Gen chịu mặn và nông nghiệp nước muối

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này tiến hành tìm hiểu về gen chịu mặn; tìm kiếm gen chịu mặn từ cây hoang dã; nông nghiệp nước muối. Từ các kết quả nghiên cứu này để phát triển hệ gen mới ứng dụng vào nông nghiệp Việt Nam hiện nay. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Gen chịu mặn và nông nghiệp nước muối

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