Khi biến đổi khí hậu đe dọa từng hạt gạo
21/05/26
Gạo nuôi sống 1/2 dân số thế giới, nhưng biến đổi khí hậu đe dọa đảo ngược nhiều thập niên tăng năng suất. Sau Cách mạng Xanh từng giúp châu Á thoát nạn đói, thế giới có thể cần cuộc cách mạng mới – lần này dựa vào công nghệ sinh học, chỉnh sửa gene và những giống lúa có thể chịu hạn, chống ngập, kháng sâu bệnh và cho nhiều hạt hơn.
Di sản của Cách mạng Xanh
Thập niên 1950, Mexico là nơi khởi đầu của Cách mạng Xanh đầu tiên. Nhân vật trung tâm là Norman Borlaug, nhà nông học Mỹ có xuất phát điểm khá bất ngờ. Ông học lâm nghiệp, bệnh học thực vật, từng làm ở DuPont trong Thế chiến II và gần như chưa có kinh nghiệm với lúa mì trước khi sang Mexico để lai tạo giống lúa mì mới.
Tuy nhiên, chính tại đây, Borlaug và nhóm nhỏ của ông đã làm điều phi thường. Khi nhiều nhà lai tạo chỉ thực hiện dưới 200 phép lai mỗi năm, nhóm của Borlaug lai hàng nghìn dòng lúa mì. Giai đoạn 1944 – 1963, nhờ hỗ trợ của Quỹ Rockefeller và Ford, năng suất lúa mì Mexico tăng gấp 6 lần. Mexico từ nước nhập khẩu lúa mì trở thành nước xuất khẩu ròng. Năm 1970, Borlaug nhận giải Nobel Hòa bình.
Câu chuyện ấy nổi tiếng; song, phần tiếp theo ít được biết hơn: sau lúa mì, các quỹ này chuyển trọng tâm sang gạo.
Gạo và cuộc cách mạng âm thầm ở châu Á
Năm 1960, Quỹ Rockefeller và Ford lập Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc tế, gọi tắt là IRRI, tại Philippines. Mục tiêu rất rõ: cải thiện cây lúa, lương thực chính của khoảng một nửa dân số thế giới.
Từ năm 1960 – 2020, năng suất gạo toàn cầu tăng khoảng 250%, một phần nhờ các kỹ thuật lai tạo giống mà các nhà khoa học tại IRRI phát triển. Hai thập niên gần đây, viện đã tạo ra những giống lúa có thể chống sâu bệnh, sống sót sau lũ và chịu hạn tốt hơn.
Phần lớn thành tựu vẫn dựa vào lai tạo truyền thống: cho hai cây lai với nhau, chọn thế hệ con có đặc điểm mong muốn, rồi lặp lại nhiều lần. Cách này hiệu quả, nhưng chậm và tốn công. Muốn tìm một giống lúa có đặc tính lý tưởng, nhà khoa học phải lai hàng nghìn cây và chờ nhiều tháng để xem kết quả.
Nếu khí hậu thế giới ổn định, cách làm này có thể đủ. Tuy nhiên, thế giới hiện nay không còn chờ đợi.
Biến đổi khí hậu đe dọa bát cơm toàn cầu
Khoảng 90% gạo thế giới được trồng ở châu Á. Đây cũng là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh từ biến đổi khí hậu: nhiệt độ tăng, mưa thất thường, hạn hán, lũ lụt và xâm nhập mặn.
Các nghiên cứu cho thấy năng suất gạo có thể giảm tới 19% vào cuối thế kỷ này. Đông Nam Á và châu Phi hạ Sahara, hai khu vực phụ thuộc nhiều vào gạo, hiện có hơn 1/2 người thiếu dinh dưỡng. Vì vậy, ngay cả mức giảm nhỏ trong sản lượng cũng có thể tạo ra hậu quả lớn với an ninh lương thực.
Những biện pháp quen thuộc như quản lý nước tốt hơn, dùng phân bón hiệu quả hơn hay mở rộng canh tác có thể không theo kịp tốc độ thay đổi của khí hậu. Nếu muốn duy trì tăng năng suất, thế giới cần công cụ mạnh hơn. Đây là lúc công nghệ sinh học bước vào.
Chỉnh sửa gene có thể làm gì với cây lúa?
Ngày nay, các nhà khoa học có thể chỉnh sửa gene để tạo ra cây lúa chịu ngập, chịu hạn, chống mặn, hấp thụ phân bón tốt hơn, ra hoa nhanh hoặc tạo hạt lớn và nhiều hơn.
Công cụ nổi bật nhất là CRISPR, hệ thống cho phép cắt và chỉnh DNA tại vị trí khá chính xác. Về nguyên lý, hệ thống cần hai thành phần: protein cắt DNA và một đoạn RNA dẫn đường, giúp protein tìm đúng vị trí trong bộ gene. Khi DNA bị cắt, nhà khoa học có thể vô hiệu hóa một gene, sửa một ký tự di truyền hoặc thêm vật liệu di truyền mới.
Tại thí nghiệm, các nhà nghiên cứu chỉnh sửa 46 vị trí DNA trong cây lúa cùng lúc. Thí nghiệm khác tại Trung Quốc, nhóm nghiên cứu chỉnh các tổ hợp ngẫu nhiên của 7 gene và kiểm tra hơn 150 cây con. Khi các gene số 1, 4 và 6 cùng bị chỉnh sửa, cây lúa cho sản lượng hạt cao hơn 31% so với giống hoang dại.
Những kết quả cho thấy tiềm năng rất lớn. Tuy nhiên, từ phòng thí nghiệm đến cánh đồng vẫn còn quãng đường dài.
Vấn đề lớn: ta chưa hiểu đủ về gene của cây lúa
Công nghệ chỉnh sửa gene đã tiến rất nhanh; song, hiểu biết cơ bản về cây trồng chưa theo kịp. Muốn chỉnh gene, trước hết phải biết nên chỉnh gene nào; đây mới là phần khó nhất.
Bộ gene của lúa có khoảng 430 triệu “chữ cái” DNA và khoảng 39.000 gene. Phần lớn trong số này chưa rõ chức năng. Ngay cả những đặc tính quan trọng như chịu hạn hay chịu ngập cũng thường không do một gene duy nhất quyết định, mà liên quan đến nhiều vùng gene, nhiều cơ chế điều hòa và cả môi trường nơi cây được trồng.
Ấn Độ có hơn 6.000 giống lúa, nhưng phần lớn chưa được giải trình tự gene. Trên toàn bộ giới thực vật, chỉ khoảng 1 trong 625 loài có bộ gene được giải trình tự. May mắn là lúa tương đối dễ nghiên cứu hơn nhiều cây khác: có bộ gene nhỏ hơn và là cây lương thực lớn đầu tiên được giải trình tự vào năm 2005.
Đến năm 2019, hơn 3.000 giống lúa từ 89 quốc gia được thu thập, giải trình tự và đưa vào cơ sở dữ liệu công khai. Đây là nền tảng quan trọng, nhưng chưa đủ. Có trình tự DNA mới chỉ là có bản đồ chữ cái; hiểu bản đồ ấy vận hành thế nào lại là câu chuyện khác.
Thí nghiệm trên cây quá chậm
Rào cản khác là thời gian. Với vi khuẩn, thí nghiệm chỉnh gene có thể hoàn tất trong một ngày. Với lúa, sau khi chỉnh gene, nhà khoa học phải tái sinh cây từ một cụm tế bào nhỏ. Quá trình này thường mất ít nhất 3 – 4 tháng.
Việc đưa công cụ chỉnh gene vào tế bào cây cũng không dễ. Các nhà khoa học thường dùng vi khuẩn Agrobacterium như “người vận chuyển” DNA, hoặc dùng súng bắn gene để bắn hạt vàng siêu nhỏ phủ vật liệu di truyền vào tế bào. Cả hai cách đều phức tạp, tốn thời gian và có hiệu suất không ổn định.
Nói cách khác, mỗi vòng thử nghiệm cây trồng hiện vẫn quá dài. Lúc khí hậu thay đổi nhanh, khoa học thực vật lại di chuyển chậm hơn mức cần thiết.
Rào cản pháp lý và nỗi sợ GMO
Ngay cả khi tạo được giống lúa tốt, việc đưa ra đồng ruộng cũng có thể mất nhiều năm. Vài nơi mất hơn một thập niên để phê duyệt cây chỉnh sửa gene. Phản ứng chống công nghệ sinh học cũng rất mạnh.
Năm 2013, khu thử nghiệm Golden Rice, Philippines – giống gạo được thiết kế để chứa beta-carotene, chất giúp phòng mù lòa do thiếu vitamin A – bị các nhà hoạt động phá hủy.
Các nước như Mỹ, Argentina, Canada và Philippines quản lý cây trồng theo sản phẩm cuối cùng: nếu giống cây cuối cùng có thể tương tự giống được tạo ra bằng lai tạo truyền thống, quy định sẽ nhẹ hơn. Australia và Ấn Độ cũng xem nhiều chỉnh sửa nhỏ trong gene gần như cây bình thường.
Ngược lại, New Zealand và phần lớn châu Âu quản lý theo quy trình. Nếu CRISPR được dùng để sửa dù chỉ một ký tự DNA, cây vẫn có thể bị xem là GMO và chịu kiểm định rất nặng. Điều này khiến nhiều giống cây tiềm năng không bao giờ ra khỏi phòng thí nghiệm, vì chi phí thử nghiệm, cấp phép và thương mại hóa quá cao.
Cách mạng Xanh thứ hai sẽ khác
Cách mạng Xanh của Borlaug dựa vào lao động bền bỉ: con người cẩn thận chuyển phấn hoa từ cây này sang cây khác, lai hàng nghìn giống và chọn lọc qua nhiều mùa vụ. Cách mạng Xanh thứ hai, nếu xảy ra, sẽ dựa vào dữ liệu gene, CRISPR, sinh học phân tử và những hệ thống thử nghiệm nhanh hơn.
Điều này không đồng nghĩa công nghệ sinh học là phép màu. Thế giới vẫn cần quản lý nước, đất, phân bón, thị trường nông sản và hỗ trợ nông dân. Tuy nhiên, nếu không dùng các công cụ di truyền hiện đại, nhân loại có thể chậm hơn khí hậu.
Gạo không chỉ là loại cây trồng. Với hàng tỷ người, đây là bữa ăn hằng ngày, là thu nhập của nông hộ, là ổn định xã hội và là an ninh quốc gia. Mỗi hạt gạo vì thế là một phần của cuộc đua giữa khoa học và biến đổi khí hậu.
Công nghệ sinh học trao cho thế giới cơ hội hiếm có để giúp nông dân trước cú sốc khí hậu. Câu hỏi là chúng ta có đủ đầu tư, đủ can đảm chính sách và đủ niềm tin vào khoa học để không lãng phí cơ hội ấy hay không.
shared via wip,
