Đề tài Vai trò của cây trồng biến đổi gen trong sản xuất nông nghiệp

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề: 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 tăng về nhiên liệu phục vụ vận tải. Các cây trồng còn đóng vai trò chủ yếu về mặt môi trường bằng việc ngăn ngừa xói mòn đất, tăng cường mức ôxi trong khí quyển, giảm sự phát tán CO2 từ việc đốt than đá, và làm giàu đất bằng nitơ, mà chúng quay vòng theo chu kỳ giữa đất và khí quyển. 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. [4] 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 protein phục vụ 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. Chính vì vậy, việc ứng dụng những thành tựu của công nghệ sinh học vào sản xuất nông nghiệp đã, đang và sẽ là sự lựa chọn tất yếu nhằm đáp ứng được những nhu cầu lương thực, thực phẩm của con người trên toàn cầu. Trên cơ sở thực tiễn đó, tôi đã chọn đề tài: “Vai trò của cây trồng biến đổi gen trong sản xuất nông nghiệp” làm đề tài tiểu luận môn Sinh học phân tử của mình. Hy vọng đề tài này sẽ giúp cho tôi hiểu thêm về vai trò to lớn của việc nghiên cứu sinh học phân tử trong cuộc sống của chúng ta hiện nay. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng: Các loại cây trồng biến đổi gen. Phạm vi: Ở đây tôi chỉ đề cập đến một số vai trò cơ bản của thực vật biến đổi gen chỉ trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp. 3. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu đề tài là phương pháp tổng hợp các tài liệu được lấy từ các nguồn thông tin như thư viện, báo đài, internet. Dựa vào sự phân tích, tổng hợp, so sánh, đối chiếu các tài liệu để thực hiện đề tài. Mặc dù đề tài được chuẩn bị khá công phu, nhưng chắc chắn vẫn còn nhiều sơ suất, rất mong được sự góp ý của quí thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin chân thành biết ơn! PHẦN II: NỘI DUNG 1. Sơ lược về sự phát triển của công nghệ sinh học hiện nay. CNSH là một ngành khoa học mũi nhọn không giống với vi sinh vật công nghiệp đã có từ xa xưa với kỹ nghệ sản xuất rượu, bia, sữa chua, phomát, nước chấm... Theo liên đoàn CNSH châu Âu (EFB) thì CNSH là sự kết hợp của các ngành khoa học tự nhiên và khoa học công nghệ nhằm ứng dụng các vi sinh vật, các tế bào, một số thành phần của tế bào hoặc các phân tử tương tự tạo ra những sản phẩm phục vụ cho con người. CNSH đạt được những thành tựu to lớn và có triển vọng phát triển mạnh mẽ trong những năm tới là do đã thừa hưởng được một cách tổng hợp những kết quả của các ngành khoa học cơ bản như vi sinh vật học, di truyền học, sinh hóa học, sinh lý học, sinh học phân tử, miễn dịch học, vi sinh vật học ứng dụng, công nghệ sinh hóa học (Biochemical engineering)... CNSH đang phát triển trên cơ sở các kỹ thuật mới mẻ: kỹ thuật di truyền; kỹ thuật dung hợp tế bào; kỹ thuật phản ứng sinh học (bao gồm kỹ thuật lên men, kỹ thuật  enzym, thiết bị phản ứng sinh học); kỹ thuật nuôi cấy mô; kỹ thuật nuôi cấy tế bào; kỹ thuật cấy chuyển phôi (embryotransplan-tation); kỹ thuật cấy chuyển nhân (nucleustransplan-tation) v.v... Những thành tựu này đang chuẩn bị cho một cuộc cách mạng sinh học trong các ngành kinh tế - kỹ thuật. Trong phạm vi bài này chúng tôi chỉ đề cập đến những ứng dụng CNSH trong lĩnh vực nông nghiệp. Cho đến nay, cách mạng chính về CNSH là kỹ thuật di truyền (hay kỹ thuật tái tổ hợp gen). Giờ đây người ta có thể thực hiện đưa 1 gen lạ vào bất cứ bộ phận nào chỉ cần kiểm tra "sự đồng ý" của tế bào tiếp nhận gen mới. Thành công này có ý nghĩa đặc biệt lớn lao bởi nó cho phép tách rời quy trình sinh học phức tạp thành những phần đơn giản, từ đó dễ dàng xác định được nhiệm vụ và kiểu hoạt động của từng gen, cho phép xác định được mối tương quan giữa cấu trúc với nhiệm vụ của những phân tử. Kỹ thuật di truyền đã mở ra những triển vọng, viễn cảnh mới về lý thuyết thì thật không có giới hạn: con người có thể thiết kế và chế tạo ra những vi sinh vật, những tế bào mà trước đây chưa hề có. Những vi sinh vật nhân tạo này có thể tổng hợp ra ở quy mô công nghiệp những sản phẩm có giá trị phục vụ đắc lực cho việc bảo vệ sức khỏe và nâng cao chất lượng sống của con người. Đương nhiên, nông nghiệp và y tế ứng dụng thành quả kỹ thuật di truyền nhiều nhất, đây là những lĩnh vực đột phá thực hiện cuộc cách mạng CNSH. Về trồng trọt, việc chuyển vào tế bào thực vật một gen lạ của vi khuẩn (chẳng hạn gen cố định nitơ, gen kháng thuốc diệt cỏ, gen kháng côn trùng, gen kháng bệnh...) sẽ khiến cho cây trồng có được những phẩm chất đặc biệt. Mới đây Mỹ đã chế tạo được loại ngô kháng sâu bệnh do từng tế bào của loại ngô này đã mang gen sản sinh tinh thể diệt côn trùng của loài vi khuẩn trừ sâu Bacillus thuringiensis. Để biến nạp gen vào thực vật bậc cao hiện nay có ba phương pháp chủ yếu: biến nạp bằng Agrobacterium, bắn gen và tế bào trần. Để thu được những cây biến nạp hoàn chỉnh cần phải chọn lọc và tái sinh. Sau khi chuyển gen vào cơ thể thực vật, để biết chính xác gen chuyển vào có được biểu hiện thành công không người ta sử dụng phương pháp Southern, kỹ thuật PCR hoặc sử dụng gen chỉ thị.[1] Cho đến nay gần 20 loại cây trồng đã được nghiên cứu thay đổi mật mã di truyền, trong đó thêm 20 loại cây đã đạt được những lợi ích như các nhà tạo giống mong muốn và được đưa ra sản xuất. [3]


Hình 1: Tỷ lệ % các cây trồng biến đổi gen được đưa vào sản xuất (*Nguồn: Giáo trình công nghệ gen trong nông nghiệp)[2] 2. Những vai trò chủ yếu của thực vật biến đổi gen trong nông nghiệp: 2.1. Tính kháng và thích nghi với môi trường 2.1.1. Kháng thuốc diệt cỏ







có khả năng kháng glyphosate
Hình 2: Cây chứa gen bar kháng BASTA với cây đối chứng không chứa gen này. Cả hai đều được phun BASTA, ảnh chụp sau 15 ngày phun thuốc. (Nguồn: Giáo trình Công nghệ gen trong nông nghiệp)[2] 2.1.2. Kháng côn trùng gây hại




Hình 3: Cây ngô biến đổi gen, tạo ra Bt – endotoxin (Trên) và cây ngô bình thường bị nhiễm sâu hại (dưới) (* Nguồn: Giáo trình công nghệ gen trong nông nghiệp)[2] 2.1.3. Kháng virus gây bệnh


được gọi là cross protection. (Hình 4)

Hình 4: Thí nghiệm về cross protection (Bên trái: Cây thuốc lá được xử lý với TMV yếu, sau đó được lây nhiễm với TMV độc tính và kết quả là cây không nhiễm bệnh. Ở giữa: Cây thuốc lá không được xử lý với TMV yếu, xuất hiện triệu chứng bệnh sau khi xử lý với TMV độc tính. Bên phải: Cây biến đổi gen, chứa các gen mã hóa cho protein vỏ của TMV, kháng được sự lây nhiễm.(* Nguồn Giáo trình công nghệ gen trong nông nghiệp)[2]
2.1.4. Kháng vi khuẩn và nấm




2.1.5. Kháng các điều kiện bất lợi:



2.2. Nâng cao chất lượng sản phẩm
2.2.1. Carbonhydrate và acid béo



2.2.2. Hàm lượng protein và amino acid không thay thế




2.2.3. Vitamin, chất khoáng và các yếu tố vi lượng


Hình 5: Lúa vàng “Gold rice” được sản xuất bằng công nghệ gen. (*Nguồn: Giáo trình công nghệ gen trong nông nghiệp)[2]




Ngoài ra, thực vật biến đổi gen còn cung cấp những sản phẩm làm tăng khả năng bảo quản và hương vị hay giảm các chất gây dị ứng, một số được ứng dụng trong y học để sản xuất vaccin. 2.3. Một số ứng dụng mới của cây trồng biến đổi gen: 2.3.1. Chất tổng hợp
2.3.2. Protein thực vật

2.3.3. Cải tạo đất

[2]. PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 1. Kết luận: Qua một quá trình tìm hiểu, phân tích và tổng hợp từ các nguồn tài liệu khác nhau. Tôi đã rút ra được một số kết luận sau: - Thực vật biến đổi gen có vai trò vô cùng to lớn đặc biệt trong sản xuất nông nghiệp, hứa hẹn sẽ có một cuộc cách mạng trong sản xuất lương thực thực phẩm với số lượng và chất lượng ngày càng cao. - Bên cạnh đó, việc tạo ra một số loại cây trồng biến đổi gen mới có khả năng hấp thụ các kim loại nặng trong đất cho phép chúng ta tin rằng trong tương lai không xa vấn đề đất đai bị ô nhiễm sẽ được giải quyết cơ bản. - Không những cây trồng trong nông nghiệp giúp giải quyết cơ bản vấn đề lương thực, thực phẩm mà còn tạo ra khả năng ứng dụng trong sản xuất vaccin, nhựa sinh học (bioplastics),… Trên đây chỉ là một trong những vai trò cơ bản nhất của cây trồng biến đổi gen trong nông nghiệp. Ngoài ra chúng ta còn gặp được rất nhiều ứng dụng khác nhau nữa nhưng trong khuôn khổ của một bài tiểu luận ngắn, cho phép tôi được dừng lại ở đây. 2. Kiến nghị: Cũng xuất phát từ phạm vi bó hẹp của đề tài, vì vậy tôi đề nghị chúng ta cần quan tâm tìm hiểu vấn đề này nhiều hơn nữa, mở rộng tìm hiểu vai trò của thực vật biến đổi gen trong các lĩnh vực khác đồng thời tìm hiểu them trên đối tượng là động vật để có các nhìn toàn diện hơn về vai trò của kỹ thuật di truyền hay kỹ thuật gen đối với đời sống con người cũng như tự nhiên. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trương Văn Lung (Chủ biên) – Giáo trình Công nghệ sinh học trong sản xuất và đời sống – NXB Đại học Huế, 2006. 2. Trần Thị Lệ (Chủ biên), Trần Quốc Dung, Nguyễn Hoàng Lộc - Giáo trình Công nghệ sinh học trong nông nghiệp – NXB Đại học Huế, 2006 3. Trang web Rausach.com.vn (Bài của Doanh Chính – Công nghệ sinh học phục vụ nông nghiệp), 2007 4. Richard Hamilton, Richard B.Flavell và Robert B.Goldberg - công nghệ sinh học cây trồng: những tiến bộ trong thực phẩm, năng lượng và y tế - (Dương Văn Cường dịch Theo Tạp chí Điện tử, Bộ Ngoại giao Hoa kỳ)