Đa dạng sinh học được coi là nền tảng của nông nghiệp, là nguồn cung cấp tất cả các loại cây trồng và vật nuôi đã được thuần hóa và nhân giống kể từ khi nền nông nghiệp ra đời khoảng 10.000 năm trước. Các loại cây trồng như bắp và lúa mì là những loại cây trồng hoang dã không ăn được nhưng qua nhiều năm thuần hóa, các giống ăn được đã trở thành hàng hóa quan trọng.

Một trong những công cụ được sử dụng để tăng cường đa dạng sinh học là công nghệ sinh học. Công nghệ sinh học bao gồm nhiều kỹ thuật và ứng dụng cho phép thay đổi và cải tiến các sinh vật sống để cung cấp các sản phẩm mong muốn cho con người sử dụng. Công nghệ sinh học hiện đang được sử dụng để bảo tồn, đánh giá và sử dụng đa dạng sinh học, đặc biệt đối với các loại cây trồng quan trọng.

Hình: ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực nông nghiệp (ảnh sưu tầm)

Công nghệ sinh học để bảo tồn

Hiện nay, việc mất đi một số loài, nhóm loài cụ thể (tuyệt chủng) hoặc giảm số lượng các sinh vật cụ thể (có nguy cơ tuyệt chủng) đang diễn ra ở nhiều nơi trên thế giới với tốc độ nhanh chóng. Những mất mát này thường là biểu hiện của sự suy thoái hoặc phá hủy hệ sinh thái hoặc môi trường sống. Theo Tổ chức Lương nông thế giới (FAO), ước tính khoảng 3/4 đa dạng di truyền ở cây trồng nông nghiệp đã bị mất trong thế kỷ qua do nhiều lý do như sự kết hợp của các hệ thống sản xuất nông nghiệp khác nhau. và toàn cầu hóa.

Ngân hàng DNA

Nhiều nhà bảo tồn thực vật đang chuyển sang công nghệ DNA để có chiến lược bảo tồn hiệu quả. Ngân hàng DNA là một phương pháp hiệu quả, đơn giản và lâu dài được sử dụng trong việc bảo tồn nguồn gen cho đa dạng sinh học. So với các ngân hàng gen hạt giống hoặc đồng ruộng truyền thống, ngân hàng DNA làm giảm nguy cơ phơi bày thông tin di truyền trong môi trường tự nhiên. Chỉ cần cỡ mẫu nhỏ để bảo quản và giữ được tính chất ổn định của DNA trong kho lạnh. Vì không thể lấy được toàn bộ cây từ DNA nên vật liệu di truyền được lưu trữ phải được đưa vào thông qua các kỹ thuật di truyền.

Một số ngân hàng DNA có mặt trên toàn thế giới, bao gồm các ngân hàng do Viện nghiên cứu lúa gạo quốc tế, Viện đa dạng sinh học quốc gia Nam Phi và Viện khoa học nông nghiệp quốc gia tại Nhật Bản quản lý. Tài liệu ngân hàng gen đã được tăng cường nhờ những tiến bộ trong công nghệ thông tin, hệ thống thông tin địa lý (GIS) và công nghệ đánh dấu DNA. Thông tin về đánh giá biến thể DNA thu được thông qua các công nghệ này giúp tìm kiếm các gen quan trọng.

Công nghệ sinh học để đánh giá đa dạng di truyền

Tế bào mầm đề cập đến các mô sống mà từ đó cây mới có thể hình thành. Nó có thể là toàn bộ cây hoặc một phần của cây như lá, thân, phấn hoa hoặc thậm chí chỉ là một số tế bào. Một nguồn gen chứa thông tin về cấu trúc di truyền của loài. Các nhà khoa học đánh giá sự đa dạng của nguồn gen thực vật để tìm cách phát triển các giống mới có năng suất tốt hơn và chất lượng cao có thể chống lại bệnh tật, sâu bệnh liên tục phát triển và áp lực môi trường. Đánh giá nguồn gen bao gồm sàng lọc nguồn gen về các khía cạnh vật lý, di truyền, kinh tế, sinh hóa, sinh lý, bệnh lý và côn trùng học.

Dấu hiệu phân tử

Các dấu hiệu phân tử được sử dụng để vạch ra cơ sở di truyền của cây trồng và chọn lọc những đặc điểm có lợi để tạo ra nguồn gen tốt hơn cho người trồng. Các dấu hiệu phân tử là các chuỗi ngắn hoặc chuỗi axit nucleic tạo nên một đoạn DNA được liên kết chặt chẽ với các gen cụ thể trong nhiễm sắc thể. Vì vậy, nếu các dấu hiệu có mặt thì gen cụ thể cần quan tâm cũng có mặt.

Những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu về gen, protein và chuyển hóa mang đến những cơ hội đặc biệt cho việc tìm kiếm, nhận dạng và sử dụng thương mại các sản phẩm và phân tử sinh học trong các lĩnh vực dược phẩm, dinh dưỡng, nông nghiệp và môi trường.

Hồ sơ DNA và Protein

Để đưa ra các chương trình quản lý bảo tồn hiệu quả cho các giống cây trồng có nguy cơ tuyệt chủng, điều quan trọng là phải đánh giá mối quan hệ di truyền và khoảng cách với các họ hàng khác của chúng. Thông tin như vậy có thể được lấy từ hồ sơ DNA thường được tiến hành thông qua điện di.

Thông qua phương pháp này, một sinh vật riêng lẻ được xác định bằng cách sử dụng các đặc điểm độc đáo của DNA của nó. Việc lập hồ sơ DNA phụ thuộc vào các phần của DNA không mã hóa protein. Những vùng này chứa các phần lặp đi lặp lại của một chuỗi được gọi là lặp lại song song ngắn (STR). Các sinh vật thừa hưởng số lượng trình tự lặp lại khác nhau từ mỗi bố mẹ và sự thay đổi số lần lặp lại trong STR dẫn đến DNA có độ dài khác nhau. Các vùng STR mục tiêu trên DNA được nhân lên thông qua phản ứng chuỗi polymerase (PCR) và sau đó được phân tách bằng điện di trong máy phân tích di truyền. Protein tham gia vào các quá trình quan trọng khác nhau trong tế bào. Toàn bộ tập hợp protein trong tế bào được gọi là proteome và nghiên cứu liên quan đến cách thức hoạt động và lắp ráp protein được gọi là proteomics. Proteomics dựa trên sản phẩm cuối cùng của hoạt động gen: các mẫu protein được hình thành từ các hoạt động di truyền độc đáo. Thông qua điện di trên gel acrylamide hai chiều (2DE), hỗn hợp protein phức tạp được sắp xếp dựa trên sự kết hợp cụ thể giữa điện tích và trọng lượng phân tử của từng protein. Những mô hình này là tiêu chuẩn để khám phá protein vì các protein giống nhau sẽ di chuyển tại cùng một điểm trên gel. Các dải protein được hiển thị dưới dạng hình ảnh kỹ thuật số và sau đó được phân tích bằng máy quang phổ khối.

Công nghệ sinh học để sử dụng đa dạng sinh học

Hầu hết các loài thực vật được trồng trọt đã mất đi những đặc điểm vốn có của tổ tiên hoang dã của chúng. Những đặc điểm này bao gồm khả năng chống chịu với các điều kiện môi trường khắc nghiệt, thích nghi với các điều kiện đất đai và khí hậu khác nhau cũng như khả năng chống chịu sâu bệnh và mầm bệnh. Để sử dụng những đặc điểm quan trọng này ở các giống cây trồng, các nhà khoa học tìm kiếm các gen mang lại những đặc điểm quan trọng đó. Họ sử dụng công nghệ sinh học truyền thống và hiện đại để tạo ra các biến thể di truyền cải tiến của cây trồng.

Một trong những kỹ thuật truyền thống được sử dụng rộng rãi nhất trong nhân giống cây trồng là lai tạo hoặc lai các dòng bố mẹ (giống thuần chủng cùng loài) với những tính trạng mong muốn để tạo ra dòng cải tiến gọi là lai. Nó tận dụng ưu thế lai hoặc sức sống lai, một hiện tượng mang lại những phẩm chất vượt trội của các giống thuần chủng thông qua việc nhân giống. Các đặc điểm mong muốn cũng có thể được sử dụng ở thực vật thông qua các kỹ thuật biến đổi gen hiện đại như bắn phá hạt và biến nạp qua trung gian Agrobacteria tumefaciens.

Công nghệ sinh học và đa dạng sinh học vì lợi ích của tất cả mọi người

Sự phát triển của công nghệ sinh học làm dấy lên lo ngại về việc mất nguồn gen từ phía nông dân và các nước đang phát triển. Điều này kêu gọi các biện pháp can thiệp chính sách công nhằm thúc đẩy việc cung cấp hàng hóa công liên quan đến bảo tồn đa dạng sinh học nông nghiệp và trực tiếp phát triển công nghệ sinh học để đáp ứng nhu cầu của các nước đang phát triển.

Một loạt các sản phẩm công nghệ sinh học đã cho thấy công nghệ sinh học đã mang lại lợi nhuận cao cho nông dân và xã hội, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp và y học. Các ứng dụng công nghệ sinh học mang lại cơ hội đạt được những tiến bộ đáng kể trong kiến thức của chúng ta về sự đa dạng của một số cây trồng quan trọng nhất. Cùng với các kỹ thuật truyền thống, những ứng dụng này giúp chúng ta tạo ra nhiều tác động hơn đến nguồn gen thực vật và đa dạng sinh học nói chung, đồng thời đáp ứng nhu cầu của dân số ngày càng tăng và duy trì sự sống trong điều kiện khí hậu thay đổi nhanh chóng.

An Bình (biên dịch)

(Nguồn: Biotechnology for Biodiversity ; Pocket K No. 44 Biotechnology for Biodiversity)