Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 1/2016 [29]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

1. Gen chịu mặnNhững gen chịu mặn thường có kích thước nhỏ và

không biểu hiện ra nên cũng khó khăn trong việc tìmkiếm, khai thác. Nhưng khi đã có được những gen đóthì việc chuyển gen trực tiếp hay gián tiếp cho các câytrồng khác thì không khó khăn gì. Chẳng hạn bộ gencủa cây Thellungiella parvula (họ cải), giống cây ưamặn tuyệt vời và còn có tính kháng cao với nhiệt độlạnh, hạn hán, trong đó có gen SALT OVERLY SEN-SITIVE1 (SOS1) kích thước nhỏ, chỉ khoảng 10 Mb,có vai trò kháng sự vận chuyển proton Na, một đại diệnthiết yếu trong thành phần của độ mặn. Thước đo địnhlượng về khả năng chịu mặn (halotolerance) là tổngchất rắn hòa tan trong nước tưới một cây có thể chịuđựng được. Nước biển thường có chứa 40g mỗi lít (g/l)của các muối hòa tan (chủ yếu là natri clorua). Đậu vàlúa có thể chịu đựng với 1-3g/l và được coi là glyco-phytes (như hầu hết các loại cây trồng). Lúa mạch

Gen chịu mặn n Nguyễn Dương Tuệ

Hiện tượng nước biển dâng cao do tác động của biến đổi khí hậu đang làmcho hàng triệu ha đất đai ven biển bị nhiễm mặn, “giết” hết các cây hoamàu, 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 trongtự nhiên hoang dã để chuyển vào. Đây là những gen được xem là quý và hiếm do cáccây chịu mặn chỉ có 1% của tất cả các loài thực vật[2].

(Hordeum vulgare) có thể chịu đựng đượckhoảng 5g/l và có thể được coi là halophytes[3].Ở một thái cực khác, cây Salicornia bigelovii(họ rau dền) phát triển tốt ở nồng độ 70g/l củacác chất rắn hòa tan và là một cây chịu mặn(halophyte) điển hình đầy hứa hẹn bởi đây lànguồn gen rất quý và cần thiết với các vùng venbiển, vùng bị nhiễm mặn cho cả thế giới khi cầngia tăng 70% lượng sản xuất lương thực thựcphẩm để đáp ứng nhu cầu của các nước với ướctính dân số tăng lên đến 9,1 tỷ người vào năm2050[6].

Cây thích nghi với môi trường nước mặn cóthể là có khả năng chịu mặn hoặc tránh mặn. Vídụ, một loài cây ngắn ngày hoàn thành vòng đờisinh trưởng của mình trong một thời gian (chẳnghạn như một mùa mưa) khi đó muối bị pha loãngvà có nồng độ muối thấp, như vậy cây sẽ tránh

Và NôNG NGhiệp Nước MUối

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 1/2016 [30]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

Spergularia (họ cẩm chướng-Caryophyllaceae),Aster tripolium (họ cúc-Asteraceae), Puccinel-lia (họ hoà thảo-Poaceae), Kosteletzkya vir-ginica (họ bông-Malvaceae)…

Bushnell chỉ ra rằng: có khoảng 10.000 loàicây ưa mặn, trong đó 250 là cây trồng chủ lựctiềm năng. Một số halophytes đang được pháttriển như cây Salicornia bigelovii là một giốngcây hàng năm ngập mặn ở bờ biển Ả Rập, Pak-istan và Ấn Độ trên ven hồ muối Sri Lanka...Không chỉ thế, hạt giống của nó lại có hàmlượng dinh dưỡng cao như 30% protein, 35%dầu để sản xuất dầu ăn. Năng suất của cây nàycũng vượt trội so với đậu tương và hạt có dầukhác. Theo quan điểm của các nhà nghiên cứutại Đại học Amsterdam (Hà Lan) và Đại họcSussex Brighton (Anh) thì người ta nghĩ rằngcách tốt nhất phía trước là phải thuần hóa thựcvật hoang dã và lai tạo chúng để tạo ra năng suấtcao hơn.

Nhóm nghiên cứu Rana Munns tại CSIROcủa Úc (Commonwealth Scientific) và Tổ chứcNghiên cứu công nghiệp tại Canberra đã thànhcông trong việc lai tạo giống mới của lúa mì ống(pasta) lúa mì chịu mặn bằng cách lai tạo vớimột giống có lịch sử phát sinh từ thời Ba Tư cổđại với giống lúa mì Durum Modern không phảilà giống chịu mặn, nhưng đó là lúa mì có nguồngốc từ khắp nơi trên Địa Trung Hải, một khuvực bị ảnh hưởng rất nhiều muối. Vì vậy, cácnhà nghiên cứu đã cho lai với giống lúa mìhoang sơ để tạo ra giống chịu mặn, đó là lúa mìhiện nay. Và khả năng loại trừ natri của nó đượcgắn liền với hai gen Nax1 và Nax2[8].

Cây dâm bụt biển Kosteletzkya virginica (họdâm bụt), một cây lâu năm, một trong nhữngcây chịu mặn cao, mọc hoang dã trên vùng đầmlầy ven biển hoặc hồ nước lợ nội địa, được dùngnhư là một nguồn thức ăn trong chăn nuôi vànhiên liệu[1]. Hàm lượng dầu trong hạt giốngcây này là 18%, tương tự như dầu đậu tương vàthành phần acid béo giống như hạt giống bông.Nó có lợi thế là một cây lâu năm, tiết kiệm rấtnhiều lao động trong chăm sóc, gieo hạt nên tạiLand Institute, Kansas, ở Mỹ hiện nay phát triểnnó để thay thế các cây hàng năm.

Cây lâu năm khác như cây Distichlis spicata(họ hòa thảo), là một trong những loại halo-phyte sử dụng để đáp ứng với vùng đất bị ảnhhưởng mặn và nó còn là cây phù hợp nhất với

được muối chứ không phải chịu đựng nó. Hoặc một loàicây trồng có thể duy trì một nồng độ muối bình thườngbằng cách bài tiết muối thừa qua lá (qua hydathode),hoặc bằng cách tập trung muối trong lá mà sau này chếtvà thải ra. Một nỗ lực để cải thiện sản xuất nông nghiệpở các vùng mà cây được tiếp xúc với độ mặn là nghiêncứu tập trung vào việc nâng cao hiểu biết về các cơ chếkhác nhau, giúp thực vật phản ứng với stress mặn, dođó các cây chịu mặn (halophytes) có thể được phát triểnmạnh mẽ hơn. Phản ứng thích nghi với stress mặn đãđược xác định ở mức phân tử, tế bào, trao đổi chất vàmức độ sinh lý[4]. Một số halophytes đang được nghiêncứu để sử dụng khai thác nguồn gen như cây Salicorniabigelovii có thể được trồng trong môi trường khắcnghiệt và thường không cạnh tranh với cây lương thực,là nguồn tài nguyên dùng để sản xuất dầu diesel sinhhọc hay bioalcohol đầy hứa hẹn[5].

2. Tìm kiếm gen chịu mặn từ cây hoang dãHiện nay, người ta đang tập trung vào việc sử dụng

cây chịu mặn như một nguồn gen để cải thiện di truyềnvề tính chống chịu stress phi sinh học của cây trồng nhưchịu ngập úng, chịu hạn, chịu mặn, chịu sâu bệnh[7].Tạo cho các cây trồng có khả năng chịu mặn để đối phóvới các vùng ngập mặn, nhiễm mặn do ảnh hưởng củabiến đổi khí hậu lúc này lại trở nên cấp thiết. Ở thựcvật, chỉ có một thiểu số (~1%) các loài thực vật đượcphân loại là halophytes. Halophytes được phân bố rộngrãi cả về phát sinh loài và địa lý. Tuy nhiên, mặc dù mộtsố cơ chế sinh lý chung về khả năng chịu mặn đượchiểu (ví dụ sử dụng các chất hòa tan tương thích, điềuchỉnh thẩm thấu, vận chuyển, loại trừ và hấp thụ),nhưng sự đa dạng của những phản ứng này và các pro-tein cơ bản vẫn chưa được biết. Một số đánh giá gầnđây về halophytes phát hiện gen thông qua gen thônglượng cao là một trong những nhu cầu cấp bách nhấttrong lĩnh vực này[2].

Khi nói đến thực vật thường thì người ta chỉ quantâm đến những cây dùng được như cây gỗ, lương thực,thực phẩm, thuốc… mà xem thường những cây cỏhoang dã nhưng chính những cây này lại có thể cungcấp cho con người những gen quý giá. Chẳng hạnnhững cây hoang dã sau đây lại có gen chịu mặn mà ítngười ngờ tới, như: cây Cochlearea officinalis (họ cải- Brassicaceae), Plantago maritima (họ mã đề-Plantag-inaceae), Beta vulgaris ssp, Halimione portulacoides,Salicornia bigelovii hoặc S.europaea (họ dền-Amaran-thaceae), Atriplexnum mularia hoặc A. lentiformis (họrau muối-Chenopodiaceae), Triglochin maritima (họthủy mạch đông-Juncaginaceae), Armeria maritima,Limonium vulgare (họ đuôi công-Plumbaginaceae),

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 1/2016 [31]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

năng chống chịu mặn, rét và hạn để đối phó với biếnđổi khí hậu trên diện rộng[1].

Người ta cũng đã có những nỗ lực đáng kể để xácđịnh gen và hệ gen có liên quan đến khả năng chịumặn, nhờ đó mà cây trồng có thể được tăng cường khảnăng chịu mặn bằng cách lựa chọn thông thường vànuôi cấy. Một cách khác được tiến hành là sự chuyểngen vào cây trồng để tăng cường khả năng chịu mặn,hoặc biểu hiện ảnh hưởng của gen chịu mặn. Các thínghiệm biến đổi gen cũng đã được tiến hành tronghơn 30 năm để cố gắng làm cho cây trồng quan trọngnhư lúa mì thành lúa chịu mặn. Trên cơ sở đọc cácđoạn gen nhân bản (Read contig) để xác định các genchịu mặn trong halophytes không những tạo điều kiệncho sự cải thiện của những loại cây trồng mà còn cungcấp một ngân hàng gen để cải thiện khả năng chịumặn của các cây trồng thông thường.

Khi nghiên cứu về sự giải mã của gen, người tacũng đã xác định được những phân tử protein nhỏ làsản phẩm của gen có chức năng điều chỉnh phản ứngstress muối trong cây Arabidopsis (họ cải), một câyhoang dã khá phổ biến. Một bản đồ gen phiên mãđược sử dụng để xác định một tập hợp các gen liênquan đến khả năng chịu mặn trong cây lúa indica nhạy

nhiệt độ cao và các chế độ bức xạ cao trongnhững tháng mùa hè của miền Nam Australia.Thống kê cho thấy, ở Australia, năm 2000 cókhoảng 5,7 triệu ha đất nhiễm mặn và dự kiến sẽcó tới 17 triệu ha nhiễm mặn vào năm 2050.

Một cuộc thử nghiệm với cây Nypa Distichlia(họ hoà thảo) được thực hiện vào năm 2002 xácnhận rằng, cây phát triển tốt trong nước biển, vớisản lượng lá xanh lên đến 25 tấn/ha dùng chochăn nuôi. Các nhà nghiên cứu của Dahai Gao,Qian Wang, Yuxia Wu, Haiyan Xu, Qiushi Yu,Jianquan Liu (2007) cũng đã tìm thấy gen chịumặn ở cây cải xoong Thellungiella salsuginea (họcải-Brassiaceae). Theo họ đây là một điển hìnhcủa cây chịu mặn (halophyte) và nó còn có thểchịu đựng được cả điều kiện rất lạnh, hạn hán.Các kết quả nghiên cứu cho thấy Thellungiella cómột sức đề kháng đặc biệt cao đối với stress lạnh,hạn hán, và oxy hóa nên nó đã trở thành một môhình khá lý tưởng cho nghiên cứu chống chịustress phi sinh học. Bộ gen của Thellungiella cũngđã được giải trình tự, kích thước bộ gen tương đốinhỏ và đây là nguồn gen quý để có thể chuyểnvào các cây lương thực, thực phẩm nhằm tăng khả

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 1/2016 [32]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

Nuôi trồng halophytes sẽ không cạnh tranhcho đất nên được trồng cây làm thực phẩm. Nósẽ cung cấp nhiều thực phẩm, thức ăn chăn nuôi.Thêm vào đó, halophytes còn có ý nghĩa bảo vệxói mòn bờ biển và các khu vực thức ăn chochim, cá và động vật. Một số halophytes thậmchí có thể đòi lại đất cho các thực vật nước ngọt.Nó có thể bị ngấm muối đất thông qua sự tăngcường khả năng thấm và ở một mức độ nào đó,thông qua lưu trữ muối trong lá được thu hoạch,nhờ đó loại bỏ muối khỏi môi trường đất. Bằngcách lựa chọn và phát triển halophytes cả vi môvà vĩ mô, chúng ta có thể nhận được các protein,dầu, nhiên liệu sinh học để cung cấp cho nhu cầulương thực, thực phẩm và nhiên liệu [9].

Ước tính sẽ có tới 10% diện tích bề mặt đấtcủa trái đất bị nhiễm mặn và nhiều khu vực sảnxuất lương thực có thể chịu bị nhiễm mặn caodo ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Trong khiđó, dân số lại không ngừng tăng lên nên nguồncung cấp lương thực, thực phẩm thế giới đangtrở nên hạn chế. Vì thế các loài thực vật chịumặn là nguồn vật liệu di truyền để phát triển câytrồng ưa mặn. Bằng cách tận dụng sự biến đổisomaclonal xảy ra trong quá trình nuôi cấy mô,các nhà nghiên cứu đã có thể lựa chọn cây cóđặc tính mong muốn cho nông nghiệp, đồng thờicũng đã nghiên cứu các cơ chế chịu mặn để đạtđược một sự hiểu biết chính xác làm thế nào cáccây trồng đối phó được với stress muối. Ví dụ,người ta đã nghiên cứu thành phần màng tế bàocủa cỏ cây ưa mặn ở ba cấp độ của tổ chức (tếbào, bắn và toàn bộ cây) để đáp ứng với nồngđộ muối khác nhau và thấy rằng sterol và phos-pholipid giảm khi tăng độ mặn trong khi glycol-ipids tăng và giảm tính lưu động trong màngplasma có thể làm giảm tính thấm NaCl. Hay tạiThái Lan, cây Sporobolus virginicus chịu mặncao sống ở vùng cát ven biển được SomsriArunin và Arunee Yuvaniyama và Cục Phát triểnĐất đai, Bangkok đem thực nghiệm tại Phòngthí nghiệm HBC và trồng tại Đông Bắc nước nàytừ đó được lựa chọn trồng tại các địa điểm khácđể sử dụng cho thức ăn gia súc và cỏ khô[9].

4. Thực tiễn ở Việt NamViệt Nam là một trong 5 nước trên thế giới

dễ bị tổn thương nhất trước biến đổi khí hậu nênviệc tìm ra cách để chủ động ứng phó và thíchứng phù hợp đang ngày càng cấp bách. Báo cáocủa tổ chức phát triển Liên hiệp quốc (UNDP)

cảm. Hơn một ngàn gen chịu mặn đã được xác địnhtrên bản đồ gen và các thành viên được lựa chọn củacác gen được coi là ứng cử viên cho gen cải biến câytrồng [8], [9]. Đã có một số nỗ lực để tạo ra cây chịumặn với sự hiện diện và biểu hiện của một số gen lớnliên quan đến khả năng chịu mặn bằng công nghệchuyển gen và nuôi cấy mô tế bào. Chẳng hạn với câycà chua chuyển gen chịu mặn được tạo ra bởi sự thểhiện một gen lấy từ cây Arabidopsis, mã hóa proteinNa+ / H+ antiporter ở các không bào, nhờ đó cà chuabiến đổi gen tích lũy muối trong lá nhưng không cótrong quả nhờ các protein này ở cây chuyển gen vậnchuyển ion natri từ tế bào chất vào không bào và bịràng buộc lại trong tế bào thực vật, do đó cách lychúng khỏi tế bào chất của tế bào[8].

3. Gen chịu mặn và “nông nghiệp nước muối”Để đối phó với tình trạng thiếu nước ngọt và xâm

nhập mặn ngày càng tăng của đất nông nghiệp do tácđộng của biến đổi khí hậu, người ta quan tâm đến“nông nghiệp nước muối” - trồng loại cây trồng cókhả năng chịu mặn, và chúng có thể phát triển trongnước nhiễm mặn, nước lợ, đặc biệt khi mà nước ngọtkhan hiếm và xâm nhập mặn diễn ra trên diện rộng.Ước tính hiện nay chỉ có khoảng 1% lượng nước trêntrái đất là nước ngọt trong khi 1% là nước lợ và 98%là nước biển. Với nguồn tài nguyên nước ngọt hạnchế, nông nghiệp không chỉ phải cạnh tranh với nhàcông nghiệp sử dụng nước ngọt mà còn đang bị đedọa bởi sự lây lan của hiện tượng nhiễm mặn đất[9].

Không thể tưới cây lương thực và cây thức ăn chănnuôi bằng nước mặn. Nhưng có một thực tế là, sự bốchơi và thoát hơi nước dẫn đến sự tích tụ muối trongvùng rễ. Sự nóng lên toàn cầu cũng tăng tốc xâm nhậpmặn như nước biển dâng và lũ lụt vùng ven biển. Đấtmặn là không thể đảo ngược trong vùng khô hạn vìkhông có nước để đưa muối tích tụ ra khỏi đất. Khităng độ mặn, năng suất cây trồng giảm, bởi vì hầu hếtcác loại cây trồng hiện có không chịu được mặn, nênphải quan tâm tới gen chịu mặn và “nông nghiệp nướcmuối”[9], [8]. Những người tích cực ủng hộ ngànhnông nghiệp nước muối là các nhà khoa học NASA:Robert Hendricks (Trung tâm nghiên cứu Glenn,Cleveland, Ohio) và Dennis Bushnell (Trung tâmnghiên cứu Langley, Hampton, Virginia). Họ mongmuốn halophytes (cây chịu mặn) cần phải được sửdụng cho thực phẩm, thức ăn và nhiên liệu[3]. Họ chorằng, halophytes có thể được trồng ở những vùng venbiển, đầm lầy, ao hồ nội địa, vùng sa mạc với các tầngchứa nước lợ ngầm và trực tiếp trong các đại dươnghoặc biển.

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 1/2016 [33]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

Ngoài ra, trái cây, sản lượng rau, mía, vịtcủa ĐBSCL cũng xếp hạng quan trọngcủa cả nước…

Đứng trước vấn đề đất bị nhiễm mặnđang gia tăng diện tích hàng năm, gần đâycác viện, trường đã bắt tay vào nghiên cứucác loại cây trồng chống chịu được mặn ởcác nồng độ mặn khác nhau. Việc thanh lọcgốc ghép chịu mặn đối với cây trồng đanglà mối quan tâm của nhiều quốc gia có đấtbị nhiễm mặn. Kết quả điều tra cho thấy, ởViệt Nam, nhóm cây chịu mặn yếu (từ 1,4-2‰) như: ca cao, lúa, bắp, đậu, cà chua, ớt,bầu, bí; nhóm cây chịu mặn trung bình (từ2-3‰) như: cam, quýt, bưởi, chanh, chuối,mía; nhóm cây chống chịu được mặn khá (từ3-4‰): xoài, sapô, dừa… Việc sử dụng gốcghép cây ăn quả hay “luyện tập” bằng cáchhàng ngày tưới mặn lên các gốc ghép đểthích nghi dần cũng được tiến hành và chokết quả khả quan để từ đó tham gia vào cuộcchiến chống chịu biến đổi khí hậu./.

cho thấy, khả năng nước biển dâng sẽ khiến 22 triệungười Việt Nam mất nhà cửa với thiệt hại lên tới 10%GDP. Đến cuối thế kỷ này, nhiệt độ trung bình ở Đồngbằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có thể tăng thêm 1,3-2,80C, mưa có thể tăng 4-8%, nước biển dâng theo kịchbản thấp là 66cm, cao là 99cm. Nước biển dâng cao 1mcó thể làm 39% diện tích ở ĐBSCL bị ngập, 35% dân sốbị ảnh hưởng. Theo dự báo, nước mặn sẽ xâm nhập vàođất liền 40-50km, có độ mặn từ 4‰ trở lên, gây thiệt hạicho cây lương thực, thực phẩm và nhiều giống cây khác.

ĐBSCL là vùng kinh tế đặc biệt quan trọng. Ởđây có trên 3,8 triệu ha đất nông nghiệp, có điềukiện địa lý và xã hội sản xuất nông nghiệp có lợi thếtốt nhất ở Việt Nam. Mặc dù diện tích canh tác nôngnghiệp và thủy sản chỉ chiếm 27% của cả nướcnhưng ĐBSCL chiếm tới 45% diện tích lúa, 71%diện tích nuôi trồng thủy sản, 40% giá trị sản xuấtnông nghiệp, 54% sản lượng thủy sản của cả nước.Do có lợi thế về quy mô sản xuất và tập quán sảnxuất hàng hóa, kinh doanh thị trường nên ĐBSCL làvùng xuất khẩu chiếm tới 62% kim ngạch xuất khẩulúa gạo và 85% xuất khẩu cá da trơn của cả nước.

Tài liệu tham khảo

1. Dahai Gao, Qian Wang, Yuxia Wu, Haiyan Xu, Qiushi Yu, Jianquan Liu (2007), Microsatellite DNA loci from thetypical 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.

Sản xuất lúa ở Đồng bằngsông Cửu Long