I. Tổng Quan Nghiên Cứu Thiết Kế và Tài Nguyên Sinh Học
Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu đã và đang là vấn đề chính đối với nền nông nghiệp thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Sản lượng lương thực toàn cầu đang bị thiệt hại nghiêm trọng bởi các yếu tố phi sinh học như hạn, ngập úng, mặn, dịch bệnh, xói mòn đất và ô nhiễm môi trường. Trong đó, hạn hán đang là một trong những nhân tố chính gây ảnh hưởng lớn tới nền sản xuất nông nghiệp của toàn cầu và ngày càng trở nên nghiêm trọng ở nhiều khu vực. Các quốc gia thuộc khu vực Nam và Đông Phi là những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất bởi hạn hán. Theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên Hợp Quốc (FAO), sản lượng ngũ cốc của khu vực này trong vụ mùa 2015-16 đã giảm 12% so với năm 2014-15. Những khu vực khác bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hạn hán trong những tháng đầu năm 2016 bao gồm phần lớn các khu vực ở phía Bắc Nam Mỹ, các vùng phía đông của Australia, các hòn đảo thuộc phía Tây Thái Bình Dương và các nước Đông Nam Á thuộc lưu vực sông Mekong đặc biệt là Việt Nam. Cây ngô là một trong các loại cây ngũ cốc quan trọng đối với con người. Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau lúa và được trồng ở nhiều vùng khác nhau. Theo số liệu của Tổng cục thống kê, diện tích trồng ngô ở nước ta năm 2015 ước đạt 1164,8 nghìn ha, sản lượng ước đạt 5287,2 nghìn tấn và năng suất bình quân đạt 4,54 tấn/Ha. Tuy nhiên, sản xuất ngô ở Việt Nam hiện vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong nước, năm 2015 nước ta vẫn phải nhập khẩu khoảng 7,55 triệu tấn ngô. Một trong những nguyên nhân chính là do việc canh tác ngô ở Việt Nam chủ yếu dựa vào nguồn nước mưa tự nhiên. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tăng năng suất và sản lượng ngô hàng năm và đặc biệt là trong điều kiện nắng hạn kéo dài. Do đó, việc nghiên cứu tạo giống ngô chịu hạn đang là chủ đề nghiên cứu của nhiều tổ chức và các nhà khoa học.
1.1. Tầm quan trọng của tài nguyên sinh học bản địa Việt Nam
Việc bảo tồn và khai thác hiệu quả tài nguyên sinh học bản địa có ý nghĩa to lớn đối với sự phát triển bền vững của Việt Nam. Nguồn gen quý giá từ các giống cây trồng, vật nuôi địa phương cần được nghiên cứu và ứng dụng để tạo ra các giống mới có khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu và mang lại giá trị kinh tế cao. Theo Phạm Thị Hằng (2017), việc phân lập và thiết kế các cấu trúc mang gen phục vụ nghiên cứu chuyển gen vào cây trồng là một hướng đi tiềm năng.
1.2. Ứng dụng công nghệ sinh học trong thiết kế giống cây trồng
Trong nhiều năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ sinh học đặc biệt là công nghệ gen để cải thiện khả năng chịu hạn của cây trồng đang được quan tâm. Tuy nhiên, ở nước ta, những thành tựu trong nghiên cứu tạo giống ngô biến đổi gen có khả năng chịu hạn vẫn còn hạn chế. Nguyên nhân gồm cả khách quan và chủ quan như nguồn gen chưa được tập trung khai thác/nghiên cứu nhiều, công nghệ chuyển gen chưa được tiếp cận sớm, đồng thời cây ngô cũng là đối tượng khó để chuyển gen vào hệ gen.
II. Thách Thức Nghiên Cứu Thiết Kế Bền Vững Tài Nguyên Sinh Học
Ở thực vật, trong quá trình thích nghi với điều kiện hạn, sự biểu hiện và các cơ chế điều hòa mức độ biểu hiện của các gen có vai trò quan trọng. Sự biểu hiện của gen liên quan chặt chẽ với các yếu tố điều khiển phiên mã. Gen ZmьZIΡ72 là một trong những gen mã hóa cho yếu tố điều khiển phiên mã của cây ngô đã được phân lập và mô tả bởi Sheng và cộng sự (2012). Theo nhóm nghiên cứu, sự biểu hiện toàn thể của gen ZmьZIΡ72 dưới sự điều khiển của promoter caMѴ35S ở các dòng cây Arabidopsis chuyển gen đã làm tăng đáng kể khả năng thích ứng với khô hạn, cho thấy vai trò tiềm năng của gen ZmьZIΡ72 trong việc tăng cường khả năng chịu hạn đối với cây chuyển gen. Trên cơ sở đó, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc điểm gen ZmьZIΡ72 phân lập từ giống ngô địa phương Việt Nam và thiết kế cấu trúc mang gen phục vụ nghiên cứu chuyển gen vào cây trồng” mục tiêu là phân lập gen và chuyển gen ZmьZIΡ72 vào cây dòng ngô K7 để làm nguyên liệu cho các nghiên cứu tạo giống ngô chịu hạn.
2.1. Hạn chế về nguồn lực và công nghệ nghiên cứu thiết kế
Việc thiếu hụt nguồn lực tài chính và trang thiết bị hiện đại là một trong những rào cản lớn đối với các nghiên cứu về thiết kế và tài nguyên sinh học ở Việt Nam. Điều này ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận các công nghệ tiên tiến và thực hiện các thí nghiệm phức tạp. Theo Phạm Thị Hằng (2017), việc phân lập gen ZmьZIΡ72 từ giống ngô địa phương đòi hỏi các kỹ thuật nghiên cứu chuyên sâu.
2.2. Thiếu hụt chuyên gia và hợp tác quốc tế trong nghiên cứu
Số lượng chuyên gia có trình độ cao trong lĩnh vực thiết kế sinh học và tài nguyên sinh học ở Việt Nam còn hạn chế. Việc tăng cường hợp tác quốc tế và đào tạo nguồn nhân lực là cần thiết để nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.
2.3. Chính sách và quy định về quản lý tài nguyên sinh học
Hệ thống chính sách tài nguyên và quy định pháp luật liên quan đến quản lý và sử dụng tài nguyên sinh học ở Việt Nam cần được hoàn thiện để đảm bảo tính bền vững và hiệu quả. Việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ đối với các kết quả nghiên cứu cũng là một yếu tố quan trọng để khuyến khích đổi mới sáng tạo.
III. Phương Pháp Phân Lập Gen ZmьZIΡ72 Từ Giống Ngô Địa Phương
Các nội dung nghiên cứu cụ thể như sau: - Phân lập, tách dòng gen ZmьZIΡ72 từ giống ngô Tẻ vàng Chắt Dàng (Lai Châu) của Việt Nam. - Xác định và phân tích trình tự của gen ZmьZIΡ72 - Thiết kế các vector mang gen ZmьZIΡ72 - Chuyển gen ZmьZIΡ72 vào cây ngô thông qua vi khuẩn A. tumefaciens - Kiểm tra sự có mặt của gen ZmьZIΡ72 trong cây chuyển gen T0 bằng kỹ thuật PCR.
3.1. Quy trình tách chiết RNA tổng số từ mẫu mô lá ngô
Quá trình tách chiết RNA tổng số từ mẫu mô lá ngô là bước quan trọng để thu được vật liệu di truyền cần thiết cho việc phân lập gen ZmьZIΡ72. Theo Phạm Thị Hằng (2017), việc sử dụng các phương pháp tách chiết RNA hiệu quả sẽ đảm bảo chất lượng và số lượng RNA thu được, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho các bước nghiên cứu tiếp theo.
3.2. Tạo dòng gen ZmьZIΡ72 trong vector pJET1.2
Việc tạo dòng gen ZmьZIΡ72 trong vector pJET1.2 là một bước quan trọng để nhân bản và bảo quản gen mục tiêu. Vector pJET1.2 là một vector plasmid nhỏ gọn và dễ sử dụng, giúp cho việc tạo dòng gen trở nên nhanh chóng và hiệu quả. Theo Phạm Thị Hằng (2017), việc sử dụng vector pJET1.2 sẽ giúp cho việc thiết kế các vector tái tổ hợp mang gen ZmьZIΡ72 trở nên dễ dàng hơn.
3.3. Thiết kế các vector tái tổ hợp mang gen ZmьZIΡ72
Việc thiết kế các vector tái tổ hợp mang gen ZmьZIΡ72 là một bước quan trọng để chuyển gen vào cây trồng. Các vector tái tổ hợp này cần phải chứa các yếu tố điều khiển biểu hiện gen phù hợp để đảm bảo gen ZmьZIΡ72 được biểu hiện hiệu quả trong cây trồng. Theo Phạm Thị Hằng (2017), việc thiết kế các vector tái tổ hợp cần phải được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của quá trình chuyển gen.
IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Thiết Kế Vật Liệu Sinh Học Bền Vững
Các gen liên quan đến chức năng bảo vệ trực tiếp lên màng tế bào và protein như LEA protein, heat shock protein (HSP), cold shock protein (CSP). LEA là một nhóm các protein tự nhiên tích tụ trong hạt phấn hoa, hạt và các mô thực vật trong quá trình đáp ứng lại các stress phi sinh học. Việc tích lũy các protein LEA liên quan trực tiếp với khả năng chịu khô hạn ở thực vật. Bên cạnh dữ liệu phong phú về cấu trúc và sự biểu hiện của protein này, ngày càng có nhiều các công trình đề cập đến việc sử dụng các gen LEA nhằm cải thiện tính chống chịu khô hạn ở thực vật. Ví dụ, gen HѴA1 mã hóa nhóm protein LEA3 của cây lúa mạch (H0rdeum vulgare L. Người ta đã chuyển nạp gen này thành công vào cây ngô để tăng cường khả năng chịu hạn và mặn trong điều kiện nhà lưới. Gen 0sLEA3-1 nhạy cảm với mặn đã thể hiện tính chống chịu khô hạn trong điều kiện đồng ruộng nhờ sự điều khiển của promoter caMѴ35S và promoter HѴA1-like.
4.1. Phát triển vật liệu xây dựng từ tài nguyên sinh học
Nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu sinh học có thể tái tạo và phân hủy sinh học để thay thế các vật liệu xây dựng truyền thống, giảm thiểu tác động đến môi trường. Ví dụ, sử dụng tre, rơm rạ, hoặc sợi thực vật để sản xuất gạch, tấm lợp, hoặc vật liệu cách nhiệt.
4.2. Ứng dụng thiết kế sinh học trong nông nghiệp bền vững
Sử dụng các nguyên tắc thiết kế sinh học để tạo ra các hệ thống nông nghiệp tự duy trì và ít phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên bên ngoài. Ví dụ, thiết kế các hệ thống canh tác xen canh, luân canh, hoặc sử dụng các loại cây trồng có khả năng cố định đạm để cải tạo đất.
4.3. Thiết kế sản phẩm sinh học thân thiện với môi trường
Phát triển các loại sản phẩm sinh học có thể phân hủy sinh học và không gây hại cho môi trường. Ví dụ, sử dụng các loại vật liệu sinh học để sản xuất bao bì, đồ gia dụng, hoặc các sản phẩm tiêu dùng khác.
V. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Thiết Kế Tài Nguyên Sinh Học
Các protein sốc nhiệt (HSP) và sốc lạnh (CSP) là các chaperone ngăn ngừa sự biến đổi và gấp nếp của các thành phần tế bào trong điều kiện stress. Các gen cspA và cspB từ vi khuẩn đã được chuyển vào ngô để tăng cường khả năng chịu hạn, nóng, và lạnh bằng cách bảo vệ quá trình quang hợp, sinh dưỡng và các giai đoạn sinh trưởng, sinh sản. Năng suất tăng lên khoảng 11 – 12% đối với cây ngô chuyển gen cspA và cspB thông qua việc đánh giá các thử nghiệm về năng suất trong nhiều năm, ở nhiều địa điểm.4 và sHSP26 là 3 protein sốc nhiệt nhỏ đã được xác định bằng các sử dụng quang khối phổ MALDI-T0F ở lá ngô khi đáp ứng với stress hạn. Các phân tích hệ phiên mã cho thấy mức biểu hiện của các sHSP này được điều chỉnh tăng lên khi đáp ứng với stress nhiệt và hạn ở lá ngô. AЬA chịu trách nhiệm điều hòa biểu hiện sau phiên mã các sHSP này. Protein cyclophilin (CѴP) liên quan đến nhiều chức năng như phân chia tế bào, truyền tín hiệu tế bào, vận chuyển protein, điều hòa phiên mã, cắt nối tiền mГПA và khả năng chịu stress.
5.1. Tăng cường hợp tác nghiên cứu và phát triển
Việc tăng cường hợp tác nghiên cứu giữa các trường đại học, viện nghiên cứu, và doanh nghiệp là cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực thiết kế và tài nguyên sinh học ở Việt Nam. Cần có các chương trình hỗ trợ tài chính và kỹ thuật để khuyến khích các dự án nghiên cứu có tính ứng dụng cao.
5.2. Đẩy mạnh ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp
Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp cần được đẩy mạnh để tạo ra các giống cây trồng và vật nuôi có năng suất cao, chất lượng tốt, và khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu. Cần có các chính sách khuyến khích và hỗ trợ để thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất nông nghiệp.
5.3. Phát triển kinh tế sinh học bền vững tại Việt Nam
Việc phát triển kinh tế sinh học cần được thực hiện theo hướng bền vững, đảm bảo bảo tồn đa dạng sinh học và sử dụng hợp lý tài nguyên sinh học. Cần có các chính sách khuyến khích và hỗ trợ để thúc đẩy việc phát triển các ngành công nghiệp sinh học có giá trị gia tăng cao và thân thiện với môi trường.
