Sinh vật biến đổ gen - Phần V
SINH VẬT BIẾN-ĐỔI-GEN
Trần-Đăng Hồng, PhD
Phần V: CÂY HOA MÀU BIẾN-ĐỔI-GEN
Cho tới nay thành tựu khoa học tạo ra giống cây biến-đổi-gen khá nhiều, được canh tác quy mô, mặc dầu có nhiều tranh cải, chống đối hay bị luật pháp ngăn cấm.
Ở đa số các loại cây hoa màu biến-đổi-gen, các nhà khoa học chuyển vào hệ-gen những gen mới lấy từ vi-khuẩn, loài cây cùng loài hay khác loài, động vật, hay cả từ con người, mỗi gen mới biểu hiện những đặc tính mong muốn mới, có lợi cho nông dân như kháng sâu bọ, kháng thuốc diệt cỏ, kháng nước mặn, kháng phèn, kháng khô hạn, kháng giá băng (như cho cà chua, trái cây), cải thiện phẩm chất, v.v. làm thực phẩm cho người, cho gia súc, cho kỹ nghệ hay cho ngành y dược, v.v. Chẳng hạn, cây hạt cải dầu (oil seed rape, canola) chứa nhiều thành dầu tốt cho sức khỏe con người, gạo giàu chất dinh dưỡng như các vitamin (như Golden rice), hay khoai lang khoai mì giàu protein cho trẻ em thiếu dinh dưỡng trên thế giới. Sau đây là vài ví dụ tiêu biểu của cây chuyển-gen quan trọng.
CÀ CHUA
Cà chua Flavr Savr™. Là cây chuyển-gen đầu tiên được thực hiện bởi công ty Calgene (Hoa Kỳ) và được thương mại trên thị trường Mỹ năm 1994. Trái cà chua chín thường dễ bị mềm nhũn rồi thối úng, lý do là trong trái có enzyme PG (polygalacturonage) làm thoái biến chất pectin của màng tế bào, làm trái mềm nhũn và dễ bị hư thối do nhiễm nấm mốc. Thông thường, trái cà chua già vừa chớm đổi màu được hái rồi dùng khí ethylene (khí đá) để vú ép chín nhân tạo, trái có màu đỏ tươi đẹp nhưng vẫn còn cứng. Công ty Calgene xử dụng vi khuẩn Agrobaterium để chuyển đoạn gen T-DNA có chứa phiên bảng antisense-PG để làm thoái biến việc sản xuất enzyme PG là nguyên nhân làm mềm nhũn trái cà chua chín. Antisene-PG không có sản xuất protein nào mới gây độc hại hay gây dị ứng. Nhờ vậy, nông dân có thể để trái chín tự nhiên trên cây, có màu sắc đẹp nhưng trái không mềm nhũn hay thối úng, kéo dài tuổi thọ của trái chín trên cây và trong quầy hàng trong siêu thị. Vì giá cả tương đối mắc, mùi vị không bằng cà chua thường nên thất bại trong thương trường. Cuối cùng Monsanto mua Calgene.
Cà chua làm puree (Tomato paste). Công ty Zeneca của Anh cũng xử dụng kỹ thuật tương tự như Cà chua Flavr Savr™ để sản xuất cà chua xay nhuyễn đóng hộp (puree). Nếu cà chua FlavrSavr thất bại trên thương trường ở Mỹ thì cà chua làm puree ở Anh lại thành công, giá rẻ hơn và mùi vị ngon hơn. Riêng năm 1997, các siêu thị ở Anh đã bán khoảng 1 triệu hộp puree (170 g/hộp) làm từ cà chua chuyển-gen.
BÔNG VẢI
Năng xuất và phẩm chất sợi bông vải bị hạn chế bởi vô số loại côn trùng cắn phá lá, thân, nhất là trái bông vải. Để giảm thiểu tác hại của sâu bọ, các nhà khoa học chuyển gen Bt của vi khuẩn Bacillus thuringiensis vào hệ-gen cây bông vải. Gen Bt sản xuất độc tố giết được sâu, ấu trùng của bọ và ruồi, nhưng vô hại với động vật khác. Ngày nay, bông vải chuyển-gen vừa kháng được côn trùng vừa kháng được thuốc diệt cỏ, chẳng hạn trên thị trường, giống Bollgard II kết hợp gen kháng sâu Bt với gen kháng thuốc diệt cỏ Roundup Ready Flex được canh tác khoảng 20.000 km2 ở Hoa Kỳ năm 2008. Các giống biến-đổi-gen này được trồng nhiều ở Ấn Độ, Hoa Kỳ, Trung quốc, Argentina, South Africa, Australia, Mexico và Columbia. Ở Hoa Kỳ, bông vải chuyển-gen chiếm 81–93% diện tích trồng bông vải. Tại Ấn độ, nhờ giống bông vải chuyển-gen, năng xuất tăng 75%, từ 300 kg / ha vào năm 2002 tăng lên 524 kg năm 2009.
BẮP
Công ty Mosanto dẫn đầu thế giới tạo giống bắp kháng sâu, đầu tiên với giống MON 809. Kế tiếp là bắp biến-đổi-gen MON 810 hay YieldGard với gen Bt 11 và Bt 176, gen tạo ra độc tố giết được sâu đục thân và đục trái bắp nhưng vô hại với động vật khác như cầm thú và người. Tiến thêm một bực là MON 863 kháng thêm sâu-đục-rễ bắp (corn rootworm) nhờ chuyển thêm gen Cry3Bb1 cũng từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis. Giống MON863 được phép canh tác ờ Australia, Canada, China, Âu châu, Japan, Mexico, New Zealand, Philippines, Russia, Singapore, South Korea, Taiwan, và Hoa Kỳ. Riêng ở Hoa Kỳ, giống bắp mới gọi chung là “Monsanto's triple-stack corn” kết hợp 3 yếu tố, gồm kháng thuốc diệt cỏ Roundup Ready, kháng sâu đục thân YieldGard Corn Borer và kháng sâu phá rễ YieldGard Rootworm. Ở Hoa kỳ, Monsanto's triple-trait corn được trồng khoảng 24.000 km2 năm 2006, gia tăng lên 130.000 km2 năm 2008, và ước lượng khoảng 230.000 km2 năm 2014–2015.
Bắp SmartStax là một sản phẩm hợp tác giữa Monsanto và Dow kết hợp nhiều đặc tính ưu hạng của mỗi công ty, gồm Yieldgard VT Triple (Monsanto), Herculex Xtra (Dow), RoundUp Ready 2 (Monsanto), và Liberty Link (Dow), vừa kháng được côn trùng ở trên thân cây, vừa kháng côn trùng ở trong đất, vừa kháng được nhiều loại thuốc diệt cỏ. Được như vậy, bắp SmartStax (và các hoa màu SmartStax khác như bông vải, đậu nành) có tới 8 gen được chuyển vào. Thông thường, các giống-biến-đổi-gen chỉ có 1 hay tối đa 3 gen được chuyển vào hệ-gen.
Giống bắp Enogen của công ty Syngenta được Hoa Kỳ cho phép thương mại trong mục đích sản xuất rượu ethanol cho nhiên liệu sinh học. Giống này có chứa một gen lấy từ vi khuẩn, gen này sản xuất một enzyme alpha amylase biến tinh bột bắp thành đường. Hạt bắp Enogen chứa sẳn alpha amylase nên trực tiếp biến đổi tinh bột thành đường, không cần thêm dung dịch amylase trong tiến trình sản xuất rượu ethanol.
ĐẬU NÀNH
Giống đậu nành GTS 40-3-2, còn mang tên Roundup Ready Soybean là một giống-biến-đổi gen đề kháng với thuốc diệt cỏ Roundup. Năm 2010, giống này chiếm 93% diện tích trồng đậu nành ở Hoa Kỳ. Ngoài việc gia tăng năng xuất, giống này còn trồng được trên đất nhiễm mặn.
Giống Mon 87705 còn mang tên Vistive Gold cũng do Monsanto tạo qua kỹ thuật biến-đổi-gen, ngoài đặc tính đề kháng thuốc diệt cỏ Roundup lấy từ gen CP4 EPSPS của vi khuẫn Agrobacterium, hạt đậu chứa ít dầu linolenic, nhưng chứa nhiều thành phần dầu oleic, hai thành phần này thích hợp cho dầu chiên và thực phẩm từ đậu nành được tồn trữ lâu hơn. Để tạo giống Mon 87705, các nhà khoa học Monsanto còn dùng biện pháp kềm chế hai gen FATB và FAD2 kiểm soát việc sản xuất acit béo trong hột đậu, qua đó oleic acit tăng lên gấp ba, từ 20% lên 70% của tổng số acit béo, đồng thời làm giảm thành phần linoleic acid, stearic acid và palmitic acid trong hột.
LÚA:
Lúa hạt-gạo-vàng (Golden rice) là một công trình nghiên cứu kéo dài 8 năm trong thập niên 1990s, thoạt tiên do GS Ingo Potrykus thuộc Học Viện Kỹ Thuật Liên Bang Thụy Sỉ (Swiss Federal Institute of Technology) hợp tác với GS Peter Beyer của University of Freiburg (Đức) thực hiện. Mục tiêu nghiên cứu là tạo một giống lúa mới chứa nhiều beta (β) carotene, chất tiền thân của Vitamin A, với mục đích nhân đạo cải thiện khẩu phần trẻ em thiếu dinh dưỡng trên thế giới mà khoảng 700 ngàn trẻ em chết hàng năm do thiếu vitamin A.
Cây lúa bình thường sản xuất được chất β carotene trong lá lúa, nhưng hạt lúa không sản xuất được sắc tố này. Muốn hạt lúa sản xuất được sắc tố này, các nhà khoa học cần phải đính vào hệ-di-truyền lúa 2 gen: psy (sản xuất sắc tố phytoene) lấy từ cây hoa huệ vàng (daffodil, Narcissus pseudonarcissus), và crtI lấy từ vi khuẩn Erwinia uredovora. Ở cây lúa được chuyển hai gen này sản xuất sắc tố lycopene và khi đến hột thì được phân hóa thành β carotene, làm hạt gạo có màu vàng.
Đầu tiên, giống lúa chuyển gen Golden Rice được mang tên SGR1, hạt gạo chứa 1,6 µg carotenoid/g gạo. Kế tiếp là giống SGR1 được lai theo phương pháp cổ điển với giống lúa địa phương Cocodrie của Mỹ và được thử nghiệm ngoài đồng năm 2004 ở Đại Học Louisiana State University. Kết quả cho thấy thành phần carotenoid tới 6,5 – 8,0 µg/g trong hạt gạo. Năm 2005, công ty Syngenta (của Thụy Sỉ) tạo ra giống “Golden Rice 2”, bằng cách đính vào hệ-gen lúa một gen sản xuất sắc tố phytoene của bắp và gen ctt1 của Golden Rice nguyên thủy. Golden rice 2 sản xuất 23 lần carotenoids nhiều hơn giống Golden Rice nguyên thủy (khoảng 37 µg/g).
Năm 2005, dự án Golden Rice nhận được một tài trợ lớn của quỷ “Bill and Melinda Gates Foundation” (người sáng lập Microsoft) để tiếp tục thực hiện cải thiện giống lúa giàu vitamin A, vitamin E, chất sắt, kẽm và các protein qua kỹ thuật biến-đổi-gen.
Năm 2011, cơ quan quốc tế Helen Keller International phụ trách giảm thiểu số người mù và thiếu dinh dưỡng toàn cầu gia nhập hổ trợ chương trình Golden Rice. Dỉ nhiên, cơ quan nghiên cứu lúa gạo quốc tế IRRI gia nhập từ đầu phối hợp chương trình này để khai triển và áp dụng thành quả nghiên cứu.
Các nhà khoa học Úc cũng thành công đưa vào hệ-gen lúa 3 gen OsNAS1, OsNAS2 và OsNAS3 để gia tăng lượng nicotianamine, sắt và kẽm.
Để tạo các giống lúa kháng côn trùng đục thân (stem borer), các nhà khoa học Trung quốc thành công đưa gen cryIA(b) của vi khuẩn bacillus thuringiensis vào hệ-gen lúa, và các giống lúa-chuyển-gen này đã được nông dân canh tác quy mô lớn kể từ 2009.
Lúa là loại cây đơn tử diệp. Các loại thuốc diệt cỏ toàn diện diệt được mọi loại cỏ (như thuốc khai quang), hoặc có tính chọn lựa, hoặc diệt loại cỏ đơn tử diệp, hoặc song tử diệp. Việc xử dụng thuốc diệt cỏ cho lúa tương đối khó, vì trong đám lúa có nhiều loại cỏ vừa song tử diệp, vừa đơn tử diệp. Chẳng hạn cỏ “lông công” (Echinochloa crus-galli), bà con rất gần với cây lúa, diệt cỏ này cũng diệt luôn lúa. Vì vậy, các nhà khoa học phải tạo ra giống lúa đề kháng thuốc diệt cỏ, nghĩa là thuốc diệt cỏ giết được mọi loại cây trong đám lúa kể cả cỏ lông-công, nhưng cây lúa vẫn sống tươi tốt bình thường.
Hảng sản xuất thuốc diệt cỏ Bayer của Đức tạo được giống lúa LibertyLink, đề kháng glufosinate, chất căn bản làm thuốc diệt cỏ Liberty của hảng Bayer. Mới đây Bayer thành công tạo giống lúa chuyển-gen LL62 đề kháng được thuốc diệt cỏ Liberty. Ngoài ra, từ các giống-chuyển-gen này được lai tạo cổ truyền với các giống lúa có năng xuất cao thành giống lúa Clearfield kháng thuốc diệt cỏ imidazolinone.
Ventria Bioscience ở Kansas Hoa Kỳ dùng kỹ thuật chuyển gen gọi là Express Tec, dùng gen của người chuyển vào hệ-gen của lúa để sản xuất các protein của người từ hạt gạo lứt. Công ty này thành công tạo được Lactoferrin và Lysozyme là hai proteins trong sửa mẹ.
Tương tự, các nhà khoa học Trung hoa thành công tạo được huyết thanh người (HSA, human serum albumin) bằng cách tái phối hợp gen HSA của người vào hệ-gen cây lúa qua vi khuẩn Agrobacterium. Huyết thanh này dùng chửa trị cháy phỏng, bịnh gan, xuất huyết, và hiến máu. Gạo lứt của giống lúa này chứa protein HSA giống y hệt huyết thanh người và họ thành công chửa trị bịnh gan trên chuột.
LÚA MÌ
Lúa mì (tứ-bội 4n, và lục-bội 6n) được con người thuần hóa từ một loài cỏ. Đó là một giống lai trong thiên nhiên xảy ra ở vùng Tây Á cách đây vài chục ngàn năm giữa các loài cỏ hòa bảng khác giống (intergeneric hybrid) gồm Triticum monococcum, Aegilops speltoides và Aegilops tauschii, tất cả đều lưỡng-bội (2n) để thành đa-bội, gồm lúa mì thường (4n) và lúa mì cứng durum wheat (6n).
Mặc dầu là cây lương thực quan trọng, lúa mì được chuyển-gen chậm hơn (sau bắp và lúa Á châu) và bị chống đối nhiều hơn. Bắt đầu bằng kỹ thuật bắn gen (gene gun) năm 1992, rồi kỹ thuật xử dụng vi khuẩn Agrobacterium năm 1997.
Trong cuộc cách mạng xanh trong thập niên 1960s, lúa mì gia tăng năng xuất gấp bội nhờ lai giống cổ truyền và tuyển chọn giống lùn, lá thẳng đứng, ăn nhiều phân đạm.
Để gia tăng năng xuất hơn nữa, các nhà khoa học chuyển gen làm cây ít tàn héo, có nhiều rễ hơn và cho nhiều hạt hơn.
Ngoài ra, gia tăng chất dinh dưỡng như amino acids, vitamins, chất khoáng và chất dầu trong hạt.
Thêm vào đó, đưa gen kháng côn trùng, chịu hạn hán, và chịu khí hậu nóng.
Trước đây, chỉ có Hoa Kỳ và Colombia cho phép canh tác lúa mì-biến-đổi-gen với giống MON 71800 kháng thuốc diệt cỏ. Tuy nhiên, sợ mất thị trường xuất cảng lúa mì sang Âu châu và Á châu, Hoa Kỳ nay không còn canh tác lúa mì chuyển-gen nữa.
CANOLA
Tên "canola" bắt nguồn từ chữ đầu của "Canadian oil low acid" dành cho dầu hột cải (oilseed rape). Thoạt tiên Canola là do lai tạo cổ điển giữa nhiều dòng thuộc loài Brassica juncea và tuyển chọn giống có thành phần erucic acid thấp mang tên giống LEAR (Low Erucic Acide Rape). Erucic acid là một độc tố có hại cho sức khỏe con người. Giống canola-chuyển-gen có mang gen đề kháng thuốc diệt cỏ được canh tác ở Canada từ 1995, và Hoa kỳ từ 2005.
CỦ CẢI ĐƯỜNG (sugar beet)
Năm 2008, Monsanto phát khởi giống củ cải đường chuyển-gen kháng thuốc diệt cỏ Roundup. Vào năm 2010, khoảng 95% củ cải đường canh tác ở Hoa Kỳ là giống chuyển-gen "Roundup Ready" này. Âu châu cũng được phép canh tác củ cải đường chuyển-gen. Đường sản xuất từ củ cải đường được xử dụng làm thực phẩm cho người vừa sản xuất làm nhiên liệu sinh học.
MÍA
Lai tạo cổ truyền giống mía trong 30 năm qua đã đưa năng xuất mía tới ngưởng cửa giới hạn, khoảng 80 tấn mía/ha. Muốn gia tăng năng xuất quá ngưởng cửa giới hạn này, cần phải xử dụng kỹ thuật biến-đổi-gen. Tuy nhiên, việc áp dụng kỹ thuật này tương đối khó hơn so với củ cải đường, vì hệ-gen của mía khá phức tạp và chưa được nghiên cứu nhiều. Các nhà khoa học đang tìm cách chuyển vào hệ-gen của mía những gen làm tăng độ đường (độ Brix), tăng năng xuất, kháng bịnh, kháng sâu bọ, kháng thuốc diệt cỏ, kháng môi trường xấu như hạn hán hay ngập nước, đất nhiễm mặn, phèn, v.v.
Hiện tại, chưa có giống mía chuyển-gen nào được phép canh tác quy mô. Hảng Monsanto hứa hẹn năm 2015 mới phóng thích giống mía chuyển-gen kháng thuốc diệt cỏ và kháng sâu bọ “Roundup Ready/Bt sugarcane”.
Brazil cũng hứa hẹn sẽ có giống mía chuyển-gen kháng được hạn hán và gia tăng năng xuất 25% vào năm 2020, đây là một công trình hợp tác giữa BASF (Đức) và Brazil.
KHOAI TÂY
Giống Amflora, mang ký hiệu EH92-527-1, là một giống khoai tây chuyển-gen do công ty BASF thực hiện. Giống này không sản xuất tinh bột bình thường mà sản xuất toàn tinh bột dẻo amylopectin (giống như nếp so với gạo). Amflora được cộng đồng Âu Châu chấp thuận canh tác quy mô cho kỹ nghệ sản xuất chất polymer, làm giấy.
Ấn độ thành công tạo giống khoai tây giàu protein mang tên 'Protato' để cải thiện khẩu phần thiếu dinh dưỡng trẻ em ở Ấn độ.
KHOAI MÌ
Khoai mì (khoai sắn, cassava, manioc) chứa nhiều tinh bột, nghèo protein, lại nhiều độc tố cyanide, là khẩu phần chính của nhiều sắc dân Phi châu. Các nhà khoa học thuộc Trung tâm Danforth Plant Science Center ở St Louis, Missouri (Hoa kỳ) thành công chuyển gen sản xuất protein của cây đậu và cây bắp vào hệ-gen cây khoai mì, làm gia tăng lượng protein zeolin lên 12,5%, đồng thời làm hạ lượng độc tố cyanide, làm củ khoai mì trở thành bổ dưỡng và không độc.
ĐU ĐỦ KHÁNG BỊNH VIRUS
Bệnh khảm-đốm-vòng (ring-spot virus) hạn chế canh tác đu đủ ở nhiều nước vùng nhiệt đới. Đại học Hawaii thành công chuyển gen mã hóa protein capsid vào hệ gen đu đủ làm giống này miễn nhiễm bịnh khảm-đốm-vòng. Kể từ 1999, Hawaii và nhiều nước đã canh tác giống đu đủ chuyển-gen đề kháng bịnh khảm-đốm-vòng.
So sánh cây đu-đủ chuyển-gen đề kháng bịnh khảm (trái) và cây bị bịnh khảm (phải) cùng tuổi
CÀ TÍM (Aubergine)
Ấn độ thành công tạo giống cà tím (aubergine) chuyển-gen mang tên Bt brinjal. Các nhà khoa học chuyển gen Bt và gen Cry1Ac của vi khuẩn Bacillus thuringiensis, nhờ vậy giống cà tím này kháng được nhiều loại sâu trên lá, đặc biệt sâu đục thân và đục trái cà.
CẢI THIỆN MÔI TRƯỜNG
Các nhà khoa học ở University of York (Anh) tạo được một loại cỏ chuyển-gen bằng cách chuyển nhiều gen của vi khuẩn vào cỏ Arabidopsis thaliana để có khả năng làm sạch chất ô nhiễm do bom đạn, thuốc nỗ TNT, RDX trong đất ô nhiễm bom đạn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÁNH
1. Wikipedia. Flavr_Savr tomatoes. http://en.wikipedia.org/wiki/Flavr_Savr
2. Health Canada. Suppressed Polygalacturonase Activity Flavr Savr™ Tomato. http://www.hc-sc.gc.ca/fn-an/gmf-agm/appro/ofb-095-048-a-eng.php
3. Wikipedia. Golden rice. http://en.wikipedia.org/wiki/Golden_rice
4, Wikipedia. Genetic modified rice. http://en.wikipedia.org/wiki/Genetically_modified_rice
Reading, 2/2013
Trần-Đăng Hồng, PhD
Mời đọc:
Phần I. Tuyển chọn bởi thiên nhiên
Phần II. Đại cương di-truyền học
Phần III. Tuyển chọn bởi con người
Phần IV. Lai-tạo DNA hay Kỹ Thuật Chuyển Gen
Phần V. Cây hoa màu biến-đổi-gen
Phần VI. Chống đối sinh-vật biến-đổi-gen
Phần VII. Tranh luận sinh-vật biến-đổi-gen