CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và Việt Nam 1. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới Do có khả năng thích ứng rộng nên cây đậu tương được trồng khắp các châu lục, nhưng tập trung nhiều nhất ở Châu Mỹ và chiếm tỷ lệ tới 87,4 %, tiếp đến là Châu Á với 8,5 % tổng diện tích đậu tương trên thế giới từ năm 2012 - 2021 [46]. Trong những năm gần đây, diện tích trồng, sản lượng và năng suất đậu tương đều có những biến động nhất định.
Cụ thể, giai đoạn 2012 - 2021 diện tích đậu tương tăng đều từ 105,35 triệu ha đến 129,06 triệu ha. Sản lượng cũng tăng đều từ 241,18 triệu tấn đến 364,06 triệu tấn kéo theo sự tăng năng suất từ 22,89 tạ/ha đến 28,21 tạ/ha. Năm 2020 và 2021, năng suất và diện tích đậu tương tiếp tục tăng nhẹ, đạt sản lương cao nhất năm 2021 là 364,06 triệu tấn [46]. Số liệu được thu thập và trình bày trong Bảng 1.1 Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới những năm gần đây Diện tích Năng suất Sản lượng Năm (triệu ha) (tạ/ha) (triệu tấn) 2012 105,35 22,89 241,18 2013 110,10 24,99 277,53 2014 117,63 26,03 306,20 2015 120,90 26,74 323,31 2016 122,00 27,53 335,90 2017 125,85 28,57 359,53 2018 124,04 26,98 334,64 2019 120,50 27,69 333,67 2020 121,13 28,02 339,41 2021 129,06 28,21 364,06 (Nguồn: FAOSTAT 2012 - 2021) 7 Sản xuất đậu tương tập trung ở các quốc gia có ưu thế về sản xuất nông nghiệp, 12 quốc gia đứng đầu trên thế giới có sản lượng hàng năm trên 1 triệu tấn.
Đứng đầu là Brazil (trên 121 triệu tấn năm 2021), tiếp đó là Mỹ, Argentina và Trung Quốc. Trong số 12 quốc gia đứng đầu thế thế giới về sản xuất đậu tương có 4 quốc gia là Brazil, Mỹ, Trung Quốc và Nga có sản lượng ổn định và liên tục tăng trong 5 năm trở lại đây (Bảng 1. Tình hình sản xuất đậu tương của một số nước đứng đầu trên thế giới trong những năm gần đây (sản lượng trên 1 triệu tấn) Đơn vị tính: tấn TT Quốc gia 2020 2019 2018 2017 2016 1 Brazil 121. Tình hình sản xuất đậu tương ở Việt Nam Tại Việt Nam, đậu tương là cây trồng quan trọng thứ ba sau cây lúa và ngô.
Song diện tích gieo trồng ngày càng giảm, không đáp ứng được nhu cầu của ngành công nghiệp thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, thức ăn thủy sản và công nghệ ép dầu do giống bản địa năng suất thấp, giống nhập ngoại năng suất cao nhưng không có những đặc tính nổi trội của giống bản địa, giá bán không cao so với các cây công nghiệp khác. Nhìn chung, diện tích đậu tương Việt Nam không ổn định, sản xuất nội địa mới chỉ đủ cung cấp cho khoảng 8 - 10% nhu cầu. Tính đến năm 2021, diện tích trồng trên cả nước giảm mạnh chỉ còn 37,3 nghìn ha, giảm hơn 3 lần so với năm 2012 [2], [3]. Tình hình sản xuất đậu tương Việt Nam giai đoạn 2012 - 2021 Diện tích Năng suất Sản lượng Năm (nghìn ha) (tạ/ha) (nghìn tấn) 2012 119,6 14,5 173,5 2013 117,2 14,4 168,2 2014 109,4 14,3 156,5 2015 100,8 14,5 146,4 2016 99,6 16,1 160,7 2017 68,4 14,9 101,7 2018 53,3 15,2 80,8 2019 49,4 15,6 77,3 2020 41,6 15,7 65,4 2021 37,3 16,1 60,2 (Nguồn: Cục Trồng trọt, Bộ NN&PTNT, 2021) Qua Bảng 1.3 cho thấy, diện tích và sản lượng đậu tương của nước ta có chiều hướng giảm dần, đặc biệt trong 05 năm gần đây.
Năm 2012, diện tích đạt 119,6 nghìn ha, sản lượng đạt 173,5 nghìn tấn, đến năm 2021 diện tích chỉ đạt 37,3 nghìn ha và sản lượng giảm còn 60,2 nghìn tấn. Tuy nhiên, từ bảng số liệu thống kê cũng cho thấy năng suất hàng năm của cây đậu tương tương đối ổn định và có chiều hướng tăng nhẹ 9 từ 14,5 tạ/ha (năm 2012) lên 15,7 tạ/ha (năm 2020) và 16,1 tạ/ha (năm 2021) song so với thế giới Việt Nam vẫn là nước có năng suất thấp, chỉ bằng 65% năng suất trung bình của thế giới [2]. Tình hình nhập khẩu đậu tương của Việt Nam giai đoạn 2020 - 2022 Năm 2020 2021 2022 Sản lượng (nghìn tấn) 3.650,2 Nguồn: Bộ Công thương Dựa trên số liệu Bảng 1.4 cho thấy, nhu cầu tiêu thụ đậu tương tại Việt Nam tương đối cao, trong khi đó sản xuất trong nước mới đáp ứng được một phần nhỏ nhu cầu nội địa chủ yếu để chế biến sữa đậu nành và một số loại thực phẩm khác, có đến 90% là nhập khẩu để phục vụ sản xuất dầu ăn và chế biến thức ăn chăn nuôi. Năm 2014, cả nước nhập khẩu hơn 1,5 triệu tấn đậu tương, đến năm 2022 nước ta vẫn phải nhập khẩu hơn 4,9 triệu tấn với chi phí hơn 2,7 tỷ USD để phục vụ cho công nghiệp chế biến, sản xuất dầu ăn và thức ăn chăn nuôi.
Chính vì vậy, việc tăng năng suất và sản lượng đậu tương là rất cần thiết. Tuy nhiên, thực tế sản xuất đậu tương ở nước ta còn gặp nhiều khó khăn, bên cạnh tình hình giá phân bón, thuốc trừ sâu tăng cao và sâu bệnh diễn biến phức tạp còn thiếu nguồn giống tốt cho sản xuất [3]. Tổng quan về nghiên cứu chuyển gen ở cây đậu tương trên thế giới 1. Nghiên cứu về tái sinh in vitro ở cây đậu tương 1.
Vật liệu sử dụng trong tái sinh in vitro ở cây đậu tương Các kết quả nghiên cứu tái sinh cây đậu tương in vitro cho thấy, vật liệu được sử dụng khá đa dạng và phong phú bao gồm trụ dưới lá mầm - hypocotyl [80], lá mầm - cotyledon, nốt lá mầm (cotyledon node) [80], [112], trụ trên lá mầm (epicotyl) [73], [80], sử dụng một nửa lá mầm (half-seed), chồi ngọn (shoot tip) (Hình 1. Tùy vào điều kiện, môi trường nuôi cấy và đặc điểm giống để có thể sử dụng các mẫu nuôi cấy khác nhau cho tái sinh in vitro cây đậu tương. Hiện nay, để tái sinh đậu tương cho chuyển gen, các nhà nghiên cứu chủ yếu sử dụng mẫu nửa lá mầm, trụ dưới hoặc trụ trên của lá mầm. Một số vật liệu nuôi cấy trong nuôi cấy mô đậu tương A: Trụ trên lá mầm; B: Lá mầm; C: Trụ dưới lá mầm; D: Chồi ngọn; E: Nốt lá mầm [56] 1.
Phát sinh phôi soma trong tái sinh in vitro cây đậu tương Phát sinh phôi soma là một kỹ thuật quan trọng trong nuôi cấy mô thực vật. Ưu điểm chính của phương pháp này là sự phát triển của phôi soma bắt chước phôi hợp tử và nếu được bao bọc, sẽ giống như hạt giống (hạt nhân tạo). Tuy nhiên, một số loài có các tế bào tiền phôi được xác định, nên dễ phát triển phôi in vitro, một số loài vẫn chưa có phương pháp hình thành phôi soma in vitro. Các nghiên cứu cho thấy đậu tương phản ứng thuận lợi đối với việc tạo phôi soma (thông qua mẫu cấy lá mầm) và có thể được khai thác một cách thích hợp cho quá trình tạo phôi.
Ở các giống đậu tương khác nhau, sự hình thành phôi soma có khác nhau về yêu cầu môi trường với từng kiểu gen. Chao Yang và cs cho rằng các kiểu gen đậu tương khác nhau yêu cầu nồng độ đường sucrose khác nhau (môi trường MS biến đổi với vitamin B5) để phát triển phôi soma hiệu quả [31]. Tương tự, các giống đậu tương trồng ở các địa điểm khác nhau phản ứng khác nhau đối với in vitro để phát triển phôi soma thông qua nuôi cấy mầm hạt. Do đó, sự phát triển của phôi soma thay đổi theo các kiểu gen khác nhau và các dòng khác nhau phải được sàng lọc để phát triển phôi soma hiệu quả.
Mặc dù 11 quá trình tạo phôi soma cung cấp một số ứng dụng, nhưng khó khăn trong việc sử dụng phôi soma là tỷ lệ thành công không cao. Thông thường, chỉ có một số phôi soma phát triển thành cây con hoàn chỉnh. Nguyên nhân là do tương tác giữa kiểu gen và môi trường nuôi cấy trong quá trình phát triển phôi. Tác giả Birch và Collinson đã chỉ ra rằng nếu phôi soma đậu tương được xử lý bằng một lượng axit abscicic thích hợp thì sẽ dẫn đến cải thiện sự phát triển và trưởng thành của phôi.
Axit abscisic hoạt động như một hormone chống stress, giúp phôi vượt qua các điều kiện bất lợi và đảm bảo sự hình thành cây con tốt hơn khi điều kiện thích hợp [26], [37], [72], Phôi soma có khả năng phát sinh cả chồi, rễ và hình thành cây hoàn chỉnh khi tái sinh. Mặc dù quá trình phát sinh phôi vô tính đã được báo cáo ở một số phòng thí nghiệm nhưng hầu hết các quy trình này khi tiến hành các thử nghiệm chuyển gen ban đầu đã không thành công [31, [34], [77], [113]. đã xây dựng thành công một hệ thống phát sinh phôi soma từ nốt lá mầm còn non ở cây đậu tương khi ông nuôi cấy mẫu trên môi trường có chứa nồng độ 2,4D cao (40mg/l). Phôi vô tính được nhân lên khi nuôi cấy trên môi trường đặc hoặc môi trường dạng lỏng huyền phù có nồng độ 2,4D thấp hơn [50].
Phân tích hình thái và quan sát sự sinh trưởng của phôi cho thấy hầu hết những phôi soma mới đều được sinh ra từ bề mặt phôi ban đầu hoặc cạnh đó có dạng hình cầu, màu xanh sáng [49], [50]. Khi cấy chuyển những phôi này sang môi trường MS (Murashige and Koog) không có chất kích thích sinh trưởng thu được cây con tái sinh hoàn chỉnh. Với hệ thống này, phôi mới sinh ra được sử dụng là mô thích hợp cho chuyển gen [48]. Việc phát sinh phôi soma trong tái sinh in vitro cây đậu tương cũng được ứng dụng trong bảo tồn, lưu giữ và ứng dụng các kỹ thuật di truyền ở cây đậu tương.
Phát sinh cơ quan thông qua mô sẹo trong tái sinh in vitro cây đậu tương Phát sinh cơ quan (chồi/rễ.) từ mẫu cấy thông qua giai đoạn mô sẹo (callus) Trong phương pháp này, mẫu cấy đầu tiên được kích thích để tạo ra callus, sau đó 12 được định hướng để tạo thành cơ quan biệt hóa (chồi, rễ.) và được phát triển thành cây con hoàn chỉnh. Lợi ích của phương pháp này bao gồm việc nhân nhanh giống cây trồng và phát triển các giống mới bằng các biến dị dòng soma. Các biến dị này là do điều kiện nuôi cấy in vitro cung cấp cho các tế bào chưa biệt hóa, tạo ra các biến dị di truyền trong các mô tái sinh. Giống được phát triển như vậy cũng dễ dàng được chấp nhận vì nó không liên quan đến thao tác gen ngoại lai.
Đối với cây đậu tương, một số nghiên cứu đã được thực hiện để sản xuất cây con qua trung gian mô sẹo.