Nhu cầu thức ăn chăn nuôi gia súc và gia cầm dự kiến sẽ tăng trong 50 năm tới, do nhu cầu thực phẩm tăng song song với việc dân số tăng gấp đôi. Cây thức ăn chăn nuôi đủ dinh dưỡng và thân thiện với môi trường là mục tiêu nhân giống để gián tiếp cung cấp lương thực cho dân số ngày càng tăng.

Việc chỉnh sửa gen, đặc biệt là thay đổi có mục đích các chất dinh dưỡng cụ thể thông qua kỹ thuật DNA tái tổ hợp, được gọi là kỹ thuật trao đổi chất, đang được tiến hành để tạo ra các giống mới có năng suất cao và các đặc điểm tăng cường dinh dưỡng. Tăng cường dinh dưỡng cho cây trồng nhằm mục đích điều chỉnh mức độ protein và axit amin, chất béo và dầu, vitamin và khoáng chất, chất lượng carbohydrate và chất xơ, cũng như giảm mức độ các thành phần không mong muốn trong các loại cây trồng làm thức ăn chăn nuôi chính.

Cây trồng làm thức ăn chăn nuôi có protein và axit amin

Đối với nhu cầu của vật nuôi, hầu hết các loại ngũ cốc không cung cấp nguồn protein cân bằng do thiếu các axit amin thiết yếu: lysine, methionine và tryptophan. Công nghệ sinh học đã được ứng dụng thành công trong việc phát triển các loại cây trồng có mức độ hạn chế axit amin ngày càng tăng, từ đó cung cấp giải pháp thay thế cho việc bổ sung trực tiếp các axit amin bổ sung vào khẩu phần ăn của động vật, cũng như giảm bài tiết N ra môi trường.

Bắp biến đổi gen (GM) tăng lysine (LY038) được phát triển bằng cách chèn gen cordap A từ một loại vi khuẩn phổ biến trong đất là Corynobacter glutamicum. Tăng cường sản xuất và tích lũy lysine tự do (Lys) trong hạt bắp GM làm tăng trọng lượng cơ thể, chuyển hóa thức ăn và năng suất thân thịt của gia cầm và heo thí nghiệm tương đương với động vật được nuôi bằng khẩu phần bổ sung Lys và cao hơn so với những con được cho ăn khẩu phần bắp thông thường. Chuột được nuôi bằng một loại bắp giàu Lys khác có gen có nguồn gốc từ khoai tây cũng được cho là an toàn như bắp thông thường.

Hình: Bắp biến đổi gen tăng lysine (ảnh sưu tầm)

Kết quả tương tự cũng được thấy ở gia cầm được nuôi bằng lúa chuyển OASAID với lượng tryptophan tự do (Trp) tự do tăng cao trong hạt. Trọng lượng cơ thể và hiệu quả sử dụng thức ăn của gà được nuôi bằng lúa GM tăng Trp 55% tương tự với gà được nuôi bằng lúa thông thường có bổ sung Trp tinh thể, nhưng cao hơn ở nhóm được nuôi bằng chế độ ăn đối chứng không bổ sung.

Sự kiện đậu nành giàu protein M703 được phát hiện có chứa nhiều axit amin dễ tiêu hóa lysine, methionine, threonine và valine và có mức năng lượng chuyển hóa cao hơn so với khô đậu nành thông thường trong một thí nghiệm với gà trống.

Lupin lá hẹp (Lupinus angustifolius) biểu hiện albumin hướng dương giàu methionine có hàm lượng methionine tăng gấp đôi. Khi cho gà thịt ăn, lượng methionine bổ sung cần thiết trong khẩu phần chứa 25% bột lupin có thể giảm 0,6 g/kg nếu sử dụng lupin GM có hàm lượng methionine cao thay thế.

Cây thức ăn chăn nuôi có hoạt chất sinh học

Lúa mạch có hàm lượng ß-glucan cao vốn có chưa được sử dụng làm thành phần thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên, với sự biểu hiện của Bacillus ß-glucanase chịu nhiệt tác động lên các glucan này, lúa mạch GM có thể là nguồn thay thế hoặc bổ sung khả thi cho thức ăn chăn nuôi, đặc biệt ở những khu vực không thể trồng bắp vì lý do khí hậu. Lúa mạch là loại cây trồng có khả năng chống chịu stress tốt hơn bắp. Các nghiên cứu về thức ăn được thực hiện ở gia cầm cho thấy rằng chế độ ăn dựa trên lúa mạch có bổ sung một lượng nhỏ hạt GM biểu hiện ß-glucanase có thể cung cấp một giải pháp thay thế cho chế độ ăn dựa trên bắp cho gà thịt dựa trên tăng trọng cơ thể.

Các gen lactoferrin (LF) và lysozyme (LZ) của con người được đưa vào hạt gạo có đặc tính kháng khuẩn và kích thích miễn dịch. Thuốc kháng sinh được sử dụng thường xuyên trong các trang trại gia cầm để cải thiện hệ vi sinh đường ruột cũng như phòng ngừa và điều trị bệnh. Gà được cho ăn khẩu phần gạo GM LF hoặc LZ thay thế cho kháng sinh trong khẩu phần ăn của gia cầm cho thấy tác dụng ở ruột tương đương với gà được cho ăn bằng kháng sinh. Ở chuột và heo, một dòng lúa GM khác biểu hiện gen lactoferrin ở người đã được đánh giá và kết quả thí nghiệm về khả năng tiêu hóa cho thấy chất lượng dinh dưỡng của gạo LF vượt trội so với gạo thông thường.

Cây trồng thức ăn chăn nuôi có khả năng cung cấp phốt pho được cải thiện

Nguyên tố phốt pho (P) được lưu trữ trong thực vật dưới dạng muối phytate. Khi được tiêu thụ bởi động vật dạ dày đơn như ngựa, heo, gia cầm, mèo, chó … nó hòa tan kém và được sử dụng trong đường tiêu hóa, khi đi kèm với nồng độ canxi trong chế độ ăn cao và không có phytase nội sinh (liên kết phytate thủy phân enzyme giải phóng hoạt động của nguyên tố P). Do đó, phốt phát không tiêu hóa được bài tiết bởi những động vật này khi tích tụ trong đất và nước dẫn đến ô nhiễm phốt pho và tích tụ chất hữu cơ, cuối cùng làm giảm lượng oxy có trong nước. Ngoài ra, axit phytic (dạng phản ứng của muối phytate) tạo thành muối không hòa tan với kẽm và các cation khác làm giảm khả dụng sinh học của các khoáng vi lượng ở những động vật này. Vì vậy, phát triển cây trồng biến đổi gen bằng enzyme phytase là giải pháp quan trọng cho vấn đề này.

Bắp biến đổi gen biểu hiện gen phytase có nguồn gốc từ Escherichia coli khi nghiên cứu trên gà thịt cho thấy rằng việc sử dụng khẩu phần bắp chuyển gen ngày càng tăng làm tăng tuyến tính chất khô P, canxi (Ca) và nitơ (N). Nó cho thấy rằng bắp biến đổi gen có hiệu quả tương đương với phytase vi sinh vật thương mại trong khẩu phần gà thịt thiếu P và Ca và do đó sẽ giảm thiểu nhu cầu bổ sung P ¹¹ vào khẩu phần ăn . Các nghiên cứu bổ sung cho thấy sinh lý đường tiêu hóa được cải thiện, hoạt động phytase tăng cao và giảm hàm lượng axit phytic P. Gen phytase của E. coli được đưa vào lúa cho thấy kết quả tương tự về độ an toàn và dinh dưỡng sẵn có trong các thí nghiệm trên chuột.

Đậu nành biến đổi gen biểu hiện gen chuyển Aspergillus niger phytase đã được thử nghiệm ở gà thịt so với thức ăn thương mại có bổ sung phytase. Trên cơ sở hiệu suất, khả năng lưu giữ và bài tiết P, các tác giả chỉ ra rằng phytase từ đậu nành GM cho tác dụng tích cực, tương tự như chất bổ sung phytase thương mại. Thuốc lá và lúa mì chứa cùng một gen cho thấy ảnh hưởng có lợi tương tự đến lượng P sẵn có ở gà thịt.

Việc sử dụng cải dầu GM với gen phytase từ Aspergillus fucuum ở gà thịt và heo cai sữa cũng cho thấy khả năng giữ tro xương, P và Ca tương đương với thức ăn có chứa chất bổ sung phytase thương mại.

Phát triển cây thức ăn chăn nuôi với axit béo được cải thiện

Hầu hết các cây trồng biến đổi gen được biến đổi gen để cải thiện hàm lượng axit béo đã được sử dụng làm thực phẩm trực tiếp hoặc sử dụng trong công nghiệp thực phẩm như đậu nành axit oleic DP305423, có khả năng oxy hóa tốt hơn để cải thiện hiệu suất chiên thực phẩm. Giá trị an toàn và dinh dưỡng của bột khô, vỏ và dầu chế biến từ cây đậu nành biến đổi gen được xác định từ các thí nghiệm trên chim cho thấy rằng nó tương đương về mặt dinh dưỡng với đối chứng không biến đổi như thể hiện về trọng lượng cơ thể, sản lượng trứng gà mái, khối lượng trứng, lượng thức ăn ăn vào cũng như sản lượng và chất lượng trứng.

Cây trồng làm thức ăn chăn nuôi có hàm lượng độc tố giảm và các yếu tố kháng dinh dưỡng

Động vật không nhai lại bị ảnh hưởng bất lợi bởi các yếu tố kháng dinh dưỡng trong mô thực vật bao gồm chất ức chế protease, tannin, phytohaemogglutinin và cyanogen trong cây họ đậu và glucosinolates, tannin và sanapine trong hạt có dầu và các hợp chất khác trong thức ăn thuộc nhóm Brassica. Sự kết hợp giữa kỹ thuật di truyền và nhân giống cây trồng thông thường sẽ dẫn đến giảm hoặc loại bỏ đáng kể các yếu tố phản dinh dưỡng chính ở các loài thực vật có tầm quan trọng đối với thức ăn chăn nuôi.

Đậu nành có chứa raffinose và stachyose, các oligosacharide phản dinh dưỡng gây ra các vấn đề về thẩm thấu ở động vật thí nghiệm. Đậu nành biến đổi gen có chứa lượng oligosaccharide thấp này đã được phát triển. Trong một thí nghiệm với ba loại bột đậu nành thông thường và năm loại bột đậu nành biến đổi gen có hàm lượng oligosacarit thấp được cho gà thịt ăn, hàm lượng raffinose, stachyose và galactinol trung bình trong đậu nành biến đổi gen thấp hơn đáng kể so với bột đậu nành thông thường và hàm lượng protein thô và sucrose cao hơn một chút. Dữ liệu bổ sung cho thấy năng lượng chuyển hóa thực sự cũng cao hơn ở đậu nành GM.

Trong một thí nghiệm khác sử dụng gà 28 đến 32 ngày tuổi, năng lượng chuyển hóa biểu kiến của đậu nành GM cao hơn so với đậu nành thông thường. Một thí nghiệm thành công trên gà thịt được nuôi bằng 43% đậu nành GM hoặc không biến đổi gen làm nguồn protein duy nhất cho thấy hệ số tiêu hóa tiêu chuẩn của các axit amin methionine, lysine, threonine, valine và isoleucine cao hơn đáng kể ở đậu nành được nuôi bằng GM. Những kết quả này cho thấy tiềm năng cải thiện dinh dưỡng ở các giống đậu nành được biến đổi gen để có hàm lượng oligosaccharide thấp.

Bột hạt bông, sản phẩm phụ của ngành công nghiệp bông, là một thành phần trong thức ăn gia súc vì hàm lượng protein, chất xơ và dầu giúp cải thiện khả năng sinh trưởng và sinh sản của gia súc. Tuy nhiên, hạt bông có chứa sắc tố phenolic gossypol màu vàng, ở nồng độ cao trong khẩu phần sẽ khiến vật nuôi thở hổn hển và giảm năng suất. Một công việc tiên phong nhằm giảm gossypol trong hạt bông đã được thực hiện thông qua chỉnh sửa gen nhằm cản trở sự biểu hiện và hoạt động của δ-cadinene synthase, enzyme liên quan đến sản xuất gossypol. Hàm lượng gossypol trong lá và phần hoa của bông GM không bị ảnh hưởng trong việc duy trì khả năng chống lại côn trùng gây hại của cây trồng. Công trình này cho phép sử dụng hạt bông để chiết xuất dầu ăn cho con người.

Những khoảng trống trong việc tăng cường dinh dưỡng của cây trồng làm thức ăn chăn nuôi biến đổi gen

Tổng quan trước đây về cây trồng làm thức ăn tăng cường dinh dưỡng được phát triển thông qua biến đổi gen đã cung cấp thông tin về cây trồng và các tính trạng đang được thử nghiệm trên thực địa hoặc đang trong giai đoạn thương mại hóa ban đầu. Thức ăn biến đổi gen tăng cường dinh dưỡng đã liên tục cho thấy hiệu quả trong việc cung cấp chất dinh dưỡng an toàn và sẵn có cho gia cầm và vật nuôi trong nhiều nghiên cứu khác nhau. Nguồn nguyên liệu đầy đủ và giá rẻ dự kiến sẽ xuất hiện khi ngày càng có nhiều quốc gia áp dụng cây trồng công nghệ sinh học. Nghiên cứu tăng cường các chất dinh dưỡng khác trong cây thức ăn chăn nuôi như vitamin, khoáng chất và chất béo, giảm các yếu tố phản dinh dưỡng trong thức ăn có nguồn gốc thực vật, quá trình lên men kỵ khí hiệu quả của thức ăn ủ chua thông qua các vi sinh vật biến đổi gen chắc chắn sẽ góp phần vào nỗ lực này.

An Bình (biên dịch)

(Nguồn: Nutritionally-Enhanced GM Feed Crops; Pocket K No. 41 Nutritionally-Enhanced GM Feed Crops)