Di truyền cây trồng: Phát triển khả năng kháng bệnh vì an ninh lương thực toàn cầu

Bệnh hại thực vật là một mối đe dọa đáng kể đối với an ninh lương thực toàn cầu. Các mầm bệnh như nấm, vi khuẩn, virus và tuyến trùng có thể tàn phá mùa màng, dẫn đến tổn thất năng suất đáng kể và khó khăn kinh tế cho nông dân trên toàn thế giới. Do đó, việc phát triển các giống cây trồng kháng bệnh là một chiến lược quan trọng để đảm bảo nguồn cung thực phẩm ổn định và bền vững. Di truyền cây trồng đóng vai trò trung tâm trong nỗ lực này, cung cấp các công cụ và kiến thức để hiểu và điều khiển tương tác giữa cây trồng và mầm bệnh.

Tầm quan trọng của khả năng kháng bệnh ở cây trồng

Tác động của bệnh hại thực vật đối với nông nghiệp toàn cầu là rất sâu sắc. Hãy xem xét những điểm sau:

• Tổn thất năng suất: Bệnh hại thực vật có thể làm giảm năng suất cây trồng tới 40% ở một số khu vực, đặc biệt là ở các nước đang phát triển.
• Tác động kinh tế: Tổn thất mùa màng tương đương với hàng tỷ đô la thiệt hại kinh tế hàng năm, ảnh hưởng đến nông dân, người tiêu dùng và nền kinh tế toàn cầu.
• An ninh lương thực: Các đợt bùng phát dịch bệnh có thể dẫn đến thiếu lương thực, suy dinh dưỡng và thậm chí nạn đói, đặc biệt là ở các nhóm dân cư dễ bị tổn thương. Nạn đói khoai tây ở Ireland vào giữa thế kỷ 19, do loài nấm nước *Phytophthora infestans* gây ra, vẫn là lời nhắc nhở khắc nghiệt về hậu quả tàn khốc của bệnh hại thực vật.
• Tác động môi trường: Việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học để kiểm soát bệnh hại thực vật có thể gây ảnh hưởng xấu đến môi trường, bao gồm ô nhiễm đất và nước, gây hại cho côn trùng có lợi và sự phát triển của mầm bệnh kháng thuốc.

Việc phát triển các giống cây trồng kháng bệnh mang lại một giải pháp thay thế bền vững và thân thiện với môi trường so với việc chỉ dựa vào kiểm soát hóa học. Bằng cách đưa khả năng kháng bệnh di truyền vào cây trồng, chúng ta có thể giảm nhu cầu sử dụng thuốc trừ sâu, giảm thiểu tổn thất năng suất và tăng cường an ninh lương thực.

Cơ sở di truyền của khả năng kháng bệnh ở thực vật

Thực vật có một hệ thống miễn dịch tinh vi cho phép chúng nhận biết và phòng chống mầm bệnh. Khả năng miễn dịch này được xác định bằng di truyền và liên quan đến sự tương tác phức tạp của các gen và con đường tín hiệu. Có hai loại kháng bệnh chính:

1. Kháng bệnh định tính (Kháng bệnh gen R)

Kháng bệnh định tính, còn được gọi là kháng bệnh gen R, được quy định bởi các gen trội đơn lẻ (gen R) nhận biết các yếu tố hiệu ứng cụ thể của mầm bệnh (yếu tố độc lực). Sự tương tác này kích hoạt phản ứng phòng vệ nhanh chóng và mạnh mẽ, thường liên quan đến sự chết tế bào theo chương trình tại vị trí nhiễm bệnh (phản ứng quá mẫn, HR). Kháng bệnh gen R thường rất hiệu quả nhưng có thể bị mầm bệnh vượt qua bằng cách tiến hóa các biến thể hiệu ứng mới. Ví dụ, nhiều giống lúa mì đã được phát triển với các gen R quy định khả năng kháng các chủng cụ thể của nấm gỉ sắt lúa mì *Puccinia graminis f. sp. tritici*. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các chủng mới, có độc lực cao, như Ug99, đã nêu bật những hạn chế của việc chỉ dựa vào các gen R đơn lẻ.

2. Kháng bệnh định lượng (Kháng bệnh cục bộ)

Kháng bệnh định lượng, còn được gọi là kháng bệnh cục bộ hoặc kháng bệnh đồng ruộng, được kiểm soát bởi nhiều gen (QTL – Quantitative Trait Loci) đóng góp theo kiểu cộng dồn vào mức độ kháng bệnh thấp hơn. Không giống như kháng bệnh gen R, kháng bệnh định lượng thường hiệu quả chống lại một phạm vi mầm bệnh rộng hơn và bền vững hơn, nghĩa là nó ít có khả năng bị vượt qua bởi sự tiến hóa của mầm bệnh. Tuy nhiên, kháng bệnh định lượng thường khó xác định và đưa vào cây trồng hơn do kiến trúc di truyền phức tạp của nó. Một ví dụ là khả năng kháng bệnh cháy lá bền vững ở lúa, được kiểm soát bởi nhiều QTL, cung cấp sự bảo vệ phổ rộng và lâu dài.

Các chiến lược để phát triển cây trồng kháng bệnh

Nhiều chiến lược đã được áp dụng để phát triển các giống cây trồng kháng bệnh, mỗi chiến lược có những ưu điểm và hạn chế riêng:

1. Lai tạo giống truyền thống

Lai tạo giống truyền thống bao gồm việc chọn lọc và lai tạo cây trồng có các đặc điểm mong muốn, bao gồm khả năng kháng bệnh. Quá trình này có thể tốn thời gian và công sức, nhưng nó đã rất thành công trong việc phát triển nhiều giống cây trồng kháng bệnh. Quá trình này thường bao gồm:

• Xác định nguồn kháng bệnh: Sàng lọc vật liệu di truyền hiện có (các bộ sưu tập tài nguyên di truyền thực vật) để xác định các cây có khả năng kháng các bệnh cụ thể. Các họ hàng hoang dã của cây trồng thường là nguồn gen kháng bệnh quý giá.
• Lai tạo cây kháng bệnh với các giống ưu tú: Lai tạo cây kháng bệnh với các giống năng suất cao hoặc có các đặc điểm mong muốn khác để kết hợp khả năng kháng bệnh với các đặc điểm quan trọng khác.
• Chọn lọc kháng bệnh: Đánh giá đời con (thế hệ sau) về khả năng kháng bệnh mục tiêu và chọn lọc những cây kháng bệnh nhất để tiếp tục lai tạo.
• Lai tạo trở lại: Lai tạo liên tục thế hệ con kháng bệnh với giống ưu tú để phục hồi các đặc điểm mong muốn của giống ưu tú trong khi vẫn duy trì khả năng kháng bệnh.

Một ví dụ là việc phát triển các giống khoai tây kháng bệnh bạc lá thông qua lai tạo truyền thống, sử dụng các gen từ các loài khoai tây hoang dã có khả năng kháng tự nhiên với *Phytophthora infestans*.

2. Chọn lọc hỗ trợ đánh dấu (MAS)

Chọn lọc hỗ trợ đánh dấu (MAS) sử dụng các dấu ấn DNA liên kết với các gen kiểm soát khả năng kháng bệnh để chọn lọc cây trồng kháng bệnh trong quá trình lai tạo. Điều này có thể đẩy nhanh quá trình lai tạo và cải thiện hiệu quả chọn lọc, đặc biệt đối với các đặc điểm khó hoặc tốn kém để đánh giá trực tiếp. Quy trình này bao gồm:

• Xác định các dấu ấn DNA liên kết với gen kháng bệnh: Xác định các dấu ấn DNA (ví dụ: SNP, SSR) có liên kết chặt chẽ với gen kháng bệnh hoặc QTL mục tiêu.
• Kiểm tra kiểu gen cây trồng: Phân tích DNA của từng cây để xác định alen (biến thể) của dấu ấn mà chúng sở hữu.
• Chọn lọc cây trồng có các alen dấu ấn thuận lợi: Chọn lọc cây trồng mang các alen dấu ấn liên quan đến khả năng kháng bệnh để tiếp tục lai tạo.

MAS đã được sử dụng thành công trong lai tạo lúa để đưa các gen kháng bệnh bạc lá và bệnh cháy lá vào, làm tăng tốc đáng kể quá trình phát triển các giống kháng bệnh. Ví dụ, gen Xa21 để kháng bệnh bạc lá ở lúa có thể được chọn lọc hiệu quả bằng cách sử dụng các dấu ấn DNA liên kết.

3. Kỹ thuật di truyền (Tiếp cận chuyển gen)

Kỹ thuật di truyền bao gồm việc chuyển trực tiếp gen từ sinh vật này sang sinh vật khác, bao gồm cả các gen mang lại khả năng kháng bệnh. Phương pháp này có thể được sử dụng để đưa các gen kháng bệnh từ các loài không liên quan hoặc để sửa đổi các gen thực vật hiện có để tăng cường khả năng kháng bệnh. Các bước là:

• Xác định và phân lập gen kháng bệnh: Xác định và phân lập các gen mang lại khả năng kháng bệnh từ các loài thực vật, vi khuẩn hoặc thậm chí động vật khác.
• Đưa gen vào cây trồng: Đưa gen vào cây trồng bằng cách sử dụng một vật trung gian (ví dụ: *Agrobacterium*) hoặc súng bắn gen.
• Chọn lọc và xác minh cây chuyển gen: Chọn lọc các cây đã tích hợp thành công gen vào bộ gen của chúng và xác minh rằng gen đó có chức năng và mang lại khả năng kháng bệnh.

Bông Bt, biểu hiện gen từ vi khuẩn *Bacillus thuringiensis* mang lại khả năng kháng một số loài sâu bệnh, là một ví dụ nổi bật về cây trồng biến đổi gen. Tương tự, đu đủ biến đổi gen kháng virus đốm lá cà chua (PRSV) đã cứu ngành công nghiệp đu đủ Hawaii.

4. Chỉnh sửa gen (CRISPR-Cas9)

Các công nghệ chỉnh sửa gen, như CRISPR-Cas9, cho phép sửa đổi chính xác và có mục tiêu các gen thực vật. Điều này có thể được sử dụng để loại bỏ các gen làm cho cây trồng nhạy cảm với bệnh, để đưa các gen kháng bệnh vào hoặc để tăng cường các cơ chế kháng bệnh hiện có. Phương pháp này bao gồm:

• Thiết kế RNA dẫn hướng: Thiết kế RNA dẫn hướng nhắm mục tiêu enzyme Cas9 vào các vị trí cụ thể trong bộ gen thực vật.
• Đưa hệ thống CRISPR-Cas9 vào cây trồng: Đưa hệ thống CRISPR-Cas9 vào cây trồng bằng cách sử dụng vật trung gian hoặc phương pháp phân phối khác.
• Chọn lọc và xác minh cây đã chỉnh sửa: Chọn lọc các cây đã trải qua sự kiện chỉnh sửa gen mong muốn và xác minh rằng sự chỉnh sửa đó mang lại khả năng kháng bệnh.

CRISPR-Cas9 đã được sử dụng để phát triển các giống lúa kháng bệnh bạc lá bằng cách chỉnh sửa gen *OsSWEET14*, mà mầm bệnh sử dụng để tiếp cận chất dinh dưỡng. Tương tự, nó đã được sử dụng để tăng cường khả năng kháng bệnh phấn trắng ở lúa mì.

Thách thức trong việc phát triển khả năng kháng bệnh bền vững

Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển cây trồng kháng bệnh, vẫn còn một số thách thức:

• Tiến hóa của mầm bệnh: Mầm bệnh có thể tiến hóa nhanh chóng để vượt qua các gen kháng bệnh, đặc biệt là các gen chính đơn lẻ. Đây là một cuộc chạy đua vũ trang liên tục giữa các nhà lai tạo và mầm bệnh.
• Sự phức tạp của khả năng kháng bệnh: Kháng bệnh định lượng thường được kiểm soát bởi nhiều gen, khiến việc xác định và đưa vào cây trồng trở nên khó khăn.
• Sự đánh đổi với các đặc điểm khác: Việc kết hợp khả năng kháng bệnh đôi khi có thể gây tổn hại đến các đặc điểm mong muốn khác, chẳng hạn như năng suất hoặc chất lượng.
• Rào cản pháp lý và nhận thức của công chúng: Cây trồng biến đổi gen phải đối mặt với các rào cản pháp lý và mối quan tâm của công chúng ở một số khu vực, hạn chế việc áp dụng chúng.
• Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đang làm thay đổi sự phân bố và độc lực của mầm bệnh thực vật, đặt ra những thách thức mới cho việc quản lý bệnh hại.

Các chiến lược để vượt qua thách thức và đạt được khả năng kháng bệnh bền vững

Để vượt qua những thách thức này và phát triển khả năng kháng bệnh bền vững, các nhà nghiên cứu và nhà lai tạo đang áp dụng nhiều chiến lược khác nhau:

1. Ghép gen

Ghép gen liên quan đến việc kết hợp nhiều gen kháng bệnh vào một giống duy nhất. Điều này làm cho mầm bệnh khó vượt qua khả năng kháng bệnh hơn vì chúng sẽ cần phải vượt qua đồng thời nhiều gen. Ghép gen có thể đạt được thông qua lai tạo truyền thống, chọn lọc hỗ trợ đánh dấu hoặc kỹ thuật di truyền.

2. Đa dạng hóa gen kháng bệnh

Phân phối một loạt các gen kháng bệnh đa dạng trên các giống và khu vực khác nhau có thể làm giảm áp lực chọn lọc lên mầm bệnh và làm chậm sự tiến hóa độc lực. Điều này có thể đạt được thông qua luân canh cây trồng, hỗn hợp giống và các chiến lược phân phối theo vùng.

3. Hiểu về sinh học mầm bệnh

Hiểu biết sâu sắc hơn về sinh học mầm bệnh, bao gồm các cơ chế lây nhiễm, yếu tố độc lực và chiến lược tiến hóa của chúng, là rất quan trọng để phát triển các chiến lược kháng bệnh hiệu quả và bền vững. Kiến thức này có thể được sử dụng để xác định các gen kháng bệnh mới và thiết kế các chiến lược kiểm soát mới.

4. Tích hợp khả năng kháng bệnh với các biện pháp kiểm soát khác

Tích hợp khả năng kháng bệnh di truyền với các biện pháp kiểm soát khác, chẳng hạn như thực hành canh tác, kiểm soát sinh học và sử dụng thuốc trừ sâu hợp lý, có thể mang lại một phương pháp tiếp cận quản lý bệnh hại mạnh mẽ và bền vững hơn. Phương pháp quản lý dịch hại tổng hợp (IPM) này có thể giảm sự phụ thuộc vào bất kỳ biện pháp kiểm soát đơn lẻ nào và giảm thiểu nguy cơ phát triển kháng thuốc.

5. Sử dụng các công nghệ mới

Các công nghệ mới nổi, chẳng hạn như giải trình tự bộ gen, phiên mã học, protein học và chuyển hóa học, đang cung cấp những hiểu biết mới về tương tác cây trồng-mầm bệnh và đẩy nhanh việc khám phá các gen kháng bệnh. Các công nghệ này cũng có thể được sử dụng để giám sát quần thể mầm bệnh và dự đoán sự xuất hiện của các chủng mới có độc lực.

Các ví dụ toàn cầu về phát triển thành công khả năng kháng bệnh

Một số ví dụ thành công cho thấy sức mạnh của di truyền cây trồng trong việc phát triển cây trồng kháng bệnh:

• Khả năng kháng bệnh cháy lá ở lúa tại Châu Á: Các nỗ lực nghiên cứu và lai tạo sâu rộng đã dẫn đến việc phát triển các giống lúa có khả năng kháng bệnh cháy lá bền vững, một mối đe dọa lớn đối với sản xuất lúa ở Châu Á.
• Khả năng kháng bệnh gỉ sắt lúa mì ở Úc: Các nhà lai tạo lúa mì Úc đã rất thành công trong việc phát triển các giống lúa mì có khả năng kháng bệnh gỉ sắt thân, gỉ sắt lá và gỉ sắt sọc, đảm bảo sản xuất lúa mì ổn định trong khu vực.
• Khả năng kháng bệnh khảm sắn ở Châu Phi: Các chương trình lai tạo đã phát triển các giống sắn có khả năng kháng bệnh khảm sắn (CMD), một bệnh do virus gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất sắn ở Châu Phi, một loại lương thực chính cho hàng triệu người.
• Khả năng kháng bệnh rệp phylloxera hại nho ở Châu Âu: Việc ghép các giống nho châu Âu vào gốc ghép của các loài nho Mỹ, vốn có khả năng kháng rệp phylloxera ăn rễ, đã cứu ngành công nghiệp rượu vang châu Âu vào cuối thế kỷ 19.
• Khả năng kháng bệnh Panama (TR4) ở chuối: Các nghiên cứu đang tiếp tục để phát triển các giống chuối kháng Chủng nhiệt đới 4 (TR4) của bệnh Panama, một bệnh nấm lây nhiễm qua đất đe dọa sản xuất chuối trên toàn thế giới. Các nỗ lực bao gồm lai tạo truyền thống, kỹ thuật di truyền và chỉnh sửa gen.

Tương lai của khả năng kháng bệnh ở cây trồng

Tương lai của khả năng kháng bệnh ở cây trồng nằm ở một phương pháp tiếp cận đa diện, kết hợp những gì tốt nhất của lai tạo truyền thống, công nghệ sinh học hiện đại và sự hiểu biết sâu sắc về tương tác cây trồng-mầm bệnh. Các lĩnh vực trọng tâm chính bao gồm:

• Khai thác sức mạnh của hệ gen học: Sử dụng hệ gen học để xác định và đặc trưng hóa các gen kháng bệnh mới và để hiểu cơ sở di truyền của khả năng kháng bệnh bền vững.
• Phát triển các chiến lược lai tạo sáng tạo: Áp dụng các kỹ thuật lai tạo tiên tiến, chẳng hạn như chọn lọc hệ gen và lai tạo tốc độ, để đẩy nhanh quá trình phát triển các giống kháng bệnh.
• Sử dụng các công nghệ chỉnh sửa gen: Tận dụng các công nghệ chỉnh sửa gen để sửa đổi chính xác các gen thực vật và tăng cường khả năng kháng bệnh đối với một loạt các mầm bệnh rộng hơn.
• Thúc đẩy các thực hành nông nghiệp bền vững: Tích hợp khả năng kháng bệnh với các thực hành nông nghiệp bền vững, chẳng hạn như luân canh cây trồng, xen canh và làm đất bảo tồn, để giảm nguy cơ bùng phát dịch bệnh và thúc đẩy an ninh lương thực dài hạn.
• Tăng cường hợp tác quốc tế: Thúc đẩy hợp tác quốc tế giữa các nhà nghiên cứu, nhà lai tạo và các nhà hoạch định chính sách để chia sẻ kiến thức, nguồn lực và vật liệu di truyền, và để giải quyết thách thức toàn cầu về bệnh hại thực vật.

Kết luận

Việc phát triển các giống cây trồng kháng bệnh là rất cần thiết để đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu và giảm thiểu tác động của mầm bệnh thực vật. Di truyền cây trồng đóng một vai trò quan trọng trong nỗ lực này, cung cấp các công cụ và kiến thức để hiểu và điều khiển tương tác giữa cây trồng và mầm bệnh. Bằng cách áp dụng một loạt các chiến lược đa dạng, từ lai tạo truyền thống đến chỉnh sửa gen, và bằng cách thúc đẩy hợp tác quốc tế, chúng ta có thể phát triển khả năng kháng bệnh bền vững và bảo vệ nguồn cung cấp thực phẩm của chúng ta cho các thế hệ tương lai.

Đầu tư vào nghiên cứu và phát triển di truyền cây trồng là một bước đi quan trọng hướng tới việc xây dựng một hệ thống lương thực toàn cầu kiên cường và bền vững hơn. Bằng cách trang bị cho nông dân các giống cây trồng kháng bệnh, chúng ta có thể giảm tổn thất năng suất, giảm thiểu việc sử dụng thuốc trừ sâu và đảm bảo nguồn cung cấp thực phẩm ổn định và bổ dưỡng cho tất cả mọi người.