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.