Gen chịu mặn và nông nghiệp nước muối

Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 1/2016 [29] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI 1. Gen chịu mặn Những gen chịu mặn thường có kích thước nhỏ và không biểu hiện ra nên cũng khó khăn trong việc tìm kiếm, khai thác. Nhưng khi đã có được những gen đó thì việc chuyển gen trực tiếp hay gián tiếp cho các cây trồng khác thì không khó khăn gì. Chẳng hạn bộ gen của cây Thellungiella parvula (họ cải), giống cây ưa mặn tuyệt vời và còn có tính kháng cao với nhiệt độ lạnh, hạn hán, trong đó có gen SALT OVERLY SEN- SITIVE1 (SOS1) kích thước nhỏ, chỉ khoảng 10 Mb, có vai trò kháng sự vận chuyển proton Na, một đại diện thiết yếu trong thành phần của độ mặn. Thước đo định lượng về khả năng chịu mặn (halotolerance) là tổng chất rắn hòa tan trong nước tưới một cây có thể chịu đựng được. Nước biển thường có chứa 40g mỗi lít (g/l) của các muối hòa tan (chủ yếu là natri clorua). Đậu và lúa có thể chịu đựng với 1-3g/l và được coi là glyco- phytes (như hầu hết các loại cây trồng). Lúa mạch Gen chịu mặn n Nguyễn Dương Tuệ Hiện tượng nước biển dâng cao do tác động của biến đổi khí hậu đang làmcho hàng triệu ha đất đai ven biển bị nhiễm mặn, “giết” hết các cây hoamàu, lương thực của con người và gia súc. Vì thế, cây trồng cần được tăng cường khả năng chịu mặn bằng cách lựa chọn các gen chịu mặn từ các cây cỏ trong tự nhiên hoang dã để chuyển vào. Đây là những gen được xem là quý và hiếm do các cây chịu mặn chỉ có 1% của tất cả các loài thực vật[2]. (Hordeum vulgare) có thể chịu đựng được khoảng 5g/l và có thể được coi là halophytes[3]. Ở một thái cực khác, cây Salicornia bigelovii (họ rau dền) phát triển tốt ở nồng độ 70g/l của các chất rắn hòa tan và là một cây chịu mặn (halophyte) điển hình đầy hứa hẹn bởi đây là nguồn gen rất quý và cần thiết với các vùng ven biển, vùng bị nhiễm mặn cho cả thế giới khi cần gia tăng 70% lượng sản xuất lương thực thực phẩm để đáp ứng nhu cầu của các nước với ước tính dân số tăng lên đến 9,1 tỷ người vào năm 2050[6]. Cây thích nghi với môi trường nước mặn có thể là có khả năng chịu mặn hoặc tránh mặn. Ví dụ, một loài cây ngắn ngày hoàn thành vòng đời sinh trưởng của mình trong một thời gian (chẳng hạn như một mùa mưa) khi đó muối bị pha loãng và có nồng độ muối thấp, như vậy cây sẽ tránh Và NôNG NGhiệp Nước MUối Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 1/2016 [30] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Spergularia (họ cẩm chướng-Caryophyllaceae), Aster tripolium (họ cúc-Asteraceae), Puccinel- lia (họ hoà thảo-Poaceae), Kosteletzkya vir- ginica (họ bông-Malvaceae) Bushnell chỉ ra rằng: có khoảng 10.000 loài cây ưa mặn, trong đó 250 là cây trồng chủ lực tiềm năng. Một số halophytes đang được phát triển như cây Salicornia bigelovii là một giống cây hàng năm ngập mặn ở bờ biển Ả Rập, Pak- istan và Ấn Độ trên ven hồ muối Sri Lanka... Không chỉ thế, hạt giống của nó lại có hàm lượng dinh dưỡng cao như 30% protein, 35% dầu để sản xuất dầu ăn. Năng suất của cây này cũng vượt trội so với đậu tương và hạt có dầu khác. Theo quan điểm của các nhà nghiên cứu tại Đại học Amsterdam (Hà Lan) và Đại học Sussex Brighton (Anh) thì người ta nghĩ rằng cách tốt nhất phía trước là phải thuần hóa thực vật hoang dã và lai tạo chúng để tạo ra năng suất cao hơn. Nhóm nghiên cứu Rana Munns tại CSIRO của Úc (Commonwealth Scientific) và Tổ chức Nghiên cứu công nghiệp tại Canberra đã thành công trong việc lai tạo giống mới của lúa mì ống (pasta) lúa mì chịu mặn bằng cách lai tạo với một giống có lịch sử phát sinh từ thời Ba Tư cổ đại với giống lúa mì Durum Modern không phải là giống chịu mặn, nhưng đó là lúa mì có nguồn gốc từ khắp nơi trên Địa Trung Hải, một khu vực bị ảnh hưởng rất nhiều muối. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã cho lai với giống lúa mì hoang sơ để tạo ra giống chịu mặn, đó là lúa mì hiện nay. Và khả năng loại trừ natri của nó được gắn liền với hai gen Nax1 và Nax2[8]. Cây dâm bụt biển Kosteletzkya virginica (họ dâm bụt), một cây lâu năm, một trong những cây chịu mặn cao, mọc hoang dã trên vùng đầm lầy ven biển hoặc hồ nước lợ nội địa, được dùng như là một nguồn thức ăn trong chăn nuôi và nhiên liệu[1]. Hàm lượng dầu trong hạt giống cây này là 18%, tương tự như dầu đậu tương và thành phần acid béo giống như hạt giống bông. Nó có lợi thế là một cây lâu năm, tiết kiệm rất nhiều lao động trong chăm sóc, gieo hạt nên tại Land Institute, Kansas, ở Mỹ hiện nay phát triển nó để thay thế các cây hàng năm. Cây lâu năm khác như cây Distichlis spicata (họ hòa thảo), là một trong những loại halo- phyte sử dụng để đáp ứng với vùng đất bị ảnh hưởng mặn và nó còn là cây phù hợp nhất với được muối chứ không phải chịu đựng nó. Hoặc một loài cây trồng có thể duy trì một nồng độ muối bình thường bằng cách bài tiết muối thừa qua lá (qua hydathode), hoặc bằng cách tập trung muối trong lá mà sau này chết và thải ra. Một nỗ lực để cải thiện sản xuất nông nghiệp ở các vùng mà cây được tiếp xúc với độ mặn là nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao hiểu biết về các cơ chế khác nhau, giúp thực vật phản ứng với stress mặn, do đó các cây chịu mặn (halophytes) có thể được phát triển mạnh mẽ hơn. Phản ứng thích nghi với stress mặn đã được xác định ở mức phân tử, tế bào, trao đổi chất và mức độ sinh lý[4]. Một số halophytes đang được nghiên cứu để sử dụng khai thác nguồn gen như cây Salicornia bigelovii có thể được trồng trong môi trường khắc nghiệt và thường không cạnh tranh với cây lương thực, là nguồn tài nguyên dùng để sản xuất dầu diesel sinh học hay bioalcohol đầy hứa hẹn[5]. 2. Tìm kiếm gen chịu mặn từ cây hoang dã Hiện nay, người ta đang tập trung vào việc sử dụng cây chịu mặn như một nguồn gen để cải thiện di truyền về tính chống chịu stress phi sinh học của cây trồng như chịu ngập úng, chịu hạn, chịu mặn, chịu sâu bệnh[7]. Tạo cho các cây trồng có khả năng chịu mặn để đối phó với các vùng ngập mặn, nhiễm mặn do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu lúc này lại trở nên cấp thiết. Ở thực vật, chỉ có một thiểu số (~1%) các loài thực vật được phân loại là halophytes. Halophytes được phân bố rộng rãi cả về phát sinh loài và địa lý. Tuy nhiên, mặc dù một số cơ chế sinh lý chung về khả năng chịu mặn được hiểu (ví dụ sử dụng các chất hòa tan tương thích, điều chỉnh thẩm thấu, vận chuyển, loại trừ và hấp thụ), nhưng sự đa dạng của những phản ứng này và các pro- tein cơ bản vẫn chưa được biết. Một số đánh giá gần đây về halophytes phát hiện gen thông qua gen thông lượng cao là một trong những nhu cầu cấp bách nhất trong lĩnh vực này[2]. Khi nói đến thực vật thường thì người ta chỉ quan tâm đến những cây dùng được như cây gỗ, lương thực, thực phẩm, thuốc mà xem thường những cây cỏ hoang dã nhưng chính những cây này lại có thể cung cấp cho con người những gen quý giá. Chẳng hạn những cây hoang dã sau đây lại có gen chịu mặn mà ít người ngờ tới, như: cây Cochlearea officinalis (họ cải - Brassicaceae), Plantago maritima (họ mã đề-Plantag- inaceae), Beta vulgaris ssp, Halimione portulacoides, Salicornia bigelovii hoặc S.europaea (họ dền-Amaran- thaceae), Atriplexnum mularia hoặc A. lentiformis (họ rau muối-Chenopodiaceae), Triglochin maritima (họ thủy mạch đông-Juncaginaceae), Armeria maritima, Limonium vulgare (họ đuôi công-Plumbaginaceae), Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 1/2016 [31] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI năng chống chịu mặn, rét và hạn để đối phó với biến đổi khí hậu trên diện rộng[1]. Người ta cũng đã có những nỗ lực đáng kể để xác định gen và hệ gen có liên quan đến khả năng chịu mặn, nhờ đó mà cây trồng có thể được tăng cường khả năng chịu mặn bằng cách lựa chọn thông thường và nuôi cấy. Một cách khác được tiến hành là sự chuyển gen vào cây trồng để tăng cường khả năng chịu mặn, hoặc biểu hiện ảnh hưởng của gen chịu mặn. Các thí nghiệm biến đổi gen cũng đã được tiến hành trong hơn 30 năm để cố gắng làm cho cây trồng quan trọng như lúa mì thành lúa chịu mặn. Trên cơ sở đọc các đoạn gen nhân bản (Read contig) để xác định các gen chịu mặn trong halophytes không những tạo điều kiện cho sự cải thiện của những loại cây trồng mà còn cung cấp một ngân hàng gen để cải thiện khả năng chịu mặn của các cây trồng thông thường. Khi nghiên cứu về sự giải mã của gen, người ta cũng đã xác định được những phân tử protein nhỏ là sản phẩm của gen có chức năng điều chỉnh phản ứng stress muối trong cây Arabidopsis (họ cải), một cây hoang dã khá phổ biến. Một bản đồ gen phiên mã được sử dụng để xác định một tập hợp các gen liên quan đến khả năng chịu mặn trong cây lúa indica nhạy nhiệt độ cao và các chế độ bức xạ cao trong những tháng mùa hè của miền Nam Australia. Thống kê cho thấy, ở Australia, năm 2000 có khoảng 5,7 triệu ha đất nhiễm mặn và dự kiến sẽ có tới 17 triệu ha nhiễm mặn vào năm 2050. Một cuộc thử nghiệm với cây Nypa Distichlia (họ hoà thảo) được thực hiện vào năm 2002 xác nhận rằng, cây phát triển tốt trong nước biển, với sản lượng lá xanh lên đến 25 tấn/ha dùng cho chăn nuôi. Các nhà nghiên cứu của Dahai Gao, Qian Wang, Yuxia Wu, Haiyan Xu, Qiushi Yu, Jianquan Liu (2007) cũng đã tìm thấy gen chịu mặn ở cây cải xoong Thellungiella salsuginea (họ cải-Brassiaceae). Theo họ đây là một điển hình của cây chịu mặn (halophyte) và nó còn có thể chịu đựng được cả điều kiện rất lạnh, hạn hán. Các kết quả nghiên cứu cho thấy Thellungiella có một sức đề kháng đặc biệt cao đối với stress lạnh, hạn hán, và oxy hóa nên nó đã trở thành một mô hình khá lý tưởng cho nghiên cứu chống chịu stress phi sinh học. Bộ gen của Thellungiella cũng đã được giải trình tự, kích thước bộ gen tương đối nhỏ và đây là nguồn gen quý để có thể chuyển vào các cây lương thực, thực phẩm nhằm tăng khả Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 1/2016 [32] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Nuôi trồng halophytes sẽ không cạnh tranh cho đất nên được trồng cây làm thực phẩm. Nó sẽ cung cấp nhiều thực phẩm, thức ăn chăn nuôi. Thêm vào đó, halophytes còn có ý nghĩa bảo vệ xói mòn bờ biển và các khu vực thức ăn cho chim, cá và động vật. Một số halophytes thậm chí có thể đòi lại đất cho các thực vật nước ngọt. Nó có thể bị ngấm muối đất thông qua sự tăng cường khả năng thấm và ở một mức độ nào đó, thông qua lưu trữ muối trong lá được thu hoạch, nhờ đó loại bỏ muối khỏi môi trường đất. Bằng cách lựa chọn và phát triển halophytes cả vi mô và vĩ mô, chúng ta có thể nhận được các protein, dầu, nhiên liệu sinh học để cung cấp cho nhu cầu lương thực, thực phẩm và nhiên liệu [9]. Ước tính sẽ có tới 10% diện tích bề mặt đất của trái đất bị nhiễm mặn và nhiều khu vực sản xuất lương thực có thể chịu bị nhiễm mặn cao do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Trong khi đó, dân số lại không ngừng tăng lên nên nguồn cung cấp lương thực, thực phẩm thế giới đang trở nên hạn chế. Vì thế các loài thực vật chịu mặn là nguồn vật liệu di truyền để phát triển cây trồng ưa mặn. Bằng cách tận dụng sự biến đổi somaclonal xảy ra trong quá trình nuôi cấy mô, các nhà nghiên cứu đã có thể lựa chọn cây có đặc tính mong muốn cho nông nghiệp, đồng thời cũng đã nghiên cứu các cơ chế chịu mặn để đạt được một sự hiểu biết chính xác làm thế nào các cây trồng đối phó được với stress muối. Ví dụ, người ta đã nghiên cứu thành phần màng tế bào của cỏ cây ưa mặn ở ba cấp độ của tổ chức (tế bào, bắn và toàn bộ cây) để đáp ứng với nồng độ muối khác nhau và thấy rằng sterol và phos- pholipid giảm khi tăng độ mặn trong khi glycol- ipids tăng và giảm tính lưu động trong màng plasma có thể làm giảm tính thấm NaCl. Hay tại Thái Lan, cây Sporobolus virginicus chịu mặn cao sống ở vùng cát ven biển được Somsri Arunin và Arunee Yuvaniyama và Cục Phát triển Đất đai, Bangkok đem thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm HBC và trồng tại Đông Bắc nước này từ đó được lựa chọn trồng tại các địa điểm khác để sử dụng cho thức ăn gia súc và cỏ khô[9]. 4. Thực tiễn ở Việt Nam Việt Nam là một trong 5 nước trên thế giới dễ bị tổn thương nhất trước biến đổi khí hậu nên việc tìm ra cách để chủ động ứng phó và thích ứng phù hợp đang ngày càng cấp bách. Báo cáo của tổ chức phát triển Liên hiệp quốc (UNDP) cảm. Hơn một ngàn gen chịu mặn đã được xác định trên bản đồ gen và các thành viên được lựa chọn của các gen được coi là ứng cử viên cho gen cải biến cây trồng [8], [9]. Đã có một số nỗ lực để tạo ra cây chịu mặn với sự hiện diện và biểu hiện của một số gen lớn liên quan đến khả năng chịu mặn bằng công nghệ chuyển gen và nuôi cấy mô tế bào. Chẳng hạn với cây cà chua chuyển gen chịu mặn được tạo ra bởi sự thể hiện một gen lấy từ cây Arabidopsis, mã hóa protein Na+ / H+ antiporter ở các không bào, nhờ đó cà chua biến đổi gen tích lũy muối trong lá nhưng không có trong quả nhờ các protein này ở cây chuyển gen vận chuyển ion natri từ tế bào chất vào không bào và bị ràng buộc lại trong tế bào thực vật, do đó cách ly chúng khỏi tế bào chất của tế bào[8]. 3. Gen chịu mặn và “nông nghiệp nước muối” Để đối phó với tình trạng thiếu nước ngọt và xâm nhập mặn ngày càng tăng của đất nông nghiệp do tác động của biến đổi khí hậu, người ta quan tâm đến “nông nghiệp nước muối” - trồng loại cây trồng có khả năng chịu mặn, và chúng có thể phát triển trong nước nhiễm mặn, nước lợ, đặc biệt khi mà nước ngọt khan hiếm và xâm nhập mặn diễn ra trên diện rộng. Ước tính hiện nay chỉ có khoảng 1% lượng nước trên trái đất là nước ngọt trong khi 1% là nước lợ và 98% là nước biển. Với nguồn tài nguyên nước ngọt hạn chế, nông nghiệp không chỉ phải cạnh tranh với nhà công nghiệp sử dụng nước ngọt mà còn đang bị đe dọa bởi sự lây lan của hiện tượng nhiễm mặn đất[9]. Không thể tưới cây lương thực và cây thức ăn chăn nuôi bằng nước mặn. Nhưng có một thực tế là, sự bốc hơi và thoát hơi nước dẫn đến sự tích tụ muối trong vùng rễ. Sự nóng lên toàn cầu cũng tăng tốc xâm nhập mặn như nước biển dâng và lũ lụt vùng ven biển. Đất mặn là không thể đảo ngược trong vùng khô hạn vì không có nước để đưa muối tích tụ ra khỏi đất. Khi tăng độ mặn, năng suất cây trồng giảm, bởi vì hầu hết các loại cây trồng hiện có không chịu được mặn, nên phải quan tâm tới gen chịu mặn và “nông nghiệp nước muối”[9], [8]. Những người tích cực ủng hộ ngành nông nghiệp nước muối là các nhà khoa học NASA: Robert Hendricks (Trung tâm nghiên cứu Glenn, Cleveland, Ohio) và Dennis Bushnell (Trung tâm nghiên cứu Langley, Hampton, Virginia). Họ mong muốn halophytes (cây chịu mặn) cần phải được sử dụng cho thực phẩm, thức ăn và nhiên liệu[3]. Họ cho rằng, halophytes có thể được trồng ở những vùng ven biển, đầm lầy, ao hồ nội địa, vùng sa mạc với các tầng chứa nước lợ ngầm và trực tiếp trong các đại dương hoặc biển. Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 1/2016 [33] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Ngoài ra, trái cây, sản lượng rau, mía, vịt của ĐBSCL cũng xếp hạng quan trọng của cả nước Đứng trước vấn đề đất bị nhiễm mặn đang gia tăng diện tích hàng năm, gần đây các viện, trường đã bắt tay vào nghiên cứu các loại cây trồng chống chịu được mặn ở các nồng độ mặn khác nhau. Việc thanh lọc gốc ghép chịu mặn đối với cây trồng đang là mối quan tâm của nhiều quốc gia có đất bị nhiễm mặn. Kết quả điều tra cho thấy, ở Việt Nam, nhóm cây chịu mặn yếu (từ 1,4- 2‰) như: ca cao, lúa, bắp, đậu, cà chua, ớt, bầu, bí; nhóm cây chịu mặn trung bình (từ 2-3‰) như: cam, quýt, bưởi, chanh, chuối, mía; nhóm cây chống chịu được mặn khá (từ 3-4‰): xoài, sapô, dừa Việc sử dụng gốc ghép cây ăn quả hay “luyện tập” bằng cách hàng ngày tưới mặn lên các gốc ghép để thích nghi dần cũng được tiến hành và cho kết quả khả quan để từ đó tham gia vào cuộc chiến chống chịu biến đổi khí hậu./. cho thấy, khả năng nước biển dâng sẽ khiến 22 triệu người Việt Nam mất nhà cửa với thiệt hại lên tới 10% GDP. Đến cuối thế kỷ này, nhiệt độ trung bình ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có thể tăng thêm 1,3- 2,80C, mưa có thể tăng 4-8%, nước biển dâng theo kịch bản thấp là 66cm, cao là 99cm. Nước biển dâng cao 1m có thể làm 39% diện tích ở ĐBSCL bị ngập, 35% dân số bị ảnh hưởng. Theo dự báo, nước mặn sẽ xâm nhập vào đất liền 40-50km, có độ mặn từ 4‰ trở lên, gây thiệt hại cho cây lương thực, thực phẩm và nhiều giống cây khác. ĐBSCL là vùng kinh tế đặc biệt quan trọng. Ở đây có trên 3,8 triệu ha đất nông nghiệp, có điều kiện địa lý và xã hội sản xuất nông nghiệp có lợi thế tốt nhất ở Việt Nam. Mặc dù diện tích canh tác nông nghiệp và thủy sản chỉ chiếm 27% của cả nước nhưng ĐBSCL chiếm tới 45% diện tích lúa, 71% diện tích nuôi trồng thủy sản, 40% giá trị sản xuất nông nghiệp, 54% sản lượng thủy sản của cả nước. Do có lợi thế về quy mô sản xuất và tập quán sản xuất hàng hóa, kinh doanh thị trường nên ĐBSCL là vùng xuất khẩu chiếm tới 62% kim ngạch xuất khẩu lúa gạo và 85% xuất khẩu cá da trơn của cả nước. Tài liệu tham khảo 1. Dahai Gao, Qian Wang, Yuxia Wu, Haiyan Xu, Qiushi Yu, Jianquan Liu (2007), Microsatellite DNA loci from the typical halophyte Thellungiella salsuginea. 2. Flowers và Colmer, New Phytologist, 2008. 3. Glenn, EP; et al. (1999), Salt tolerant and potential halophytes ultivated crops. 4. Gupta, Bhaskar; Huang, Bingru (2014), Mechanism of salinity tolerance in plants: physiological, biochemical, and molecular characterization. 5. Glenn, Edward P .; Brown, J. Jed; O'Leary, James W. (1998), Crop irrigatin with sea water (PDF).American Scientific. 6. John Challen (20 January 2015), New Abu Dhabi facility to test producing food and biofuel sustainably. 7. S. Rajalakshmi, Ajay Parida (2007), Halophytes as a source abiotic stress resistance genes. 8. Dr. Mae-Wan Ho and Prof. Joe Cummins (2009), Saline Agriculture to Feed and Fuel the World the typical halophyte Thellungiella salsuginea. 9. Mark Anderson (2014), We are running out of land for traditional agriculture. Time to figure out what saltwater plants can do for us. Sản xuất lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long