Đối
với người Việt chúng ta, hay phần lớn dân Á châu nói
chung, cây lúa (tên khoa học là Oryza
sativa) và hạt gạo là một loại thực phẩm hết
sức gần gũi và đóng một vai trò cực kỳ quan trọng
trong dinh dưỡng. Ngay
từ khi còn trong lòng mẹ, chúng ta đã làm quen với cơm
gạo, và lớn lên theo cây lúa cùng hạt gạo.
Với bản sắc văn hóa nông nghiệp, cây lúa và
hạt gạo còn là một biểu tượng của cuộc sống.
Ca dao, khẩu ngữ chúng ta có câu “Người
sống về gạo, cá bạo về nước”, hay “Em
xinh là xinh như cây lúa”, v.v..
Đối với người Trung Quốc, vật quí nhất không
phải là ngọc trai hay đá quí, mà là hạt gạo.
Quê
hương của cây lúa, không như nhiều người tưởng là
ở Trung Quốc hay Ấn Độ, mà là ở vùng Đông Nam Á, vì
vùng này khí hậu ẩm và là điều kiện lí tưởng cho
phát triển nghề trồng lúa.
Theo kết quả khảo cổ học trong vài thập niên
qua, quê hương đầu tiên của cây lúa là vùng Đông Nam
Á và Đông Dương, những nơi mà dấu ấn của cây lúa
đã được ghi nhận là khoảng 10.000 năm trước Công
Nguyên [1]. Còn ở
Trung Quốc, bằng chứng về cây lúa lâu đời nhất chỉ
5.900 đến 7.000 năm về trước, thường thấy ở các vùng
xung quanh sông Dương Tử [2].
Từ Đông Nam Á, nghề trồng lúa được du nhập vào
Trung Quốc, rồi lan sang Nhật Bản, Hàn Quốc, những nơi
mà cư dân chỉ quen với nghề trồng lúa mạch.
Ở Trung Quốc và Nhật Bản ngày xưa, chỉ có giai
cấp quí tộc hay võ sĩ mới có gạo ăn thường xuyên.
Ở Hàn Quốc, người ta có danh từ “annam mi” để
chỉ loại gạo nhập cảng từ Việt Nam và các nước Đông
Nam Á.
Á
châu là một trung tâm sản xuất lúa gạo lớn nhất
thế giới. Theo
thống kê của Cơ quan Thực phẩm Liên hiệp quốc, trên
thế giới có khoảng 147,5 triệu ha đất dùng cho việc
trồng lúa, và 90% diện tích này là thuộc các nước Á
châu [3]. Các nước
Á châu cũng sản xuất khoảng 92% tổng sản lượng lúa
gạo trên thế giới. Ngày
nay, Thái Lan và Việt Nam là hai nước xuất cảng gạo hàng
đầu trong thị trường lúa gạo thế giới.
Lúa
gạo còn là nguồn lương thực quan trọng cho khoảng 3
tỷ người [hay khoảng 2 phần 3 cư dân] trên thế giới.
Trong khi dân số thế giới tiếp tục gia tăng thì
diện tích đất dùng cho trồng lúa lại không tăng, nếu
không muốn nói là giảm theo thời gian.
Do đó, vấn đề lương thực từng được đặt ra
như là một mối đe dọa đến sự an ninh và ổn định
của thế giới trong tương lai.
Theo dự đoán của các chuyên gia về dân số học,
nếu dân số thế giới tiếp tục gia tăng trong vòng 20 năm
tới, thì sản lượng lúa gạo phải tăng 80% mới đáp
ứng cho nhu cầu sống còn của cư dân mới.
Trong điều kiện eo hẹp đó, người ta phải suy
nghĩ đến một chiến lược để tăng sản lượng lúa
gạo. Một trong
những chiến lược quan trọng là ứng dụng công nghệ
sinh học vào việc gây giống mới và qua đó, hi vọng
sẽ đem lại cho thế giới một nguồn thực phẩm mới,
an toàn hơn, và có giá trị dinh dưỡng cao.
Nhưng
muốn gây giống mới một cách an toàn, người ta cần
phải biết cấu trúc sinh học của cây lúa.
Ngày nay, qua tiến bộ của khoa học sinh học phân
tử, người ta đã biết được rằng, cũng giống như
con người, cái đơn vị sinh học cơ bản nhất trong
mỗi cây lúa là tế bào
(cells). Mỗi cây lúa
được cấu tạo bằng hàng tỷ tế bào.
Tất cả các tế bào đều có cấu trúc giống
nhau: trong mỗi tế bào đều có một cái nhân
(nucleus) nằm chính giữa.
Cái nhân này có chứa những chất liệu di truyền
mà ta thường gọi là DNA (viết tắc từ chữ
deoxyribonucleic acid). Mỗi
nhân thường có hàng triệu DNA.
DNA gồm có bốn yếu tố hóa học: A (adeline), C
(cytosine), G (guanine), và T (thymine).
Một mảng DNA tạo thành một gene.
Và nhiều gene tạo thành một bộ di truyền, còn
gọi là chromosome.
Có thể nói một cách ví von bằng cách dùng quyển
sách như là một ví dụ: (a) trong sách có 23 chương
(chromosome); (b) mỗi chương có nhiều câu chuyện (genes);
(c) mỗi câu chuyện có nhiều đoạn văn (exons); (d) mỗi
đoạn văn có nhiều chữ (codons); và (e) mỗi chữ được
viết bằng các mẫu tự (bases).
Do
đó, cũng như con người, gene đóng một vai trò cực kỳ
quan trọng trong việc điều hành sự sinh trưởng, tồn
tại, và bảo vệ thực vật, kể cả cây lúa, chống
lại các mối đe dọa từ thiên nhiên.
Gene có chức năng gửi các tín hiệu hóa học đi
đến tất cả các nơi trong cây lúa.
Những tín hiệu này có chứa đầy đủ các thông
tin, các chỉ thị cụ thể cho các cơ quan trong cây lúa
phải hoạt động ra sao. Việc
tìm hiểu số lượng gene cũng như cơ cấu tổ chức
của gene trong cây lúa là một điều tất yếu để mang
lại những tiến bộ mới và quan trọng của bộ môn
sinh học.
Tuần
vừa qua, hai nhóm nghiên cứu (Viện Nghiên cứu Di truyền
Bắc Kinh (Beijing Genomic Institute, viết tắt là BGI) và Công
ty sinh học Syngenta (San Diego, Mỹ)), công bố rằng họ đã
gần hoàn tất công trình tìm hiểu cơ cấu tổ chức
của hệ thống di truyền trong cây lúa [4].
Nhóm Bắc Kinh cộng tác cùng một nhóm gồm các nhà
khoa học thuộc Trung tâm Nghiên cứu Di truyền thuộc Trường
Đại học Washington (Seattle) nghiên cứu giống lúa có tên
là indica, trong khi Công
ty Syngenta thì tập trung vào nghiên cứu một giống lúa japonica
có hình dạng ngắn hơn giống indica [5].
Đây là một công trình nghiên cứu quan trọng trong
khoa học, vì là lần đầu tiên trong lịch sử nhân
loại, con người có thể toàn bộ cấu trúc di truyền
của cây lúa. Khám
phá của công trình nghiên cứu này còn có ý nghĩa mang
tầm dóc thế giới, vì trong tương lai các ứng dụng
dựa vào các dữ kiện này sẽ có ảnh hưởng đến hàng
tỷ người trên toàn cầu.
Một số điểm nổi bật trong công trình
của hai nhóm nghiên cứu này có thể được tóm gọn như
sau:
Thứ
nhất, số lượng gene trong lúa còn nhiều hơn cả trong
con người. Theo nhóm
nghiên cứu BGI, giống lúa indica
(còn có tên là bulu ở
Nam Dương) có khoảng
45.000 đến 56.000 genes. Còn
nhóm Syngenta thì ước lượng rằng giống lúa japonica
(còn có tên là sinica)
có khoảng 32.000 đến 50.000 genes.
Đây là một sự ngạc nhiên, bởi vì từ lâu người
ta vẫn nghĩ con người phức tạp hơn thực vật, và do
đó số lượng genes trong con người phải cao hơn số lượng
gene trong thực vật. Tuy
nhiên, qua công trình Human Genome Project (HGP) vừa được công
bố năm qua thì con người chỉ có khoảng 30.000 đến
39.000 genes, hay có ước đoán mới đây là 34.000 đến
35.000 genes [6]. Do
đó, đứng trên phương diện sinh học, có thể nói
rằng con người có cấu trúc di truyền đơn giản hơn cây
lúa!?
Thực
ra, chưa thể kết luận như thế được, vì cần phải
hiểu thêm những khác biệt về cấu trúc di truyền trong
con người và trong cây lúa.
Kết quả nghiên cứu của nhóm BGI và Syngenta cho
thấy cấu trúc di truyền trong con người có vẻ phức
tạp hơn cấu trúc trong cây lúa.
Tính trung bình, mỗi gene trong cây lúa có khoảng
4.500 mẫu tự DNA, trong khi gene trong con người dài đến
cả 7 lần (tức khoảng 30.000 mẫu tự).
Tại
sao cây lúa có nhiều gene hơn con người?
Câu hỏi này đã là một đề tài suy luận lí thú
của giới làm khoa học. Theo
một thuyết đang được lưu truyền hiện nay thì thực
vậy như cây lúa không có khả năng đi lại (chúng chỉ
đứng một chỗ!) và trong hoàn cảnh này, cây lúa là đối
tượng, là con mồi của nhiều kẻ thù kể cả sâu rầy
và môi trường chung quanh.
Do đó, cây lúa được tiến hóa có nhiều genes để
chống trả lại những đe dọa này và tự bảo vệ lấy
mình. Trong khi đó,
con người, khi đối đầu với một sự hiểm nguy, có
thể bỏ chạy hay ít ra là di chuyển được.
Có lẽ sự khác nhau này giải thích một phần nào
về sự khác biệt giữa con người trong cấu trúc di
truyền.
Thứ
hai, so sánh với loại cải xoong Arabidopsis
mà cấu trúc di truyền mới được khám phá thì cây lúa
có nhiều genes hơn. Cải
xoong Arabidopsis có
khoảng 25.500 genes, và mỗi gene, tính trung bình chỉ có
khoảng 1.000 mẫu tự. Khoảng
81% các genes tìm thấy trong cải xoong Arabidopsis
cũng được tìm thấy trong giống lúa indica,
nhưng chỉ có 49% genes trong giống lúa indica
được tìm thấy trong cải xoong Arabidopsis.
Một kết quả tương tự cũng được ghi nhận khi
so sánh giữa giống lúa japonica
và cải xoong Arabidopsis.
Thứ
ba, mặc dù giữa con người và cây lúa có một số genes
có cấu trúc DNA giống nhau, nhưng chưa có bằng chứng nào
cho thấy gene được luân chuyển giữa cây lúa và con người.
Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong cuộc
tranh luận gần đây về thực phẩm được thay đổi
gene, bởi vì nó phủ nhận giả thuyết rằng khi con người
tiêu thụ thực phẩm được thay đổi gene, như gạo
chẳng hạn, thì những genes trong hạt gạo không có khả
năng truyền vào con người.
Nói một cách khác, các thực phẩm hay trái cây
được thay đổi gene có thể không làm thay đổi cấu trúc
gene của con người.
Tuy
nhiên, dù công bố này thể hiện một một bước tiến
dài trong lịch sử nghiên cứu di truyền, nhưng nó cũng
chỉ là một bước đầu, vì từ giai đoạn này đến
giai đoạn kế tiếp như ứng dụng gene vào việc chế
biến hay tạo giống mới là một thách thức lớn.
Thực vậy, dù cho công trình này có hoàn tất nay
mai, thì chúng ta chỉ mới biết được cấu trúc di
truyền mà thôi. Nói
một cách ví von, chúng ta chỉ mới biết được bản đồ,
nhưng chưa biết trong từng vùng (trên bản đồ) có
chứa gì và hoạt động ra sao.
Do đó, giai đoạn kế tiếp là tìm hiểu mối tương
tác giữa genes và môi trường, hay giữa quan hệ genes và
genes mới là một thách thức lớn và đòi hỏi tri thức
trong nhiều lĩnh vực khác nhau, kể cả tin học và toán
học. Theo chúng tôi,
giai đoạn thứ hai này, còn gọi là thời
đại sau bộ di truyền (post-genomic era), mới là một
thời kỳ hấp dẫn và huy hoàng của di truyền học.
Trong
nghiên cứu y học, sau khi bộ di truyền trong con người
được công bố hơn một năm qua, các nhà khoa học trên
khắp thế giới đã và đang tiến sâu vào lĩnh vực nghiên
cứu các chức năng cơ bản của genes.
Nhưng dù thế giới đã chi ra một ngân sách khổng
lồ và hàng vạn nhà nghiên cứu bỏ ra nhiều năm làm
việc, kết quả vẫn còn rất khiêm tốn.
Cho đến nay, người ta vẫn chưa tìm được tất
cả các genes có liên quan đến các bệnh phức tạp như
ung thư, suyễn, tiểu đường, loãng xương, v.v..
Qua kinh nghiệm nghiên cứu trong con người, có thể
nói việc phát triển các giống lúa mới bằng công
nghệ di truyền học là một vấn đề lâu dài và thách
thức lớn.
Đối
với Việt Nam, một nước nông nghiệp, đứng vào hàng
thứ hai trên thế giới về xuất cảng gạo, những vấn
đề được đặt ra sau bộ di truyền lúa được công
bố cũng là những thách thức lớn.
Vấn đề cần được đặt ra là phải tận dụng
những kết quả nghiên cứu này như thế nào để đem
lại lợi ích kinh tế cho nước nhà.
Chúng tôi thấy có thể phát họa một vài phương
hướng như sau:
Thứ
nhất, cần phải đầu tư nhân lực và cơ sở vật
chất vào việc nghiên cứu chức năng của genes (còn
gọi là functional genomics).
Nói một cách khác, đây là cơ hội để các nhà
khoa học Việt Nam nghiên cứu tìm hiểu chức năng của
genes trong việc tăng trưởng và sản phẩm.
Chẳng hạn như tìm hiểu xem genes nào có khả năng
đề kháng sâu rầy, genes nào có khả năng chịu nước/khô,
v.v. Tất nhiên,
genes cũng không thể vận hành một mình, mà cần phải
phối hợp với các genes khác hay môi trường để gây tác
động; do đó tìm hiểu mối tương tác này cũng là một
hướng nghiên cứu rất cần thiết.
Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ sinh
học, các nhà nghiên cứu có thể thử nghiệm chức năng
của hàng vạn genes trong một con chip điện toán.
Thứ
hai, cần phải chú trọng đến bộ môn Thông tin Sinh
học (còn gọi là bio-informatics).
Đây là một bộ môn mới kết hợp các kỹ
thuật máy tính, toán học và di truyền học, để tìm
hiểu cấu trúc và hoạt động của các genes trong mạng
lưới sinh học. Với
một bản đồ genes, cộng với sự tiến bộ về kỹ
thuật thông tin học, bộ môn nghiên cứu này có mục đích
lâu dài là “cá nhân hóa” gene cho từng đặc điểm
hay bệnh lí. Có
thể nói đây là một cơ hội cho Việt Nam, vì song song
với việc phát triển tin học như hiện nay, cần phải
phát triển cả công nghệ thông tin sinh học.
Thứ
ba, cần phải đầu tư nhân lực và xây dựng cơ sở
vật chất vào việc nghiên cứu di truyền.
Phải nói ngay rằng lực lượng khoa học gia Việt
Nam làm việc trong sinh học và công nghệ sinh học còn quá
mỏng, chưa có khả năng cạnh tranh cao với các nước khác
trong vùng. Do đó,
cần phải có chính sách khuyến khích học sinh, sinh viên
theo đuổi sự nghiệp nghiên cứu di truyền học, và từ
đó đẩy mạnh việc đào tạo thêm các chuyên viên có
trình độ cao trong ngành công nghệ sinh học.
Nói
tóm lại, việc công bố bản đồ genes của cây lúa đang
mở ra một kỷ nguyên mới cho công nghệ sinh học, và
cung cấp một cơ hội cho những ai thích [hay có ý định]
dấn thân vào một ngành nghiên cứu hấp dẫn trong thế
kỷ 21, thời đại từng được mệnh danh là thế kỷ
của công nghệ sinh học.
Tài liệu
tham khảo và chú thích:
[1]
Xem, chẳng hạn như, “Southeast Asia and Korea: from
the beginning of food production to the first states” của
Wilhelm Solheim, trong sách “The history of humanity:
Scientific and cultural development,” quyển 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," của
Stephen Oppenheimer, Nhà xuất bản Phoenix (London), 1998, trang
65-71.
[3]
Xem các báo cáo sau đây của FAO: (a) “Rice processing
industries,” FAO/UNDP Regional Workshop, Jakarta, 15-20 July 1985.
Bangkok, FAO Regional Office for Asia 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 học của J. Yu và đồng nghiệp, “A
draft sequence of the rice genome (oryza sativa L. ssp. Indica),
Tập san Science 2002; 296:79.
[5]
Xem báo cáo khoa học của S. A. Goff và đồng nghiệp, “A
draft sequence of the rice genome (oryza sativa L. ssp. japonica),
Tập san Science 2002; 296:92.
[6]
Xem báo cáo khoa học của Ewing B, Green P., “Analysis
of expressed sequence tags indicates 35,000 human genes,” Tập
san Nature Genetics 2000; 25:232-4.
|