Gen chịu ngập

LÚA NƯỚC SÂU :
KHÁM PHÁ
GEN MỚI CHỊU NƯỚC NGẬP

Ngày 20-8-2009, một Nhóm nghiên cứu Nhựt Bổn do Giáo Sư Motoyuki Ashikari dẫn đầu tại Trung Tâm Khoa Học Sinh Học và Công Nghệ Sinh Học (Bioscience and Biotechnology Center), Đại Học Nagoya tuyên bố tìm được 2 gien mới 'SNORKEL1' và 'SNORKEL2' có thể làm cho cây lúa chịu đựng ngập lụt lâu dài, giúp cây lúa sống với lũ và giảm bớt thất thoát lúa gạo trong mùa mưa.

Ngành nông nghiệp không tưới tiêu hay canh tác nước trời luôn có năng suất thấp, bất định với nhiều rủi ro, nên thường phải đối diện với hai trở ngại thiên nhiên lớn, đó là ngập lụt và hạn hán. Tình trạng này kéo dài qua nhiều niên kỷ do thiếu phát triển hệ thống thủy lợi và kỹ thuật thích ứng, làm cho nông dân ở vùng xa ngày càng nghèo khó, mức độ thất học gia tăng, môi trường thoái hóa, xa cách văn minh hiện đại và luôn phải đối phó với khắc nghiệt thiên nhiên để sinh tồn. Hàng vạn nông dân trồng loại lúa này, mà đa số là những người nghèo, thiếu vốn liếng để canh tác. Hơn 30% diện tích trồng lúa ở Châu Á và 40% diện tích lúa ở Châu Phi còn tùy thuộc vào nước trời, bị ảnh hưởng nặng nề do mực nước lên xuống bất thường gây ra. Cuộc Cách Mạng Xanh vừa qua đã bỏ quên các nông dân trồng lúa không tưới tiêu, nhứt là nông dân trồng lúa rẫy, lúa nước sâu, lúa thật sâu (lúa nổi) và lúa thủy triều. Lúa gạo là thức ăn căn bản của 3 tỉ người hay phân nửa dân số thế giới.

Hiện nay, hệ trồng lúa nước trời chưa được cải thiện và phát triển đúng mức, đang mở rộng cánh cửa cho các sáng kiến về thay đổi cơ cấu trồng trọt nhằm cải tiến năng suất và hiệu năng sản xuất của nông dân nghèo. Các hệ thống nông nghiệp hỗn hợp, kết hợp canh tác lúa với các ngành chăn nuôi gia súc, cá tôm, các hoa màu khác, hoặc cây sản xuất gỗ và năng lượng... có thể giúp nhà nông tăng thêm lợi tức gia đình. Các công trình máy bơm nước, đào giếng với sự yễm trợ tích cực của nhà nước có thể giúp nông dân tăng sản xuất gấp hai, ba lần mức độ hiện tại. Dù thế, nhiều vùng trồng lúa trong nước còn phụ thuộc một phần hay hoàn toàn vào điều kiện thiên nhiên vào mùa mưa, còn chiếm gần 30% diện tích trồng lúa cả nước, hay khoảng gần 2 triệu ha. Năng suất bình quân độ 3-4 t/ha trong khi lúa cao năng tưới tiêu 6-7 t/ha. Đó là hệ thống canh tác lúa mùa hoặc hè-thu không được tưới tiêu trong mùa mưa hoặc có hệ tưới tiêu đang yếu kém hay bị suy thoái. Các kỹ thuật canh tác truyền thống và các giống lúa hiện có không giúp được nhiều cho nông dân khi đồng ruộng bị ngập lụt lâu dài, có nơi mực nước lên cao hơn 1 m hoặc những trận mưa to mang ngập lụt đến nhiều tuần lễ. Các chuyên gia và người trồng lúa đang trông đợi từng ngày các tiến bộ của ngành công nghệ sinh học để tìm lối thoát hoặc giải pháp thích ứng cho các khó khăn thiên nhiên bất trị này.

Cây lúa là loài thảo mộc có khả năng sinh tồn trong nhiều hệ sinh thái khác nhau. Ngoài hệ lúa tưới tiêu, còn có những vùng trồng lúa nhờ vào nước trời, ít tốn kém nhưng năng suất thấp. Lúa nước ngập không tưới tiêu thường được canh tác dưới 3 hình thức:

-          Lúa nước cạn: Gồm có lúa ruộng cạn (5-25 cm), ruộng vừa và sâu (25-50 cm), thường bị khô hạn hoặc ngập nước khi mưa to.

-          Lúa thủy triều: Gồm lúa nước ngọt, mặn, phèn và than bùn, chịu ảnh hưởng thủy triều hàng ngày.

-          Lúa nước sâu: Gồm ba loại lúa ruộng cạn (25-50 cm), ruộng sâu (50-100 cm) và thật sâu hay lúa nổi (>100 cm).

Những vùng đất này thường bị ảnh hưởng ngập lụt bất thường trong nhiều ngày sau những trận mưa lớn ở địa phương hoặc từ các nơi xa, giúp những thửa ruộng có thêm chất phù sa, nhưng cây lúa bị ngập nước có nhiều lá dính đầy bùn dơ, khó hồi phục và phát triển yếu. Do đó, cây lúa có thể sinh tồn và mức độ sản xuất tùy theo tuổi lúa lúc bắt đầu ngập lụt, mực nước dâng lên và thời gian bị lụt. Hầu hết các giống lúa có thể sinh tồn khi bị ngập lụt trong 3-4 ngày và một số giống chịu được nước sâu có thể sống đến 12 ngày nhờ cấu trúc đặc biệt cây lúa. Lúa nước sâu có thể được gieo thẳng hoặc cấy, vượt lóng 2-3 cm mỗi ngày khi nước tiếp tục dâng cao. Thời gian ngập lụt cho vụ lúa xảy ra vào mùa mưa từ tháng 6 đến 11. Lúa nước sâu dưới 1 m thường cho năng suất cao hơn lúa thật sâu hay lúa nổi trên 1 m, và có thể đạt đến 4-5 t/ha với khí hậu thuận hòa. Quản lý thủy lợi là vấn đề khó khăn lớn nhứt cho hệ canh tác lúa nước trời này. 

Ở Miền Nam, vùng đất trũng sâu như Đồng Tháp Mười và khu Tứ Giác Long Xuyên mới được khai thác vào đầu thế kỷ 20 sau khi người Pháp tìm được một số giống lúa chịu đựng được nước dâng cao từ Cao Miên và Thái Lan. Trước năm 1975, diện tích trồng lúa nổi ở Miền Nam chiếm khoảng 600.000 ha. Sự phát triển hệ thống tưới tiêu đã làm thay đổi phần lớn cơ cấu trồng lúa của vùng đất này ở ĐBSCL - biến đổi từ một vụ lúa nổi với năng suất thấp (2-3 t/ha) thành 2 vụ lúa cao năng (5-6 t/ha) mỗi năm. Tuy nhiên, sản xuất lúa của hệ sinh thái này thường bị lũ lụt đe dọa phá hại hàng năm. Cây lúa nổi thích ứng với mực nước dâng cao bằng cách vượt lóng, có lúc đến 20 cm mỗi ngày để tiếp xúc với làn khí bên ngoài. Do đó, cây lúa nổi có thể cao đến 5-6 m. Sự vượt lóng này là do tác động của chất kích thích tố gibberallic acid sinh ra khi cây lúa bị ngập nước. 

            Về phương diện sinh lý, khi bị ngập nước, cây lúa có khả năng phát triển hệ thống vận chuyển khí trong cấu trúc thân rổng của mình để tiếp xúc với không khí bên ngoài cho sinh tồn. Phản ứng đó là do tích tụ các chất kích thích tố như ethylene, gibberellin and abscisic acid chi phối, nhưng từ lâu các nhà nghiên cứu vẫn chưa tìm ra các gien điều khiển hiện tượng này.

Cũng cần nhắc lại vào thập niên 1970-80s, một nhóm nghiên cứu của IRRI do Tiến Sỹ Ben Jackson hướng dẫn làm việc tại Thái Lan để cải thiện sản xuất lúa thật sâu (lúa nổi). Sau hơn một thập niên làm việc, dự án này chấm dứt với kết quả thành tựu không được đánh giá cao. Lần lượt các trung tâm nghiên cứu lúa nước sâu cấp vùng trên thế giới bị đóng cửa ở Thái Lan, Bangladesh, Mopti trong xứ Mali, Tây Phi Châu thuộc Hiệp Hội Phát Triển Lúa Tây Phi (WARDA).

            Dù triển vọng không nhiều lắm, các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu, nhưng với mức độ thấp hơn. Vào năm 1996, Tiến Sỹ David Mackill, Trưởng ngành Lai Giống, Di Truyền và Công Nghệ Sinh Học của Viện Lúa IRRI tại Philippines cùng sinh viên hậu Đại học Xu Kenong đã tuyên bố tìm thấy gien Sub 1A chịu đựng ngập lụt hơn 2 tuần lễ. Gien này đã được một số nước dùng trong chương trình lai tạo giống lúa có khả năng chịu đựng nước ngập sâu.

Với đà tiến bộ kỹ thuật hiện nay, nhứt là thành tựu to lớn của các dự án thiết lập bản đồ genome lúa trong 2001, ngành công nghệ sinh học trở nên chìa khóa căn bản để giải quyết các vấn đề khó khăn thiên nhiên và có thể giúp cho các cuộc nghiên cứu trong lãnh vực này được dễ dàng hơn trước.

            Nhờ đó, Nhóm nghiên cứu Nhựt Bổn đã khám phá được 2 gien mới 'SNORKEL1' và 'SNORKEL2' giúp cây lúa chịu đựng lâu dài hơn trong điều kiện ngập nước sâu. GS Ashikari còn cho biết hai gien này hoàn toàn mới lạ, chưa từng biết đến trong quá khứ và có thể chịu đựng nước ngập sâu lâu dài hơn gien Sub 1A của IRRI. Nhóm nghiên cứu tìm thấy 2 gien mới trên loại lúa Japonica hạt dẽo, nên họ đang thử nghiệm với giống lúa hạt dài Indica có thể trồng tại các nước Đông Nam Á như Việt Nam, Thái Lan, Myanmar, Bangladesh và Cambodia trong vòng 3-4 năm tới.

            Theo nhóm nghiên cứu nêu trên, trong điều kiện ngập nước, chất khí ethylene tích tụ trong cây lúa và khiến cho hai gien SNORKEL1 và SNORKEL2 hoạt động mạnh, nhờ đó hai gien này kích thích cây lúa vượt lóng với chất kích thích tố gibberellin. Đây là bằng chứng cho thấy năng lực sinh học thảo mộc có thể thích ứng với môi trường khắc nghiệt. Điều khích lệ hơn nữa, khi các nhà khảo cứu trên đưa 2 gien này vào cây lúa truyền thống không chịu nước sâu thì chúng trở nên cây lúa chịu được nước sâu.

Vấn đề được nêu ra hiện nay là cây lúa với 2 gien mới có thể nào vừa làm cho cây lúa sinh tồn lâu dài trong điều kiện ngập nước sâu vừa hòa hợp với các gien có tiềm năng cho năng suất cao và chất lượng có thể chấp nhập được. Bởi vì trong quá khứ, khi làm công tác tuyển chọn giống cao năng các nhà lai tạo thường làm mất đi các gien chịu nước ngập, hoặc ngược lại. Ở đây có sự xung đột giữa hiện tượng sinh lý học và di truyền học liên quan khả năng sinh tồn và tăng sản xuất? Liệu cây lúa nước sâu trên 1 m có thể cho năng suất 4-5 t/ha? Chúng ta hãy chờ xem. Tuy nhiên, sự khám phá 2 gien mới này sẽ giúp cải tiến năng suất rất nhiều cho những vùng có hệ thống tưới tiêu kém hoặc những vùng nước cạn và nước sâu dưới 1 m khi bị úng thủy bất thường do các trận mưa to hoặc lũ lụt gây ra. Nhờ đó, giới nông dân nghèo trồng lúa nước trời sẽ giảm bớt phần nào mất mát thóc gạo do thiên tai hoành hành trong mỗi mùa mưa nhiệt đới.

Trần Văn Đạt, Ph. D.

2009

Tài LiỆu Tham KhẢo:

1. Eric Talmadge. 2009. Scientists develop high-yield deep water rice
2. (AP) – Aug 19, 2009
3. Yoko Hattori, Keisuke Nagai, Shizuka Furukawa, Xian-Jun Song, Ritsuko Kawano, Hitoshi Sakakibara, Jianzhong Wu, Takashi Matsumoto, Atsushi Yoshimura, Hidemi Kitano, Makoto Matsuoka, Hitoshi Mori & Motoyuki Ashikari. 2009. The ethylene response factors SNORKEL1 and SNORKEL2 allow rice to adapt to deep water. Nature 460, 1026-1030 (20 August 2009).