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
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
+
+ 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
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
|
49
|
n / a
|
62
|
66
|
|
| Đông Á |
200
|
396
|
230
|
243
|
| Đông |
110
|
n / a
|
142
|
152
|
153
|
216
|
206
|
216
|
|
| Châu Á |
463
|
612
|
578
|
611
|
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 30oC,
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
