Bộ Gene trong cây lúa và triển vọng (tt) ppt

B
ộ Gene trong cây
lúa và triển vọng





Nguyễn Văn Tuấn


Đối với ngư
ời Việt chúng ta, hay
ph
ần lớn dân Á châu nói chung,
cây lúa (tên khoa học là
Oryza
sativa) và hạt gạo là m
ột loại thực
phẩm hết sức gần gũi và đóng m
ột
vai trò cực kỳ quan trọng t
rong
dinh dưỡng. Ngay từ khi c
òn trong
lòng mẹ, chúng ta đã làm quen v
ới
cơm gạo, và lớn l

ên theo cây lúa
cùng hạt gạo. V
ới bản sắc văn hóa
nông nghiệp, cây lúa và h
ạt gạo
còn là một biểu tư
ợng của cuộc
sống. Ca dao, kh
ẩu ngữ chúng ta
có câu “Người sống v
ề gạo, cá bạo
về nước”, hay “
Em xinh là xinh như
cây lúa”, v.v Đối với ngư
ời
Trung Qu
ốc, vật quí nhất không
phải là ngọc trai hay đá quí, m
à là
hạt gạo.
Quê hương của cây lúa, không nh
ư
nhiều người tưởng là
ở Trung Quốc
hay Ấn Độ, mà là ở v
ùng Đông
Nam Á, vì vùng này khí hậu ẩm v
à
là điều kiện lí tư
ởng cho phát triển

nghề trồng lúa. Theo k
ết quả khảo
cổ học trong vài thập ni
ên qua, quê
hương đầu tiên của cây lúa l
à vùng
Đông Nam Á và Đông Dương,
những nơi mà d
ấu ấn của cây lúa
đã được ghi nhận là kho
ảng 10.000
năm trước Công Nguyên [1].
Còn
ở Trung Quốc, bằng chứng về cây
lúa lâu đ
ời nhất chỉ 5.900 đến
7.000 năm về trước, thư
ờng thấy ở
các vùng xung quanh sông Dương
Tử [2]. T
ừ Đông Nam Á, nghề
trồng lúa được du nhập v
ào Trung
Quốc, rồi lan sang Nhật Bản, H
àn
Quốc, những nơi mà cư dân ch
ỉ
quen với nghề trồng lúa mạch.
Ở
Trung Quốc và Nhật Bản ng

ày xưa,
chỉ có giai cấp quí tộc hay võ s
ĩ
mới có gạo ăn thường xuyên.
Ở
Hàn Quốc, ngư
ời ta có danh từ
“annam mi” đ
ể chỉ loại gạo nhập
cảng từ Việt Nam và các nư
ớc
Đông Nam Á.
Á châu là m
ột trung tâm sản xuất
lúa gạo lớn nhất thế giới.
Theo
thống kê của Cơ quan Th
ực phẩm
Liên hiệp quốc, trên th
ế giới có
khoảng 147,5 triệu ha đất d
ùng cho
việc trồng lúa, và 90% di
ện tích
này là thuộc các nư
ớc Á châu
[3]. Các nư
ớc Á châu cũng sản
xuất khoảng 92% tổng sản lư
ợng

lúa gạo trên thế giới.
Ngày nay,
Thái Lan và Việt Nam là hai nư
ớc
xuất cảng gạo hàng đ
ầu trong thị
trường lúa gạo thế giới.
Lúa gạo còn là nguồn lương th
ực
quan trọng cho khoảng 3 tỷ ngư
ời
[hay khoảng 2 phần 3 c
ư dân] trên
thế giới. Trong khi dân s
ố thế giới
tiếp tục gia tăng thì di
ện tích đất
dùng cho tr
ồng lúa lại không tăng,
nếu không muốn nói là gi
ảm theo
thời gian. Do đó, vấn đề l
ương
thực từng được đặt ra như là m
ột
mối đe dọa đến sự an ninh và ổn
định của thế giới trong t
ương
lai. Theo dự đoán của các chuy
ên

gia v
ề dân số học, nếu dân số thế
giới tiếp tục gia tăng trong v
òng 20
năm tới, thì sản lư
ợng lúa gạo phải
tăng 80% m
ới đáp ứng cho nhu cầu
sống còn của cư dân mới.
Trong
điều kiện eo hẹp đó, ngư
ời ta phải
suy nghĩ đến một chiến lư
ợc để
tăng sản lượng lúa gạo. M
ột trong
những chiến lược quan trọng là
ứng
dụng công nghệ sinh học vào vi
ệc
gây giống mới và qua đó, hi v
ọng
s
ẽ đem lại cho thế giới một nguồn
thực phẩm mới, an to
àn hơn, và có
giá trị dinh dưỡng cao.
Nhưng mu
ốn gây giống mới một
cách an toàn, ngư

ời ta cần phải biết
c
ấu trúc sinh học của cây
lúa. Ngày nay, qua ti
ến bộ của
khoa học sinh học phân tử, ngư
ời ta
đã biết được rằng, cũng giống nh
ư
con người, cái đơn vị sinh học c
ơ
bản nhất trong mỗi cây lúa là t
ế
bào (cells). Mỗi cây lúa đư
ợc cấu
tạo bằng hàng tỷ tế bào. T
ất cả các
tế bào đ
ều có cấu trúc giống nhau:
trong mỗi tế bào đ
ều có một
cái nhân (nucleus) n
ằm chính
giữa. Cái nhân này có ch
ứa những
chất liệu di truyền mà ta thường g
ọi
là DNA (vi
ết tắc từ chữ
deoxyribonucleic acid). M

ỗi nhân
thường có hàng triệu DNA.
DNA
g
ồm có bốn yếu tố hóa học: A
(adeline), C (cytosine), G
(guanine), và T (thymine). M
ột
mảng DNA tạo thành m
ột
gene. Và nhiều gene tạo thành m
ột
bộ di truyền, còn g
ọi
là chromosome. Có th
ể nói một
cách ví von bằng cách dùng quy
ển
sách như là m
ột ví dụ: (a) trong
sách có 23 chương (chromosome);
(b) mỗi chương có nhi
ều câu
chuy
ện (genes); (c) mỗi câu chuyện
có nhi
ều đoạn văn (exons); (d) mỗi
đoạn văn có nhiều chữ (c
odons); và
(e) mỗi chữ đư

ợc viết bằng các
mẫu tự (bases).
Do đó, cũng như con ngư
ời, gene
đóng một vai trò c
ực kỳ quan trọng
trong việc điều hành s
ự sinh
trưởng, tồn tại, và b
ảo vệ thực vật,
k
ể cả cây lúa, chống lại các mối đe
dọa từ thiên nhiên. Gene có ch
ức
năng g
ửi các tín hiệu hóa học đi
đến tất cả các n
ơi trong cây
lúa. Những tín hiệu này có ch
ứa
đ
ầy đủ các thông tin, các chỉ thị cụ
thể cho các c
ơ quan trong cây lúa
phải hoạt động ra sao. Việc t
ìm
hiểu số lượng gene cũng nh
ư cơ
cấu tổ chức của gene
trong cây lúa

là m
ột điều tất yếu để mang lại
những tiến bộ mới và quan tr
ọng
của bộ môn sinh học.
Tuần vừa qua, hai nhóm nghi
ên
cứu (Viện Nghiên c
ứu Di truyền
B
ắc Kinh (Beijing Genomic
Institute, viết tắt l
à BGI) và Công
ty sinh h
ọc Syngenta (San Diego,
Mỹ)), công bố rằng họ đã gần ho
àn
tất công trình tìm hiểu cơ c
ấu tổ
ch
ức của hệ thống di truyền trong
cây lúa [4]. Nhóm B
ắc Kinh cộng
tác cùng một nhóm gồm các nh
à
khoa học thuộc Trung tâm Nghi
ên
cứu Di truyền thuộc Trư
ờng Đại
học Washington (Seattle) ngh

iên
cứu giống lúa có tên là indica
,
trong khi Công ty Syngenta thì t
ập
trung vào nghiên c
ứu một giống
lúa japonica có hình dạng ngắn h
ơn
giống indica [5]. Đây là m
ột công
trình nghiên c
ứu quan trọng trong
khoa học, vì là lần đầu ti
ên trong
lịch sử nhân loại, con ngư
ời có thể
toàn b
ộ cấu trúc di truyền của cây
lúa. Khám phá của công tr
ình
nghiên cứu này còn có ý ngh
ĩa
mang tầm dóc thế giới, v
ì trong
tương lai các ứng dụng dựa v
ào các
dữ kiện này sẽ có ảnh hư
ởng đến
hàng tỷ người trên toàn cầu. M

ột
số điểm nổi bật trong công tr
ình
của hai nhóm nghiên cứu n
ày có
thể được tóm gọn như sau:
Thứ nhất, số lư
ợng gene trong lúa
còn nhiều hơn c
ả trong con
người. Theo nhóm nghiên c
ứu
BGI, giống lúa indica
(còn có tên
làbulu ở Nam Dương) có kho
ảng
45.000 đến 56.000 genes.
Còn
nhóm Syngenta thì ước lư
ợng rằng
giống lúa japonica
(còn có tên
là sinica) có kho
ảng 32.000 đến
50.000 genes. Đây là m
ột sự ngạc
nhiên, bởi vì từ lâu ngư
ời ta vẫn
nghĩ con người phức tạp hơn th
ực

vật, và do đó số lư
ợng genes trong
con người phải cao hơn số lư
ợng
gene trong thực vật.
Tuy nhiên,
qua công trình Human Genome
Project (HGP) vừa đư
ợc công bố
năm qua thì con ngư
ời chỉ có
kho
ảng 30.000 đến 39.000 genes,
hay có ước đoán mới đây l
à 34.000
đến 35.000 genes [6].
Do đó,
đứng trên phương di
ện sinh học, có
thể nói rằng con ngư
ời có cấu trúc
di truyền đơn giản hơn cây lúa!?
Thực ra, chưa thể kết luận như th
ế
được, vì cần phải hiểu thêm nh
ững
khác bi
ệt về cấu trúc di truyền
trong con người v
à trong cây

lúa. Kết quả nghiên c
ứu của nhóm
BGI và Syngenta cho th
ấy cấu trúc
di truyền trong con ngư
ời có vẻ
phức tạp hơn c
ấu trúc trong cây
lúa. Tính trung bình, m
ỗi gene
trong cây lúa có kho
ảng 4.500 mẫu
t
ự DNA, trong khi gene trong con
người dài đ
ến cả 7 lần (tức khoảng
30.000 mẫu tự).
Tại sao cây lúa có nhiều gene h
ơn
con người? Câu hỏi này đã là m
ột
đề tài suy luận lí thú của giới l
àm
khoa học. Theo m
ột thuyết đang
được lưu truyền hiện nay thì th
ực
vậy như cây lúa không có kh
ả năng
đi lại (chúng chỉ đứng một chỗ!) v

à
trong hoàn cảnh này, cây lúa là đ
ối
tượng, là con mồi của nhiều kẻ th
ù
kể cả sâu rầy và môi trư
ờng chung
quanh. Do đó, cây lúa đư
ợc tiến
hóa có nhi
ều genes để chống trả lại
những đe dọa này và tự b
ảo vệ lấy
mình. Trong khi đó, con ngư
ời, khi
đ
ối đầu với một sự hiểm nguy, có
thể bỏ chạy hay ít ra là di chuy
ển
được. Có lẽ sự khác nhau này gi
ải
thích một phần nào v
ề sự khác biệt
giữa con ngư
ời trong cấu trúc di
truyền.
Th
ứ hai, so sánh với loại cải
xoong Arabidopsis mà c
ấu trúc di

truyền mới được khám phá th
ì cây
lúa có nhiều genes hơn. C
ải
xoong Arabidopsis có kho
ảng
25.500 genes, và m
ỗi gene, tính
trung bình ch
ỉ có khoảng 1.000
mẫu tự. Kho
ảng 81% các genes
tìm th
ấy trong cải
xoong Arabidopsis cũng được t
ìm
thấy trong giống lúa indica
, nhưng
ch
ỉ có 49% genes trong giống
lúa indicađược tìm th
ấy trong cải
xoong Arabidopsis. M
ột kết quả
tương tự cũng đư
ợc ghi nhận khi so
sánh giữa giống lúa japonica và c
ải
xoong Arabidopsis.
Thứ ba, mặc dù giữa con người v

à
cây lúa có m
ột số genes có cấu trúc
DNA giống nhau, nh
ưng chưa có
bằng chứng nào cho th
ấy gene
được luân chuyển giữa cây lúa v
à
con người. Kết quả này có ý ngh
ĩa
quan tr
ọng trong cuộc tranh luận
gần đây về thực phẩm đư
ợc thay
đổi gene, bởi vì nó ph
ủ nhận giả
thuyết rằng khi con người tiêu th
ụ
thực phẩm được thay đổi gene, nh
ư
gạo chẳng hạn, thì nh
ững genes
trong h
ạt gạo không có khả năng
truyền vào con người. Nói m
ột
cách khác, các th
ực phẩm hay trái
cây đư

ợc thay đổi gene có thể
không làm thay đ
ổi cấu trúc gene
của con người.
Tuy nhiên, dù công bố này th
ể hiện
một một bước tiến dài trong l
ịch sử
nghiên cứu di truyền, nh
ưng nó
cũng chỉ là một bước đầu, vì t
ừ giai
đoạn này đến giai đoạn kế tiếp nh
ư
ứng dụng gene vào vi
ệc chế biến
hay tạo giống mới là m
ột thách
thức lớn. Thực vậy, d
ù cho công
trình này có hoàn tất nay mai, th
ì
chúng ta chỉ mới biết đư
ợc cấu trúc
di truyền mà thôi. Nói m
ột cách ví
von, chúng ta chỉ mới biết đư
ợc
bản đồ, nhưng chưa bi
ết trong từng

vùng (trên bản đồ) có chứa g
ì và
hoạt động ra sao. Do đó, giai đo
ạn
kế tiếp là tìm hiểu mối t
ương tác
giữa genes và môi trư
ờng, hay giữa
quan hệ genes và genes mới là m
ột
thách thức lớn và đòi h
ỏi tri thức
trong nhi
ều lĩnh vực khác nhau, kể
cả tin học và toán học.
Theo chúng
tôi, giai đoạn thứ hai này, còn g
ọi
là thời đại sau bộ di truyền (post-
genomic era), mới là m
ột thời kỳ
hấp dẫn và huy hoàng c
ủa di truyền
học.
Trong nghiên c
ứu y học, sau khi bộ
di truyền trong con người đư
ợc
công bố hơn một năm qua, các nh
à

khoa học trên khắp thế giới đ
ã và
đang tiến sâu vào lĩnh vực nghi
ên
cứu các chức năng cơ b
ản của
genes. Nhưng dù thế giới đ
ã chi ra
một ngân sách khổng lồ v
à hàng
vạn nhà nghiên c
ứu bỏ ra nhiều
năm làm việc, kết quả vẫn còn r
ất
khiêm tốn. Cho đến nay, ngư
ời ta
vẫn chưa tìm được tất c
ả các genes
có liên quan đ
ến các bệnh phức tạp
như ung thư, suyễn, tiểu đư
ờng,
loãng xương, v.v
Qua kinh
nghiệm nghiên c
ứu trong con
ngư
ời, có thể nói việc phát triển các
gi
ống lúa mới bằng công nghệ di

truyền học là một vấn đề lâu d
ài và
thách thức lớn.
Đối với Việt Nam, một nư
ớc nông
nghiệp, đứng vào hàng thứ hai tr
ên
th
ế giới về xuất cảng gạo, những
vấn đề đư
ợc đặt ra sau bộ di truyền
lúa được công bố cũng là nh
ững
thách thức lớn. Vấn đề cần đư
ợc
đặt ra là ph
ải tận dụng những kết
quả nghiên cứu này như thế nào đ
ể
đem lại lợi ích kinh tế cho nư
ớc
nhà. Chúng tôi th
ấy có thể phát
họa một vài phương hướng nh
ư
sau:
Thứ nhất, cần phải đầu tư nhân l
ực
và cơ sở vật chất vào việc nghi
ên

cứu chức năng của genes (còn g
ọi
là functional genomics). Nói m
ột
cách khác, đây là cơ hội để các nh
à
khoa học Việt Nam nghiên cứu t
ìm
hi
ểu chức năng của genes trong
việc tăng trưởng và s
ản
phẩm. Chẳng hạn như tìm hi
ểu
xem genes nào có kh
ả năng đề
kháng sâu rầy, genes nào có kh
ả
năng chịu nước/khô, v.v. T
ất
nhiên, genes cũng không th
ể vận
hành một mình, mà c
ần phải phối
h
ợp với các genes khác hay môi
trường để gây tác động; do đó t
ìm
hiểu mối tương tác này cũng là m
ột

hướng nghiên c
ứu rất cần
thiết. Hi
ện nay, với sự phát triển
của công nghệ sinh học, các nh
à
nghiên cứu có th
ể thử nghiệm chức
năng của hàng v
ạn genes trong một
con chip điện toán.
Th
ứ hai, cần phải chú trọng đến bộ
môn Thông tin Sinh học (còn gọi l
à
bio-informatics). Đây là m
ột bộ
môn m
ới kết hợp các kỹ thuật máy
tính, toán học và di truy
ền học, để
tìm hiểu cấu trúc và ho
ạt động của
các genes trong mạng lư
ới sinh
học. V
ới một bản đồ genes, cộng
v
ới sự tiến bộ về kỹ thuật thông tin
học, bộ môn nghiên cứu n

ày có
mục đích lâu d
ài là “cá nhân hóa”
gene cho t
ừng đặc điểm hay bệnh
lí. Có thể nói đây là một cơ h
ội
cho Việt Nam, vì song song v
ới
việc phát triển tin học như hi
ện
nay, c
ần phải phát triển cả công
nghệ thông tin sinh học.
Thứ ba, cần phải đầu tư nhân l
ực
và xây dựng cơ sở vật chất vào vi
ệc
nghiên cứu di truyền. Ph
ải nói
ngay rằng lực lượng khoa học g
ia
Việt Nam làm vi
ệc trong sinh học
và công nghệ sinh học c
òn quá
mỏng, chưa có kh
ả năng cạnh tranh
cao với các nư
ớc khác trong

vùng. Do đó, c
ần phải có chính
sách khuy
ến khích học sinh, sinh
viên theo đuổi sự nghiệp nghi
ên
cứu di truyền học, và từ đó đẩy
mạnh việc đào tạo th
êm các chuyên
viên có trình độ cao trong ng
ành
công nghệ sinh học.
Nói tóm l
ại, việc công bố bản đồ
genes c
ủa cây lúa đang mở ra một
kỷ nguyên m
ới cho công nghệ sinh
học, và cung cấp một cơ h
ội cho
nh
ững ai thích [hay có ý định] dấn
thân vào một ngành nghiên c
ứu hấp
d
ẫn trong thế kỷ 21, thời đại từng
được mệnh danh là th
ế kỷ của công
nghệ sinh học.
Tài liệu tham khảo và chú thích:

[1] Xem, chẳng hạn nh
ư,
“Southeast Asia and Korea: from
the beginning of food production to
the first states” c
ủa Wilhelm
Solheim, trong sách “
The history of
humanity: Scientific and cultural
development,” quy
ển 1:
“
Prehistory and the beginning of
civilisation
”, UNESCO/Routledge,
London: 1994, trang 468-81.
[2] Sách "
Eden in the East: the
Drowned Continent
of Southeast
Asia,
" c
ủa Stephen Oppenheimer,
Nhà xu
ất bản Phoenix (London),
1998, trang 65-71.
[3] Xem các báo cáo sau đây c
ủa
FAO: (a) “Rice processing

industries,” FAO/UNDP Regional
Workshop, Jakarta, 15-
20 July
1985. Bangkok, FAO Regional
Office for Asi
a and the Pacific. 293
pp.; (b) FAO “Rice” FAO Q. Bull.
Stat., 3(1): 20-
28, 55, 73; và (c)
“FAO production yearbook,”
1989,
FAO Stat. Ser. No. 88, Vol.
43. Rome, FAO.
[4] Xem báo cáo khoa h
ọc của J.
Yu và đ
ồng nghiệp, “A draft
sequence of the rice genome
(oryza
sativa L. ssp. Indica), T
ập san
Science 2002; 296:79.
[5] Xem báo cáo khoa h
ọc của S.
A. Goff và đ
ồng nghiệp, “A draft
sequence of the rice genome (oryza
sativa L. ssp. japonica), T
ập san
Science 2002; 296:92.

[6] Xem báo cáo khoa h
ọc của
Ewing B,
Green P., “Analysis of
expressed sequence tags indicates
35,000 human genes,” T
ập
san Nature Genetics 2000; 25:232-
4.


Home