Một số xu hướng và thành tựu mới của nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao

Tạp chí National Geographic, Mỹ, số ra tháng 9 năm 2017 có bài “Quốc gia nhỏ bé nuôi dưỡng thế giới”. Bài báo cho thấy Hà Lan là một quốc gia nhỏ xíu trên thế giới, với mật độ dân số hơn 1.300 người trên một dặm vuông. Tuy nhiên, Hà Lan xếp thứ 2 về xuất khẩu thực phẩm trên thế giới (tính theo giá trị), chỉ đứng sau Hoa Kỳ, quốc gia với diện tích 270 lần lớn hơn Hà Lan. Gần hai thập kỷ trước, người Hà Lan đã thực hiện cam kết xây dựng quốc gia nông nghiệp bền vững với khẩu hiệu “Thực phẩm tăng gấp 2, chi phí tài nguyên giảm một nửa”.

Hà Lan dẫn đầu thế giới về nông nghiệp công nghệ cao. Ngành nông nghiệp và thực phẩm chiếm 22% tổng xuất khẩu của Hà Lan, trong đó xuất khẩu thiết bị, công nghệ đạt 9,0 tỷ USD năm 2017. Nhu cầu của thị trường quốc tế ngày càng tăng đối với công nghệ của Hà Lan do hiệu quả sử dụng năng lượng tiết kiệm, nông nghiệp chính xác, hệ thống sensors, điều khiển tự động, GPS, máy bay không người lái và những phát minh mới làm cho cây trồng có khả năng chống lại các tác động của biến đổi khí hậu và bệnh tật.

Năm 2015, Hội đồng thẩm định các công nghệ mới, thuộc Diễn đàn Kinh tế thế giới đã bình chọn 10 công nghệ mới quan trọng nhất đối với nhân loại, trong đó có 2 công nghệ thuộc lĩnh vực gen và di truyền, đó là:

Các công nghệ kỹ thuật di truyền chính xác:

• Công nghệ chỉnh sửa hệ thống gen  
• Công nghệ bất hoạt gen

Hệ thống gen kỹ thuật số

Công nghệ chỉnh sửa gen:

Công nghệ chỉnh sửa gen cho phép cắt bỏ hoặc bổ sung một đoạn trình tự DNA (gồm 1 đến nhiều nucleotids hoặc 1 đến vài gen), thay đổi trình tự nucleotids hoặc thay thế các nucleotids trên DNA ở một vị trí xác định trên nhiễm sắc thể của hệ gen. Công nghệ này có khả năng tạo ra cuộc cách mạng sinh học, giống cây trồng, vật nuôi trên toàn cầu. Năm 2017 được xem là một năm quan trọng đối với công nghệ chỉnh sửa gen trong nông nghiệp.

Tháng 3 năm 2017, Israel tuyên bố cây trồng chỉnh sửa gen sẽ không tuân theo các quy chế GMO khi không có DNA ngoại sinh nào được đưa vào hệ gen cuối cùng của thực vật. Tháng 6-2017, Tổ chức nghiên cứu nông nghiệp và thực phẩm quốc gia Nhật Bản đã tiến hành thử nghiệm giống lúa chỉnh sửa gen đầu tiên ở Nhật.

Tháng 9, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đã phê chuẩn giống chỉnh sửa gen Camelina không biến đổi gen (Non GMO) với hàm lượng dầu cao. Công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 đã được Viện MIT và Harvard (Broad Institute of MIT and Harvard) chuyển giao cho các công ty giống siêu quốc gia như Syngenta và DuPont Pioneer để áp dụng cho nông nghiệp. Monsanto cũng nhận được từ Broad Institute of MIT and Harvard giấy phép sử dụng công nghệ CRISPR-Cpf1 mới nhất. DuPont Pioneer nhận được từ ERS Genomics và Đại học Vilnius giấy phép độc quyền CRISPR-Cas cho ứng dụng vào nông nghiệp. DuPont Pioneer đã đạt được thỏa thuận với CasZyme để cùng nhau phát triển một công cụ chỉnh sửa mới theo CRISPR-Cas. Công nghệ mới Genome editing (công nghệ chỉnh sửa gen) với các hệ thống công cụ  sửa gen TALEN, CRISPR/Cas9, CRISPR/Cas đã cho phép chỉnh sửa hệ gen ở rất nhiều loài sinh vật, kể cả các gen gây bệnh ở động vật và người. Số công bố khoa học về ứng dụng của công nghệ này đang tăng nhanh ở cấp số nhân trên thế giới.

Công nghệ bất hoạt gen (RNAi):

Công nghệ này cho phép gây bất hoạt (Knock out) hoặc làm giảm hoạt hóa (Knock down) một gen bất kỳ trong cơ thể sống hoặc giống cây, giống con vì mục đích của con người. Với công nghệ bất hoạt gen, các nhà khoa học Mỹ do TS Craig Venter lãnh đạo đã tạo ra giống tằm kéo tơ nhện (bất hoạt gen tơ tằm và cài gen tơ nhện vào con tằm). Giống tằm kéo tơ nhện có năng suất sợi cao, sợi tơ dài hơn và bền hơn rất nhiều so với tơ tằm.

TS Craig Venter (nhà khoa học đã từng tích cực chống chiến tranh Việt Nam), cũng là nhà khoa học đã tạo ra chủng vi khuẩn nhân tạo đầu tiên trên trái đất. Ông đang mở ra kỷ nguyên thiết kế hàng loạt các chủng vi sinh mới, dự kiến sẽ làm thay đổi ngành công nghiệp vi sinh, công nghiệp sinh hóa và enzyme trong tương lai không xa. Bằng cách kết hợp gây bất hoạt các gen màu đặc thù của hoa hồng và chuyển gen của các loài hoa màu violet và blue, các nhà khoa học Úc ở CSIRO đã tạo ra giống hoa hồng mới chưa từng có mang màu tím violet và màu xanh blue.  

Giống mía năng lượng: Tập đoàn Granbio (Brazil) đã phát triển giống mía năng lượng Cana Vertix Energycane để sản xuất ethanol từ bã và thân lá cây mía, năng suất cao gấp 3 lần so với mía thông thường và có thể trồng trên đất thoái hóa. Cana Vertix đã được phát triển bằng cách lai các loài mía dại với giống mía thương mại. Giống mới sinh trưởng mạnh hơn, chịu sâu bệnh tốt hơn, hàm lượng chất xơ cao hơn và năng suất cao hơn các giống mía thương mại khác. Trại thực nghiệm mía của USDA-ARS tại Canal Point (Mỹ) đã chọn tạo được các giống mía năng lượng Energycane có năng suất đạt 220 tấn/ha.

Đặc biệt hơn, bằng công nghệ di truyền, các nhà khoa học Mỹ đã chọn tạo được giống mía mới, chưa từng có trong tự nhiên, gọi là giống Mía béo (LipidCane). Nhóm nghiên cứu PETROSS, Đại học Illinois đã phát triển giống mía có khả năng sản sinh dầu béo trong lá và thân cây, đồng thời cũng có khả năng sản xuất nhiều đường hơn, có thể được sử dụng cho sản xuất ethanol và diesel. Đến nay, PETROSS đã tạo được cây mía chuyển gen với hàm lượng dầu béo đạt 13%, trong đó 8% là dầu có thể chuyển đổi thành dầu diesel sinh học.

Trong tự nhiên, chỉ có cây thanh cao hoa vàng có khả năng sinh tổng hợp chất chống sốt rét Artemisilin. Các nhà khoa học Mỹ đã chuyển gen từ cây thanh cao hoa vàng vào nấm men và vi khuẩn E.Coli để sản xuất thuốc chống sốt rét Artemisilin. Nhờ vậy, việc sản xuất Artemisilin quy mô lớn sẽ được thực hiện hoàn toàn bằng bằng công nghệ lên men vi khuẩn và nấm men, thay thế cây thanh cao hoa vàng. Hệ thống sản xuất công nghiệp do Công ty dược Sanofi thực hiện.

Brazil là nước sản xuất mía và nhiên liệu từ mía đường lớn nhất thế giới: trong niên vụ 2013-2014, họ sản xuất 659 triệu tấn mía cây, 38 triệu tấn đường và gần 28 tỷ lít ethanol. Niên vụ 2015/2016, Brazil đã tăng sản lượng ethnol lên 30,23 tỷ lít. Từ tháng 9/năm 2014, tập đoàn Grand Bio, lần đầu tiên ở Brazil đã bắt đầu sản xuất bioethanol từ cellulose (ethanol thế hệ 2), dựa chủ yếu vào công nghệ enzyme từ Hãng Novozymes Đan Mạch và chủng giống vi sinh nhập từ hãng DSM Đức. Công ty Đan Mạch Novozymes cung cấp các enzyme dùng để phân giải lignin và hemicellulose trong bã, lá mía để sản xuất glucose, sau đó sản xuất ethanol thông qua quá trình lên men đường glucose. Brazil đã trở thành quốc gia đầu tiên xây dựng thành công công nghiệp sản xuất Bio-Ethanol lớn nhất thế giới từ toàn bộ sinh khối cây mía.

Các nhà khoa học thuộc Trung tâm Kỹ thuật gen và CNSH quốc tế (ICGEB) cho biết họ đã phân lập, thiết kế được các chủng vi sinh vật và các enzym đặc thù từ ruột ở các loại côn trùng đặc biệt trong tự nhiên như mối ăn gỗ, sâu đục thân, các loại nấm, vi khuẩn… Các chủng vi sinh và enzym đã cho hiệu quả chuyển hóa sinh khối thành đường rất cao. Từ 10 kg rơm rạ khô, họ đã thu được tới 6 kg đường. Công nghệ này đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm giảm giá thành các chủng giống vi sinh và enzym xuống thấp nhằm chuyển hóa công nghệ này thành công nghiệp.

Phải chăng cuộc cách mạng công nghiệp sinh khối trên thế giới đã bắt đầu. Các chủng vi sinh vật và các enzyms mới có thể chuyển hóa toàn bộ sinh khối thành đường, hóa chất, năng lượng sinh học và vật liệu mới. Mỗi chủng vi sinh vật và các enzyms trong đó là một nhà máy sinh hóa mini. Mỗi cơ thể sống, tế bào sống thực vật và động vật là một nhà máy sinh hóa khổng lồ. Công nghệ vi sinh và enzyms sẽ có thể chuyển hóa sinh khối thành vô vàn các sinh chất khác nhau.

Thế giới sản xuất trung bình khoảng 620 triệu tấn sinh khối rơm rạ năm. Việt Nam sản xuất khoảng 45 triệu tấn lúa năm. Sinh khối rơm rạ và vỏ trấu ước tính trên 45 triệu tấn năm. Nước ta mỗi năm cũng sản xuất trên 4 triệu tấn bã mía. Việc nghiên cứu phát triển các công nghệ chế biến sinh khối thành phân bón, giá thể hữu cơ, nấm ăn và nấm được liệu và hóa chất nông nghiệp đã và đang được Bộ KHCN đầu tư phát triển ở một số công ty và viện nghiên cứu.

Các thủ lĩnh quốc gia đều hiểu rằng đổi mới sáng tạo chỉ có thể nẩy mầm trên các nền tảng các phát minh, sáng chế mới của KHCN. Các xu hướng và thành tựu của KHCN trên thế giới hết sức đa dạng. Trên đây, chúng tôi chỉ đề cập được một số xu hướng phát triển để chúng ta cùng tham khảo. Tầm nhìn chiến lược là đèn pha chiếu rọi tương lai. Trong thời đại ngày nay, tầm nhìn chiến lược phải là tầm nhìn từ vệ tinh, từ các dữ liệu lớn và trí tuệ tin học sắc sảo. Thiếu tầm nhìn sẽ chẳng khác nào “múa gậy trong bị”. Trong khi, trí tuệ kinh tế và trí tuệ KHCN là 2 đòn bẩy chủ lực để nâng cao hiệu quả của hệ thống nông nghiệp nước nhà. Thiếu 2 đòn bẩy đó, nền kinh tế chắc chắn sẽ tụt hậu và thiệt hại đầu tiên chính là nông dân, gần 70% dân số nước ta đang sống ở nông thôn.

Nguồn: nongnghiep.vn

TRUNG HIẾU – TRẦN HỒ (GHI)
GS.TS ĐỖ NĂNG VỊNH
(Viện Di truyền Nông nghiệp)