Dự án giải mã 600 giống lúa Việt Nam: Mới chỉ là bước khởi đầu
Việc có một cơ sở dữ liệu quý hệ gene các giống lúa bản địa không chỉ đem lại cho các nhà nghiên cứu Việt Nam những hiểu biết sâu sắc hơn về loại cây lương thực quan trọng này mà còn mở ra cơ hội chọn tạo những giống lúa mới có thể đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng hay phù hợp với điều kiện môi trường ngày càng khắc nghiệt. Tuy nhiên, để có được điều đó, cần có những chiến lược đầu tư dài hạn và bài bản về cả nhân lực lẫn kinh phí.
Các nhà nghiên cứu trẻ của Viện Di truyền nông nghiệp Việt Nam
Xu hướng giải mã hệ gene các loài cây lương thực trên thế giới bắt đầu xuất hiện sau sự thành công của Dự án Giải mã hệ gene người (The Human Genome Project), một dự án nghiên cứu quốc tế bắt đầu từ năm 1990 và thành công vào năm 2003. Cùng với sự ra đời của các thiết bị giải trình tự gene thế hệ mới (NGS) và các hệ thống tính toán hiệu năng cao (HPC) – yếu tố giúp rút ngắn việc thực hiện giải mã hệ gene cũng như giảm kinh phí đầu tư, các dự án giải mã hệ gene cây lương thực đã phổ biến trên thế giới, từ lúa gạo đến lúa mì và gần đây nhất là cây lạc.
Cũng trong xu hướng đó, Viện Di truyền nông nghiệp VN (Viện Khoa học nông nghiệp Việt Nam) và Trung tâm Phân tích genome Anh (The Genome Analysis Centre TGAC) thực hiện dự án hợp tác “Giải mã và khai thác đa dạng di truyền nguồn gene lúa bản địa của Việt Nam phục vụ các chương trình nghiên cứu và chọn tạo giống lúa” qua hai pha, pha 1 giải mã 36 giống lúa (2011-2013) và pha 2 là 600 giống lúa (2014-2018). “Đây là dự án có ý nghĩa rất lớn đối với Việt Nam, một quốc gia có nền văn minh trồng lúa nước lâu đời và gạo là mặt hàng quan trọng với cả thị trường trong nước cũng như xuất khẩu”, PGS. TS Khuất Hữu Trung, Phó Viện trưởng Viện Di truyền nông nghiệp Việt Nam (AGI) và là một trong những thành viên thực hiện dự án, đánh giá.
“Đọc hiểu” mã di truyền các giống lúa quý
Việc thực hiện thành công pha 1 vào năm 2013 với 36 giống lúa đầu tiên đã đem lại cơ hội để AGI tiếp tục đề xuất thực hiện pha 2 với quy mô lớn hơn, gồm những dòng/giống lúa bản địa có đặc điểm sinh học như kháng sâu bệnh, kháng bạc lá, chống chịu được những điều kiện bất lợi của môi trường như chịu hạn chịu mặn hay vượt trội về năng suất, chất lượng… “Những kinh nghiệm rút ra từ pha 1 cho thấy, các nhà nghiên cứu của Viện có thể tiếp tục học hỏi và hợp tác với đối tác Anh”, PGS. TS Khuất Hữu Trung nhấn mạnh đến một trong những điểm xuất phát của pha 2 dự án.
Trong cả hai pha của dự án, TGAC – một trong những cơ sở nghiên cứu về khoa học sự sống hàng đầu thế giới, chịu trách nhiệm toàn bộ phần giải mã hệ gene các giống lúa Việt Nam “vì mình không có đầy đủ thiết bị và chuyên gia tin sinh học (bioinformatics)”, anh giải thích. Tuy nhiên, có sự khác biệt đáng kể giữa hai pha, “nếu pha 1 phải mang hạt giống sang gieo trồng và tách chiết DNA từ cây mạ dưới sự hướng dẫn của chuyên gia Anh thì sang pha 2, chúng tôi đã có thể tự tách chiết DNA, mang sang bên đó, dùng sóng âm để cắt thành từng đoạn dài rồi cùng với họ làm giàu và tinh sạch để đưa vào máy giải trình tự gene”.
Việc hợp tác với các chuyên gia hàng đầu thế giới đã giúp các nhà nghiên cứu Việt Nam không chỉ tiếp xúc với các thiết bị giải trình tự gene thế hệ mới mà còn được nâng cao “tay nghề” chuyên môn của mình, ví dụ như kỹ thuật tách chiết DNA, tưởng từng đã quen thuộc với các nhà di truyền học nhưng “có nhiều ngưỡng yêu cầu khác nhau, trước đây mình chưa làm được đúng theo yêu cầu của họ đâu vì mình mới quen làm trên các đoạn ngắn ”, ThS. Đặng Thị Thanh Hà – một thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết. PGS. TS Khuất Hữu Trung giải thích thêm về những điều cơ bản mà anh và các thành viên trong nhóm nghiên cứu kỹ thuật di truyền AGI học hỏi được: “Tách chiết DNA đạt yêu cầu của họ không dễ vì yêu cầu của họ là chất lượng phải rất tốt, ví dụ cái sợi nhiễm sắc thể rất dài, nếu biết cách tách thì nó liền mạch và chỉ bị đứt ở vài điểm thôi, còn nếu không biết cách tách chiết thì nó bị sẽ đứt đoạn. Do đó, chúng tôi phải làm rất cẩn thận và thường thì chỉ cần một lúc là xong nhưng với yêu cầu của họ thì mất hai ngày mới được một mẻ”. Việc trực tiếp sang TGAC và được các chuyên gia ở đó hướng dẫn đã đem lại cho PGS. TS Khuất Hữu Trung cơ hội biết thêm một phương pháp tách chiết DNA hiện đại và trở về hướng dẫn tại ARI. Kết quả là “khi học được rồi, mình có thể tự tách chiết ở đây hơn 600 mẫu rồi tự gửi sang Anh giải trình tự gene”, ThS Đặng Thị Thanh Hà kể.
Với một dự án giải mã hệ gene, sau khi có được mẫu chuẩn để đưa vào máy giải trình tự gene và để có được dữ liệu mới chỉ hoàn thành một phần công việc. “Phần công việc quan trọng còn lại là phân tích, chú giải hệ gene để qua đó, lập được bản đồ gene và xác định được chức năng gene”, PGS. TS Khuất Hữu Trung nói.
Đó cũng là cách làm của các nhà nghiên cứu thế giới. TS. Curtis Pozniak, ĐH Saskatchewan (Canada) – mới công bố kết quả giải mã thành công hệ gene lúa mì cứng vào tháng 4/2019, trả lời trên eurekalert.org: “Chúng tôi có thể kiểm tra các gene, bộ Lúa, cấu trúc của chúng để tập hợp thành một bản chi tiết về lúa mì cứng, qua đó đem lại cách hiểu về các gene hoạt động và liên kết với nhau như thế nào. Bây giờ có thể thấy được các ký tự DNA khác biệt đóng vai trò quan trọng với quá trình tiến hóa và nhân giống, cho phép chúng ta hiểu được sự kết hợp của các gene đang tạo ra một ký tự nucleaobase riêng lẻ một cách đặc hiệu và duy trì các vùng đích của hệ gene để cải thiện giống trong tương lai”.
Với các nhà nghiên cứu AGI, trình tự hệ gene các dòng/giống lúa bản địa mà họ có trong tay sẽ là nền tảng cho các phân tích và chú giải như xác định từng gene, tìm hiểu cấu trúc gene, phân loại các gene chức năng quy định tính trạng của từng giống lúa và sự tương tác giữa các gene với nhau cũng như tương tác với các điều kiện môi trường, canh tác… “Đơn giản như việc tìm được các gene chức năng gì cũng là một thành công và mở ra cơ hội tạo ra giống lúa kháng bạc lá, kháng rầy nâu, chịu hạn…”, PGS. TS Khuất Hữu Trung cho biết.
Mặc dù chỉ là nghiên cứu cơ bản nhưng theo đánh giá của anh, “dự án này đem lại nhiều cơ hội nghiên cứu tiếp trong tương lai, không chỉ về cấu trúc, chức năng gene, lập bản đồ các gene qui định các tính trạng nông học quí để tích hợp một cách chính xác những gene có ích vào cùng một giống tạo ra các giống kháng đa yếu tố mà còn nghiên cứu về quá trình tiến hóa, tiến tới bảo tồn các gene quý, những gene đã bị mất đi ở hầu hết các giống sản xuất trong suốt quá trình nhân giống nhiều thế kỷ”. Hơn hết, với Việt Nam – một trong những quốc gia đang bị ảnh hưởng biến đổi khí hậu và lúa gạo là cây lương thực chính thì việc chọn tạo được những giống lúa kháng đa yếu tố với các đặc điểm sinh học kháng sâu bệnh như rầy nâu, đục thân, khô vằn hay phi sinh học như kháng hạn, mặn, ngập úng… mang ý nghĩa rất lớn bởi nó đưa ra “một cách thức tìm ra giống mới, có thể rút ngắn được thời gian chọn tạo và có chính xác ưu điểm mình cần bên cạnh những cách chọn tạo cổ điển dựa trên hình thái, biểu hiện bên ngoài’, anh nói.
Mới bước qua vạch xuất phát
PGS. TS Khuất Hữu Trung cho rằng, cái khó hiện nay là phải khai thác được dữ liệu quý.
Không phải là những người tiên phong trong giải mã thành công một hệ gene hoàn chỉnh ở Việt Nam nhưng các nhà nghiên cứu AGI lại vượt trội ở ưu điểm: có trong tay một dữ liệu gene khổng lồ của gần 650 giống/dòng lúa bản địa. “Vấn đề còn lại là chúng ta có thể xử lý chúng như thế nào và làm gì với nó”, PGS. TS Khuất Hữu Trung nhấn mạnh đến tình trạng “hậu dự án”. Đó cũng là cái nhìn chung của các thành viên tham gia thực hiện dự án, “Việc thực hiện dự án thực ra không có gì quá khó với các nhà nghiên cứu Việt Nam nhưng khai thác được các dữ liệu mới khó”, ThS. Đặng Thị Thanh Hà bổ sung.
Để có thể khai thác được cơ sở dữ liệu quý như thế này, cần phải có các chuyên gia tin sinh học giỏi. GS. TS Trương Nam Hải, Viện Công nghệ sinh học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam), người đã có nhiều kinh nghiệm thực hiện những dự án nghiên cứu về tin sinh học, cho biết, hiệu quả khai thác dữ liệu thường phụ thuộc vào sự hợp tác giữa các chuyên gia di truyền và tin sinh học, trong đó, người làm di truyền thường nêu bài toán và yêu cầu cần giải quyết để những người làm tin sinh phân tích và chú giải bằng các công cụ chuyên biệt.
Điều khó lúc này, đối với AGI chính là việc tuyển dụng các chuyên gia tin sinh thực thụ, không chỉ cho dự án gene lúa mà còn những kế hoạch khác của Viện liên quan đến hệ gene, “mặc dù cũng mời nhiều chuyên gia Việt Nam giỏi tin sinh học ở nước ngoài về hoặc ở đơn vị khác về viện nhưng khó đáp ứng được yêu cầu về lương của họ”, PGS. TS Khuất Hữu Trung đề cập đến khó khăn của AGI.
Hiện tại, “kho vàng” dữ liệu mà các nhà nghiên cứu AGI có mới chỉ khai thác một cách nhỏ giọt và dè dặt với một số công bố quốc tế và một vài dự án nhỏ. “Mình có thể giải quyết được vấn đề về sinh học di truyền, có dữ liệu, máy móc nhưng không tìm được chuyên gia tin sinh để thực hiện những nghiên cứu tiếp theo. Không chỉ viện này mà còn rất nhiều dự án khác và nơi khác đều trong tình trạng đó”, anh Trung cảm thấy day dứt về những điều ngoài tầm với của mình. Viễn cảnh “chỉ cần có một người giỏi về tin sinh cùng làm việc chẳng hạn, chúng tôi có thể công bố được nhiều bài báo trên tạp chí IF cao” thông qua con đường hợp tác cũng không dễ bởi theo anh, “họ sẽ không dành thời gian nhiều cho mình để cùng làm nghiên cứu ra bài báo được. Rút cục phòng máy hiện đại với thiết bị như thế nhưng chưa có người sử dụng hiệu quả”.
Cách đây một vài năm, GS. Trương Nam Hải đã từng nêu hiện trạng thiếu nhà nghiên cứu tin sinh ở Việt Nam… Vậy có cách nào giải quyết được tình trạng đó? PGS. TS Khuất Hữu Trung cho rằng, “có lẽ cách tốt nhất là phải cử người có chuyên môn di truyền đi học tin sinh học, dù như vậy thì rất chậm nhưng nếu mình bắt đầu thì nó còn có chứ nếu không bắt đầu thì không bao giờ có cả”.
Với quan điểm như vậy, khi dự án bắt đầu, anh đã lựa chọn ra một số gương mặt có khả năng phát triển theo hướng tin sinh học để nhờ các đối tác Anh đào tạo. “Ban đầu, tôi tìm hiểu về tin sinh trên những phần mềm đơn giản, lắp ráp gene, tìm một số trình tự gene kháng mà thế giới họ đã công bố trong các giống lúa bản địa của mình, sau đó bắt đầu có khả năng so sánh tham chiếu với các giống lúa đã được giải trình tự rồi để phân loại và tìm ra những gene đặc thù như gene kháng bạc lá, kháng rầy nâu…”, Nguyễn Trường Khoa – một kỹ sư trẻ của AGI, kể lại quá trình học hỏi về tin sinh học dưới sự hướng dẫn của các nhà nghiên cứu Anh.
Quá trình học hỏi diễn ra một cách dần dần, tuy chậm chạp nhưng chắc chắn, “qua pha 1 đến pha 2, chúng tôi đã có thể lắp ráp hệ gene từ trình tự thô mà đối tác giao lại hoặc tìm các gene ứng viên có tính trạng kháng bạc lá, đạo ôn, rầy nâu hay chịu hạn chịu mặn… để tầm soát, thiết kế mồi, nhận dạng các gene đó trong cây giống bản địa, sau đó phục vụ lai tạo cho các giống lúa có đặc tính tốt của các giống bản địa để có được các giống lúa ưu tú”, NCS. Nguyễn Thị Điệp – người đang hoàn thành luận án tiến sỹ qua dự án, kể về những điều mới mẻ mà chị và đồng ngiệp đã học hỏi được.
Tuy nhiên, tất cả mới chỉ là ở giai đoạn bắt đầu, Nguyễn Trường Khoa nhắc đi nhắc lại như vậy khi đề cập đến quá trình học hỏi này. ThS. Đặng Thanh Hà cũng lưu ý:“Bây giờ mọi người mới chỉ tìm được ở trong dữ liệu của mình những gene ứng viên hoặc tự so sánh các đoạn gene ngắn của mình có cái gì mới so với các gene mà quốc tế đã công bố hay không. Mình vẫn còn làm ở mức cơ bản thôi, chưa thể nâng cao tìm ra cái gì đó mới, hoặc nếu tìm ra cái mới thì mình cũng chưa thể chắc chắn là mới vì không biết cách xử lý của mình có chính xác hay không. Do đó, mình vẫn chưa thể khai thác hết được cơ sở dữ liệu của mình”.
Rất may cho Khoa và với cả các nhà nghiên cứu trẻ của AGI là họ có thể áp dụng điều mới học hỏi này vào một dự án nhỏ, “Phát triển phương pháp chọn giống phân tử kết hợp với lai trở lại (MABC) để quy tụ các gene chịu ngập yếm khí ở giai đoạn nảy mầm, nhằm tăng năng suất lúa trong hệ thống canh tác gieo sạ” – dự án nằm trong hạng mục nâng cao năng lực của các tổ chức khoa học do Dự án FIRST (Bộ KH&CN) tài trợ cho AGI, giai đoạn năm 2017 – 2019.
Với dự án do FIRST tài trợ, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu ứng dụng tìm ra nhiều gene mới để tự tích hợp nhiều gene vào một giống lúa. “Trước đây chưa từng áp dụng việc tích hợp nhiều gene vì mình không biết chắc là trong giống bản địa của mình có gene đó. Bây giờ do đã giải mã hệ gene thì mới biết là giống lúa này có gene đó tồn tại”, chị Hà giải thích.
Do mới khảo nghiệm được một vụ nên cả nhóm nghiên cứu đều cảm thấy chưa chắc chắn với kết quả công việc. “Cái chính là mình đã bắt đầu tận dụng các cơ hội có thể để ứng dụng những gì học hỏi được từ dự án. Nhưng để khai thác một cách hiệu quả và lâu dài những điều mình có, cần phải có những dự án dài hơi, đi kèm với những đầu tư tiếp theo về cả kinh phí lẫn nguồn nhân lực”, PGS. TS Khuất Hữu Trung nhận định.
