TRIỂN VỌNG CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Tạp chí Điện tử của Bộ Ngoại giao Hoa Kỳ

Triển vọng Kinh tế, tháng 10/2005

CÔNG NGHỆ SINH HỌC CÂY TRỒNG: NHỮNG TIẾN BỘ TRONG THỰC PHẨM, NĂNG LƯỢNG VÀ Y TẾ

Richard Hamilton, Richard B.Flavell và Robert B.Goldberg

Trong 50 năm tới thế giới cần sản xuất ra nhiều thức ăn cho người, thức ăn cho động vật và sợi hơn so với trong thời gian của toàn bộ lịch sử loài người. Cuộc cách mạng công nghệ tạo ra bởi các bộ gen cho cơ hội duy nhất để thực hiện mục đích này. Các cây trồng biến đổi gen chịu được thuốc diệt cỏ và sâu đang mang lại những lợi ích thông qua những thức ăn cho người, thức ăn cho động vật và sợi mà người dân có thể mua được. Những thứ này đòi hỏi ít thuốc trừ sâu hơn, bảo vệ đất tốt hơn và cung cấp một môi trường bền vững hơn. Trái với những ý kiến chỉ trích, các cây trồng công nghệ sinh học tỏ ra cũng an toàn như hoặc an toàn hơn những cây trồng sản xuất bằng các phương pháp thông thường. Trong tương lai, những tiến bộ trong công nghệ sinh học nông nghiệp sẽ cho ra những cây trồng làm cải thiện khả năng chịu hạn hán, thời tiết nóng và lạnh; đòi hỏi ít phân bón và thuốc trừ sâu hơn; sản xuất các vắc-xin để ngăn ngừa những bệnh lây lan chủ yếu; và có những đặc điểm mong muốn khác.

Richard Hamilton là Chủ tịch Hội đồng Quản trị và Richard B. Flavell phụ trách về khoa học của Công ty Ceres, một công ty công nghệ sinh học tư nhân. Robert B.Goldberg là Giáo sư về sinh học phân tử, tế bào và phát triển tại Trường Đại học California, Los Angeles.

Các cây trồng và nông nghiệp đã đóng vai trò quan trọng trong phát triển và thúc đẩy sự văn minh. Các cây trồng cung cấp những thức ăn bền vững cho con người, cho động vật, sợi cho xây dựng và quần áo, thuốc men, dược phẩm, nước hoa, các hóa chất cho các quá trình sản xuất công nghiệp, năng lượng để nấu nướng và sưởi ấm và gần đây nhất, sinh khối để đáp ứng nhu cầu ngày một tằng về nhiên liệu phục vụ vận tải. Các cây trồng còn đóng vai trò chủ yếu về mặt môi trường bằng việc ngăn ngừa sói mòn đất, tăng cường mức ôxi trong khí quyển, giảm sự phát tán CO2 từ việc đốt than đá, và làm giầu đất bằng nitơ, mà chúng quay vòng theo chu kỳ giữa đất và khí quyển.

NÔNG NGHIỆP TRONG THẾ KỶ 21

Nếu dân số tiếp tục tăng như dự đoán, thì trong 50 năm tới chúng ta cần phải sản xuất thêm thức ăn cho người, thức ăn cho động vật và sợi hơn so với thời gian của toàn bộ lịch sử loài người. Và chúng ta phải làm điều này trên cơ sở diện tích đất thích hợp cho nông nghiệp và sản xuất cây trồng giảm dần.

Điều này đặt ra một số thách thức chủ yếu cho nông nghiệp ở thế kỷ XXI:

Sản lượng cây trồng cần phải tăng cao hơn mức ngoạn mục đạt được ở thế kỷ XX để đáp ứng nhu cầu gia tăng và tiết kiệm không gian trống. Những đầu vào cần thiết cho nông nghiệp thâm canh, như nước và phân bón cần phải giảm.

Những cây trồng cần được phát triển để có thể sinh sôi nẩy nở trong những điều kiện khắc nghiệt sao cho những đất ít mầu mỡ có thể được sử dụng để trồng những cây quan trọng, mùa vụ trồng cần phải kéo dài và sản lượng không bị giảm bởi hạn hán, thời tiết nóng, lạnh và các tác động khác.

Những ảnh hưởng đến môi trường của nông nghiệp do việc sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và phân bón cần phải giảm bớt. Thí dụ các cây trồng cần được biến đổi để chịu được bệnh dịch, để có thể hấp thu có hiệu quả các chất dinh dưỡng trong đất, và cạnh tranh với cỏ dại trong việc hút nước và hấp thụ ánh sáng mặt trời.

Những cây lương thực cần được tối ưu hóa để phục vụ sức khỏe và dinh dưỡng của con người, cung cấp các vitamin thiết yếu, các axít amin và prôtêin nhằm giúp xóa bỏ tình trạng suy dinh dưõng và bệnh tật.

Những cây trồng mới cho năng lượng cần được phát triển để có năng suất cao và có thể dùng làm nguồn sinh khối có thể thay thế cho các nhiên liệu để giảm bớt sự phụ thuộc của chúng ta vào hệ thống năng lượng dựa vào dầu mỏ.

Chúng ta cần "trở về tương lai" và thay đổi cấu trúc gen các cây đặc sản có thể được sử dụng như những nhà máy sản xuất hóa chất và prôtêin phục vụ các các ứng dụng công nghiệp và y tế - thí dụ, các tiền chất nhựa và các vắc-xin để chống lại các mầm bệnh ở người và động vật.

Những thách thức này sẽ đòi hỏi phải áp dụng những kỹ thuật nhân giống và phân tử tinh vi nhất mà hiện nay đang có, cũng như việc phát triển những kỹ thuật mới. Tuy nhiên chưa bao giờ có một thời kỳ nào sôi động hơn cho ngành sinh học cây trồng và nông nghiệp, và cuộc cách mạng công nghệ tạo ra bởi kỷ nguyên các bộ gen cho cơ hội duy nhất để thực hiện những mục tiêu này trong thời gian hai thập kỷ tới hoặc sớm hơn.

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỂ PHÁT TRIỂN CÁC CÂY TRỒNG MỚI

Đa số các cây mà chúng ta đang trồng hiện nay không phải xuất hiện từ một vườn Êđen thần thoại và không mọc "một cách tự nhiên". Ngược lại, hầu hết các cây trồng chủ yếu đều đã được tổ tiên của chúng ta biến đổi gen cách đây hàng nghìn năm từ các cây họ hàng hoang dã của chúng bằng việc chọn lọc và nhân giống để có được những đặc điểm làm tối ưu hóa các cây trồng phục vụ cho con người. Những kỹ sư về gen đầu tiên này đã học cách nhận biết những đột biến ngẫu nhiên xuất hiện ở các quần thể thực vật hoang dã và sử dụng tính biến dị gen này để tạo ra những cây lương thực mà chúng ta hiện nay chúng ta dang sử dụng. Thí dụ, ngô đã đựợc gây giống cách đây 10.000 năm từ loài cỏ teosinte bằng việc chọn ra một số ít gen có nhiệm vụ kiểm soát kích thước lõi ngô, cấu trúc và số lượng hạt và cấu trúc của cây. Hầu hết những cây lương thực mà ngày nay chúng ta sử dụng như lúa mì, đậu nành, gạo, khoai, cải bắp, bông cải xanh và cà chua, đều được chúng ta biến đổi gen theo cách thức tương tự; đó là bằng cách dùng các công nghệ nhân giống để tạo ra những tổ hợp gen mới trong phạm vi một loài rồi chọn những đặc điểm tốt hơn ở thế hệ sau.

Những đổi mới quan trọng nhất đang làm biến đổi nông nghiệp là các công nghệ biến đổi gen cho phép những gen mới có thể được phân lập, thao tác bằng tay và cấy trở lại vào các cây trồng; khả năng tái sinh hầu hết các loài cây từ việc nuôi cấy mô vào cây tốt giống; và sự phát triển các công nghệ về bộ gen cho năng suất cao. Những công nghệ này cho phép vẽ bản đồ và sắp xếp toàn bộ các bộ gen của cây và định dạng các gen có chức năng kiểm soát tất cả các quá trình của cây, gồm cả những gen có thể góp phần vào việc giải quyết các thách thức của nông nghiệp trong tương lai, như các gen có khả năng chịu bệnh, hạn hán, kích thước và số lượng hạt .

Ở cấp gen, việc nhân giống cây trồng phụ thuộc vào việc đưa ngẫu nhiên các đột biến, hoặc biến dị gen vào bộ gen của cây rồi sau đó từ quần thể rộng chọn ra bộ phụ nhỏ những thay đổi dẫn đến sự thay đổi tích cực. Trong đa số các trường hợp, những thay đổi gen được tạo ra đều không được biết. Trái lại, việc biến đổi gen mang lại cho việc nhân giống một phương án chính xác hơn, và vì sự chính xác của nó, nên nó có thể được dùng để phát triển những đặc điểm mới có giá trị trong một thời gian rất ngắn được đòi hỏi để tiếp tục nghiên cứu những kỹ thuật nhân giống tương đối không chính xác. Những gen đã được mô tả đặc điểm có thể đưa vào các cây trồng theo cách chính xác và được điều khiển nhằm tạo ra những cây trồng được cải thiện về gen có những đặc điểm mà các quy trình nhân giống cổ điển không thể nào thực hiện được.

SỰ PHÁT TRIỂN VÀ LỢI ÍCH CỦA CÂY TRỒNG THEO CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Các loại cây đầu tiên được trồng theo kĩ thuật di truyền phát triển vào đầu những năm 1980 có khả năng đề kháng với thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu. Ngày nay, đa số các loại cây trồng theo công nghệ sinh học đều có hai đặc tính này - đề kháng với thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu. Trong 20 năm qua, trên toàn thế giới người ta đã cố gắng phân lập các gen có khả năng đáp ứng một loạt các yêu cầu mà các nhà chăn nuôi, nông dân, người tiêu thụ, và các nhà công nghiệp đã nêu ra nhằm cải thiện nhiều loại cây trồng. Ngày nay, công nghệ sinh học cây trồng và kỹ thuật di truyền là hoạt động chính trong các khu vực nhà nước và tư nhân và đang trở thành một bộ phận quan trọng của ngành trồng cây trên khắp thế giới. Thật vậy, chưa bao giờ ngành nông nghiệp lại sôi nổi như vậy vì các công nghệ gen hiệu quả cao đã cho phép nhận biết các loại gen có tiềm năng mang lại những biến đổi to lớn cho ngành sản xuất cây trồng trong 50 năm tới.

Năm 2005, chúng ta kỷ niệm 10 năm canh tác theo công nghệ sinh học. Trong thời kì đó, 400 triệu hécta cây trồng theo công nghệ sinh học được cải thiện nhờ kĩ thuật đã được đưa vào canh tác. Cây trồng theo công nghệ sinh học đã được nông dân trên toàn thế giới tiếp nhận nhanh chóng hơn bất kỳ loài cây trồng nào khác trong lịch sử nông nghiệp, hơn cả đối với loài ngô lai cao sản ở thế kỉ trước.

Từ khi ra đời vào năm 1996, việc sử dụng các loại cây trồng cải thiện nhờ kỹ thuật di truyền đã gia tăng với tốc độ hơn 10%/năm và vào năm 2004, theo một báo cáo của cơ quan quốc tế về ứng dụng công nghệ sinh học nông nghiệp, lượng cây trồng đó được sử dụng ở mức gia tăng 20%. Các loài cây mang gen công nghệ sinh học mới là đậu nành, ngô, bông và canola, chiếm tương ứng 56%, 14%, 28% và 19% diện tích trồng các loài cây này trên toàn cầu. Tổng diện tích của chúng chiếm gần 30% diện tích dành cho các loài cây này trên toàn cầu. Tại Mỹ, đậu nành công nghệ sinh học (đề kháng với thuốc diệt cỏ), ngô (đề kháng với thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu) và bông (đề kháng với thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu) chiếm diện tích tương ứng gần 85%, 75% và 45% diện tích toàn phần của các loài cây đó.

Mỹ là nước đi đầu về diện tích cây trồng theo công nghệ sinh học với hơn 48 triệu ha, tiếp theo là Argentina (16 triệu ha), Canada (6 triệu ha), Brazil (4,8 triệu ha), và Trung Quốc (4 triệu ha). Giá trị cây trồng theo công nghệ sinh học là gần 5 tỉ USD, tương ứng bằng 15% và 16% sant lượng cây trồng toàn cầu và thị trường giống. Cây trồng công nghệ sinh học mang lại lợi ích với việc cung cấp nhiều thực phẩm, thức ăn gia súc và sợi hơn, đồng thời đòi hỏi ít thuốc trừ sâu hơn, duy trì chất lượng đất tốt hơn và có lợi hơn cho việc bảo vệ môi trường bền vững. Hơn nữa, thu nhập hàng năm của nông dân nghèo tại các nước đang phát triển đã gia tăng đáng kể nhờ sử dụng cây trồng công nghệ sinh học, theo thống kê gần đây của Tổ chức Nông Lương Liên hợp quốc. Phần lớn giá trị gia tăng mang lại thu nhập cho những người nông dân này chứ không phải là cho người cung cấp công nghệ.

NHỮNG QUAN ĐIỂM DẪN ĐẾN VIỆC HẠN CHẾ VIỆC PHÁT TRIỂN CÂY TRỒNG THEO CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Tuy việc sản xuất cây trồng theo công nghệ sinh học và di truyền đã được chấp nhận với một tốc độ cao và các loài cây trồng đó đã được thử thách và nghiên cứu nhiều hơn cả trong lịch sử loài người, không phải là công nghệ sinh học không mang lại những ý kiến trái ngược. Việc phản đối sử dụng công nghệ sinh học và các sản phẩm sản sinh từ kĩ thuật di truyền đã lan rộng ở châu Âu, tại đó một nhóm cổ động nhỏ nhưng hoạt động mạnh đã vận động công chúng phản đối công nghệ sinh học.

Tại một môi trường mà những cảnh báo về nguy cơ của bệnh bò điên và dioxin đối với thực phẩm không liên quan với công nghệ sinh học đã làm xói mòn lòng tin của công chúng châu Âu đối với quy chế kiểm soát việc cung cấp thực phẩm, các nhà cổ động đã làm dấy lên mối nghi ngờ đáng kể về công nghệ sinh học trong nông nghiệp. Mối nghi ngờ đã không được đặt đúng chỗ : mối đe dọa giả định đã không trở thành hiện thực sau hơn 10 năm sử dụng an toàn và sau khi hơn 400 triệu hécta đã được sử dụng để trồng các loài cây được cải thiện nhờ kĩ thuật di truyền. Đến nay người ta chưa chỉ ra được thí dụ nào về tác hại của các loài cây này đối với con người, trong khi có thể chứng tỏ được rằng chúng có lợi cho việc bảo vệ môi trường. Thực ra, những kết quả nghiên cứu chính được xuất bản trên các tạp chí chuyên môn trong 5 năm qua đã chứng tỏ rằng các loài cây trồng theo công nghệ sinh học nói chung tương đương với các loài tương ứng không sản xuất theo công nghệ sinh học, rằng sản lượng đã gia tăng, rằng lượng thuốc trừ sâu cần dùng đã giảm đi, rằng một diện tích đất đáng kể đã được duy trì và rằng thực tiễn quản lí đã đạt được kết quả tốt trong việc ngăn chặn hay giảm thiểu khả năng đề kháng của các loài cây trồng kháng côn trùng. Tuy rằng không có công nghệ nào là không có rủi ro, các loài cây trồng theo công nghệ sinh học đã cho thấy rằng chúng cũng an toàn như hoặc an toàn hơn các loài cây sản xuất theo phương pháp truyền thống.

TƯƠNG LAI SẼ RA SAO?

Trong thập niên sắp tới, những tiến bộ mới trong công nghệ sinh học nông nghiệp sẽ sản sinh ra những loài cây trồng có thể chịu đựng tốt hơn các tình trạng hạn hán, nóng và lạnh; đòi hỏi sử dụng ít phân bón và thuốc trừ sâu hơn; sản sinh các loại vaccin phòng các bệnh truyền nhiễm chính ; có kích thước, số lượng hạt, và hàm lượng dinh dưỡng gia tăng ; và có thể tái sinh sản trong điều kiện thiếu tác nhân lai tạp - sinh sản mạnh. Các loài cây trồng có hàm lượng dinh dưỡng cao cũng sẽ được phát triển để khắc phục tình trạng thiếu dinh dưỡng tại các nước đang phát triển. Hiện nay giống "gạo vàng 2" được đưa vào thử nghiệm có thể sản sinh tới 30 microgram beta-caroten, một tiền chất của vitamin A, theo một bài báo xuất bản gần đây của Jacqueline Paine và cộng sự. Theo các tác giả này, lượng beta-caroten này có thể cung cấp ít nhất 50% lượng vitamin A hàng ngày cần cho một khẩu phần điển hình gồm 60g gạo.

Ngoài các ứng dụng tăng sản lượng thực phẩm, thức ăn gia súc và sợi, công nghệ sinh học đang đóng góp một phần đáng kể cho lĩnh vực năng lượng. Những tiến bộ của công nghệ sinh học đã tạo điều kiện để sản xuất một khối lượng lớn các cellulas không đắt tiền mà người ta có thể sử dụng để chuyển hóa cellulose thành chất đường rồi chất đường này sẽ được lên men để trở thành nhiên liệu như ethanol. Theo ước tính gần đây của Bộ Năng lượng Mỹ, đến năm 2020, nước này có thể nhận được ít nhất là 30 % nhiên liệu dùng cho hoạt động vận tải từ các nguồn nguyên liệu sinh học. Công nghệ sinh học nông nghiệp còn có thể nâng cao tỉ lệ này thông qua việc gia tăng mật độ cung cấp của khối sinh học, cải thiện các tính năng chế biến của nguồn sinh học và giảm các nhu cầu phục vụ canh tác như nước, phân bón và thuốc trừ sâu.

Một số nước chủ yếu như Mỹ và Trung Quốc đang đẩy mạnh hoạt động trong lĩnh vực công nghệ sinh học nông nghiệp, đầu tư một cách thích đáng cho các hoạt động nghiên cứu, triển khai và xây dựng một hệ thống pháp quy phù hợp cho việc sử dụng và kinh doanh các loài cây mới được cải thiện bằng công nghệ sinh học.

Nếu chúng ta chuẩn bị tạo ra một nền nông nghiệp kiểu mới trong thế kỉ XXI, vừa bền vững vừa có sản lượng cao để đảm bảo an toàn thực phẩm và tự túc được năng lượng, chúng ta sẽ cần sử dụng mọi công cụ và phát minh khoa học sẵn có, kể cả công nghệ sinh học và kĩ thuật di truyền và tiếp tục đi theo con đường có những đột phá nông nghiệp đã từng thúc đẩy tiến bộ của loài người hàng nghin năm.