Nghiên cứu phát triển các nguồn gene lúa thích ứng với biến đổi khí hậu

Đánh giá khả năng chịu hạn của 170 mẫu giống lúa vật liệu thuộc dự án trong điều kiện nhà lưới tại Viện Cây lương thực (FCRI). Ảnh chụp tháng 6/2017.

Ở Việt Nam, sản xuất nông nghiệp nói chung và sản xuất lúa nói riêng đang phải đối đầu với những khó khăn do biến đổi khí hậu gây ra như: xâm thực mặn, hạn hán, lũ lụt, nóng – lạnh bất thường và những diễn biến phức tạp của sâu bệnh hại. Nhưng, sản xuất lúa cũng là nguyên nhân dẫn đến biến đổi khí hậu do tạo phát thải chất gây hiệu ứng nhà kính như CO2, do đốt rơm rạ trên đồng ruộng sau khi thu hoạch. Vì vậy, cần tạo giống lúa cho năng suất, chất lượng tốt trong điều kiện mặn, hạn, ngập, nóng - lạnh, chống chịu tốt với sâu bệnh hại và rơm rạ có khả năng chuyển hóa đường cao, hàm lượng silic thấp dễ dàng sử dụng cho chế biến nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi… thay vì đem đốt.

Trước khi nghiên cứu này được thực hiện, các nhà khoa học thế giới và Việt Nam đã công bố hàng chục các QTL/ gene ở mỗi nhóm về khả năng chịu ngập úng, mặn, lạnh, nóng và sâu bệnh. Nhưng việc nghiên cứu nguồn gene kiểm soát khả năng phân hủy (khả năng chuyển hóa đường) và hàm lượng silic trong rơm rạ vẫn còn mới, chưa có công bố chính thức nào.

Trước yêu cầu thực tế cần đến những giống lúa kết hợp được cả 2 yếu tố: vừa có khả năng chống chịu các hình thái khí hậu, môi trường vừa cho năng suất chất lượng tốt, có gene kiểm soát được khả năng phân hủy rơm rạ, chúng tôi đã tiến hành “Nghiên cứu phát triển các nguồn gene lúa thích ứng với biến đổi khí hậu”, mã số HNQT/SPĐP/05.16, theo Chương trình hợp tác nghiên cứu song phương và đa phương về khoa học công nghệ đến năm 2020 do Bộ Khoa học và Công nghệ quản lý.

Để thực hiện nhiệm vụ này, chúng tôi thu thập 170 mẫu giống lúa của Việt Nam làm vật liệu nghiên cứu để phân lập các mẫu giống lúa (nguồn gene lúa) thích ứng với biến đổi khí hậu ở khả năng chịu hạn, rơm rạ phân hủy tốt và có hàm lượng silic thấp, từ kết quả đánh giá về khả năng chịu hạn, khả năng chuyển hóa đường từ rơm rạ và hàm lượng silic trong rơm rạ kết hợp với giải trình tự GBS (đã thu được 334.000 SNP trong bộ vật liệu 170 mẫu giống lúa).

Nhờ vậy, nhóm nghiên cứu xác định được các mẫu giống lúa mang nguồn gene kiểm soát khả năng chịu hạn; Các mẫu giống lúa mang nguồn gene kiểm soát khả năng chuyển hóa đường trong rơm rạ cao; Các mẫu giống lúa có mang nguồn gene kiểm soát lượng silic thấp trong rơm rạ. Các gene này được tìm ra trên toàn hệ gene của cây lúa

Cụ thể hơn, các nguồn gene lúa này được xây dựng cơ sở dữ liệu kiểu hình (khả năng chịu hạn, khả năng đường hóa từ rơm rạ và hàm lượng silic trong rơm rạ) và kiểu gene (trình tự, vị trí các gene ứng viên kiểm soát tính trạng này, mồi cho phản ứng PCR để nhận diện các gene ứng viên này).

Đến thời điểm hiện tại, nhóm nghiên cứu đã tìm ra được 3 gene ứng viên (candidate genes) cho khả năng chuyển hóa đường cao từ rơm rạ, 2 gene ứng viên hàm lượng silic thấp trong rơm rạ của cây lúa. Kết quả nghiên cứu được đăng tải trên các tạp chí: Biotechnology for Biofuels; Khoa học và công nghệ Nông nghiệp Việt Nam (của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam); Tạp chí Khoa học và công nghệ Việt Nam (của Bộ KH&CN).

Đến thời điểm hiện tại, nhóm nghiên cứu đã tìm ra được 3 gene ứng viên (candidate genes) cho khả năng chuyển hóa đường cao từ rơm rạ, 2 gene ứng viên hàm lượng silic thấp trong rơm rạ của cây lúa.

Dự án HNQT/SPĐP/05.16 do Bộ KH&CN tài trợ nằm trong Chương trình hợp tác nghiên cứu song phương và đa phương giữa Viện cây lương thực và cây thực phẩm với Đại học York và Đại học Dundee của Vương Quốc Anh. Trong đó, việc phân tích khả năng chuyển hóa đường từ rơm rạ, thành phần silic trong rơm rạ được thực hiện tại Đại học York với sự tham gia của cán bộ Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm. Việc phân tích GWAS, dự kiến gene mục tiêu (gene ứng viên), thiết kế mồi nhận diện gene mục tiêu được thực hiện bởi sự phối hợp giữa các nhóm thực hiện bên phía Việt Nam với hai trường đại học này. Nhóm Việt Nam thực hiện việc đánh giá khả năng chịu hạn của các mẫu giống lúa, sử dụng mồi trong phản ứng PCR nhận diện gene ứng viên trong bộ vật liệu. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng phối hợp thực hiện với trường Đại học Cornell (Mỹ) trong việc giải trình tự GBS.

Cần nói rằng, đây là một nghiên cứu cơ bản, sử dụng công nghệ mới (công nghệ GWAS) để xác định QTL/gene kiểm soát tính trạng mục tiêu. Ngay cả việc xác định QTL/ gene kiểm soát khả năng chuyển hóa đường trong rơm rạ cũng là vấn đề nghiên cứu mới ở cả Việt Nam và thế giới. Vì vậy, trong quá trình triển khai nhiệm vụ nhóm thực hiện ở cả Việt Nam và Anh luôn trao đổi để đưa ra những thay đổi hoặc điều chỉnh công việc/ thí nghiệm cho phù hợp, có tính khả thi cao nhất. Ví dụ chúng tôi phải tăng số lần thí nghiệm, tăng lượng mẫu, tăng thế hệ phân tích di truyền, thay hóa chất này bằng hóa chất khác...Sự thay đổi này là khó đối với Việt Nam vì mọi hoạt động/ thí nghiệm đã được xây dựng trong thuyết minh, nếu muốn điều chỉnh thủ tục rất phức tạp, mất nhiều thời gian, trong khi việc lại rất dễ dàng với phía đối tác nước ngoài. Đây cũng là trở ngại chung trong nghiên cứu cơ bản hiện nay cũng như trong việc phối hợp nghiên cứu với đối tác nước ngoài.

Ngoài ra, do là nghiên cứu cơ bản nên việc kết quả đưa ra không theo dự kiến cũng khiến cho việc nghiệm thu kết thúc nhiệm vụ bên phía Việt Nam gặp nhiều thách thức.

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. Chúng tôi dự kiến sẽ tiếp tục dựa trên nền tảng này để thực hiện hai nghiên cứu tiếp theo.

Một là, kế thừa bộ vật liệu 170 mẫu giống lúa đã được giải GBS trong nhiệm vụ này để GWAS xác định các QTL/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.

Hai là, sử dụng nguồn gene lúa của nhiệm vụ này làm vật liệu lai tạo giống lúa mới có năng suất cao, khả năng chịu hạn tốt đồng thời cho rơm rạ có chất lượng tốt phù hợp cho chế biến thức ăn chăn nuôi (trâu, bò) thích ứng với biến đổi khí hậu.