạt khoảng15.000 tấn/năm, chủ yếu ở Việt Nam, Bangladesh, Pakistan và các quốc gia Châu Á khác. 

d-Con đường phía trước

-Lúa lai, chủ yếu phát triển ở Trung Quốc, bây giờ đã có hầu hết các nước trồng lúa. Lãi tăng khoảng 25 % và năng suất tăng 15-20%.

-Phương pháp lai ba dòng cổ điển có thể được áp dụng phổ biến trong khi phương pháp lai hai dòng, mặc dù cao cấp hơn, chỉ có thể được sử dụng trong một số khu vực nơi các điều kiện khí hậu phù hợp cho cả sản xuất hạt giống lai và dòng đực bất thụ nhạy cảm với ánh sáng và nhiệt độ (PTGMS) để nhân ra.

-Lúa lai hiện có của Trung Quốc có thể được thích nghi với vùng ôn đới và cận nhiệt đới để sản xuất thương mại. 

-Tại các khu vực nhiệt đới, cần thiết phát triển các dòng lai với lúa địa phương thích ứng hoặc với các giống lai của IRRI cho thử nghiệm và sản xuất.

-Những nước có chương trình phát triển lúa lai vẫn đang trong giai đoạn ban đầu với các giống lúa lai 3 dòng. Một số nước như Ấn Độ và Việt Nam đang tiến hành công nghệ lúa lai có thể bắt đầu chương trình nghiên cứu lúa lai ba dòng và hai dòng.

 -Ngoài việc sử dụng phương pháp ba dòng và hai dòng. Phương pháp sử dụng ưu thế lai xa là vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm, và chỉ có các viện công nghệ sinh học tiên tiến mới có khả năng thực hiện nghiên cứu trong các lĩnh vực này.