NewYork Paris Hà Nội Khách thứ :

NIỀM TIN TƯƠNG LAI

     

Công nghệ sinh học thực vật, một công nghệ then chốt trong thế kỷ 21

Mặc dù việc sử dụng một khối lượng lớn nhiên liệu hoá thạch giúp chúng ta có được đời sống tiện nghi và hạnh phúc nhưng cũng dẫn đến sự trả giá đắc như hiện tượng ấm lên toàn cầu, sự ô nhiễm và hủy hoại môi trường. Người ta tính toán cần hơn một trăm triệu năm để trái đất tích trữ được nguồn nhiên liệu hoá thạch hiện tại, và chắc chắn rằng trái đất sẽ bị xáo trộn nếu chúng ta làm cạn kiệt nguồn nhiên liệu này trong vòng một đến hai thế kỷ. Năng lượng mặt trời cung cấp cho tất cả sự sống trên trái đất, và các thực vật có thể sử dụng nguồn năng lượng này. Hàng năm, sinh khối thực vật tạo ra năng lượng nhiều hơn tám lần năng lượng chúng ta tiêu thụ toàn cầu. Do đó, nếu chúng ta có thể khai thác 12% lượng sinh khối này cho sự sản xuất năng lượng và nguyên liệu công nghiệp thay cho năng lượng hoá thạch, chúng ta sẽ xây dựng được một thế giới ổn định. Công nghệ sinh học thực vật đang phát triển một cách nhanh chóng, và việc nghiên cứu sản xuất nhiên liệu và chất dẻo từ sinh khối thực vật hiện đang được thực hiện.

Sự ấm lên toàn cầu

Svante A. Arrhenius (1859–1927) (nhà khoa học nổi tiếng người Thụy Điển, được trao giải Nobel Hóa học lần thứ 3) đã từng gởi đến Hội nghị Vật lý Stockholm (12/1985) bài diễn thuyết với tiêu đề “Ảnh hưởng của cacbon dioxit trong không khí lên nhiệt độ của mặt đất”. Và một năm sau (1986), ông cũng đã cho đăng một bài với chủ đề tương tự trên tạp chí triết học và tập san khoa học. Với mức tiêu thụ than đá toàn cầu vào năm 1985 là 5 triệu tấn và CO2 khí quyển tăng 0,1% mỗi năm, dựa trên các thử nghiệm chi tiết, Arrhenius dự đoán rằng nếu thế giới vẫn tiếp tục sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sự ấm lên toàn cầu sẽ trở nên nghiêm trọng. Đến năm 2004, mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch đã lên đến mức tương đương 80 triệu tấn than đá mỗi năm. Và hiện nay người ta nhận thấy rằng những điều mà nhà khoa học này đã cảnh báo là hoàn toàn chính xác.

Năng lượng có thể phục hồi

Vấn đề quan trọng là chúng ta phải có giải pháp để thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch bằng nguồn năng lượng có thể phục hồi. Năng lượng sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch toàn cầu trong năm 2004 là 12 terawatts (TW). Trong khi đó, mặt trời - nguồn năng lượng có khả năng phục hồi lớn nhất, có thể cung cấp cho chúng ta lên đến 100 ngàn TW. Đứng thứ hai sau mặt trời là sinh khối thực vật, nơi có thể cung cấp tối đa 100 TW. Các nguồn năng lượng khác như địa nhiệt, gió, thủy triều, năng lượng thủy điện thường không lớn. Mặc dù năng lượng mặt trời phong phú nhưng các công nghệ hiện đang dùng cho việc chuyển hóa nó thành nguồn năng lượng có thể sử dụng thì kém hiệu quả. Do đó, nguồn năng lượng có triển vọng nhất vẫn là sinh khối thực vật. Với khoảng 100 TW được tạo ra từ sinh khối thực vật, trong đó 7 TW được dùng để tạo năng lượng như thực phẩm, thức ăn gia súc, gỗ, vải và bột giấy; 33 TW khác cần cho sự duy trì diện tích rừng của thế giới; 60 TW còn lại là sinh khối không được sử dụng. Tuy nhiên, các nguồn sinh khối tự nhiên như rừng nhiệt đới, các loại cỏ và lá rụng thường khó thu nhận. Còn lại, nguồn sinh khối từ nông nghiệp, rừng trồng và chăn nuôi tạo ra khoảng 7,6 TW.

Sự gia tăng sản xuất sinh khối thực vật

Dân số thế giới sẽ lên đến 9 tỉ người vào năm 2050. Sự tăng trưởng kinh tế của các nước đang phát triển sẽ cần ngày càng nhiều năng lượng. Do đó, vào năm 2050, chúng ta cần sản xuất năng lượng nhiều hơn ít nhất 1,5 lần hiện nay, và sinh khối thực vật, như chúng ta hiện có, theo lý thuyết có thể sản xuất ra nhiều hơn 3 lần năng lượng hiện tại. Chiến lược cho sự gia tăng sản xuất sinh khối thực vật bao gồm: Tăng diện tích đất nông nghiệp; tăng sản xuất trên mỗi đơn vị diện tích đất; và tạo giống thực vật. Hiện tại, đất nông nghiệp trên thế giới đang giảm do hạn hán và nhiễm mặn. Sản lượng trên mỗi đơn vị diện tích đã đạt đến mức tối đa ở các nước phát triển với việc sử dụng rộng rãi công nghệ tưới, phân hóa học, thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ. Một khả năng còn lại là sử dụng kỹ thuật tái tổ hợp DNA để tạo ra các loại thực vật tăng trưởng mạnh và kháng tress.

Năng suất của các loại cây trồng giảm mạnh do nhiều điều kiện bất lợi của môi trường như sự nhiễm vi khuẩn, virus, các loại côn trùng, sự nhiễm mặn, khô hạn, nhiệt độ cao, … Ngay ở Mỹ, sản lượng nông nghiệp giảm hơn ¼ so với tối đa theo lý thuyết. Ngày nay, các loại cây trồng kháng virus, côn trùng hay kháng thuốc trừ cỏ đã được tạo ra bằng việc áp dụng các gen đơn, đã mang lại những cải thiện quan trọng trong năng suất. Nhiều loại gen kháng stress đã được cô lập; cơ chế về sự kháng của chúng cũng đã được làm sáng tỏ (chủ yếu ở Arabidopsis thaliana). Các gen cải thiện sự tăng trưởng của thực vật trong môi trường axit hoặc kiềm và đất nhiễm mặn đã được cô lập. Người ta dự đoán rằng năng suất thực vật có thể gia tăng nhiều lần bằng cách tạo ra sự kháng stress đa yếu tố. Yokota A đã thành công trong việc làm tăng sự cố định CO2 ở thuốc lá bằng cách đưa một gen chìa khóa vào chu trình cacbon của lục lạp. Tamaki và cộng sự viên đã đưa một gen chịu trách nhiệm cho sự sản xuất florigen (một hormone thực vật có vai trò điều khiển sự ra hoa) vào lúa, kết quả đã làm giảm giai đoạn ra hoa đến 60% so với loài hoang dại. Người ta cho rằng gen này có thể rút ngắn giai đoạn tạo hạt và trái, do đó làm tăng số vụ thu hoạch mỗi năm trong một đơn vị diện tích đất nông nghiệp.

Kỹ thuật tái tổ hợp DNA có tiềm năng không chỉ với việc giảm sự thất thoát sản lượng do các điều kiện bất lợi của môi trường mà còn làm tăng đến mức tối đa năng suất của thực vật.

Ngành khoa học thực vật và công nghệ sinh học thực vật

Hiện tại, khoa học thực vật nghiên cứu chủ yếu với các cây mô hình, bao gồm Arabidopsis, thuốc lá và lúa. Nhiều gen quan trọng bao gồm các nhân tố phiên mã và các yếu tố điều hòa đã được cô lập trong những loài này. Những kết quả này cần được áp dụng cho các cây trồng hữu ích trong nông nghiệp. Kỹ thuật quan trọng nhất trong công nghệ sinh học thực vật là thiết lập được một hệ thống chuyển gen cho các cây trồng hữu ích này để cho phép áp dụng các nghiên cứu cơ bản từ các cây mô hình. Hiện tại vẫn chưa có hệ thống chuyển gen phổ quát được thiết lập. Các thực vật biến đổi di truyền có chất lượng cao sẽ kháng với nhiều loại stress và cũng chứa một con đường trao đổi chất mới; do đó nhiều yếu tố phiên mã và dịch mã phải được gắn vào mỗi gen. Để thuận tiện cho việc xây dựng các vectơ chứa nhiều đoạn gen đa chức năng, một loại robot gắn gen invitro đã được thiết kế. Robot này cho phép xây dựng một véc tơ chứa 30 gen trong chỉ vài ngày. Một kỹ thuật khác cần cho sự áp dụng nghiên cứu cơ bản vào công nghệ sinh học thực vật là kiểm soát sự biểu hiện gen. Nhiều nhân tố điều khiển sự biểu hiện gen, bao gồm các promoter, terminator, enhancer dịch mã và các nucleotit tối ưu quanh codon khởi đầu đã được cô lập. Sự kết hợp các yếu tố này có thể cung cấp một hệ thống biểu hiện gen tối ưu.

Người ta tin rằng sinh khối thực vật là một nguồn năng lượng chủ yếu có thể thay thế cho năng lượng hóa thạch; và hy vọng sự phát triển đồng thời của khoa học thực vật cơ bản và công nghệ sinh học thực vật sẽ đóng vai trò chủ đạo để thiết lập một thế giới ổn định trong một tương lai không xa.

Nguyễn Xuân Dũng

( Plant Biotechnology )