Liệu lúa mì cổ xưa của Trung Đông có thể cứu được mùa màng trên thế giới khỏi biến đổi khí hậu?

Khi nhà di truyền học Tiến sĩ Simon Griffiths đi qua những cánh đồng lúa mì vàng rộng lớn đang nhẹ nhàng thổi trong gió, người ta có thể tha thứ vì nghĩ rằng ông chỉ đang đi dạo vào mùa hè.

Nhưng đây không phải là cánh đồng lúa mì bình thường. Đây là đỉnh cao của hàng trăm mẫu được thu thập cách đây hơn một thế kỷ bởi một nhà thực vật học tiên phong, người đã nhận ra tiềm năng của các loại cây trồng Trung Đông, hiện đang đi đầu trong việc bảo vệ an ninh lương thực thế giới cho nhiều thế hệ mai sau.

Tại Trung tâm John Innes (JIC) ở Norwich, miền Đông nước Anh, Tiến sĩ Griffiths và nhóm của ông đang sử dụng các mẫu lúa mì cổ xưa từ Trung Đông để xác định các giống có khả năng chống chịu với tác động của biến đổi khí hậu, từ hạn hán đến lũ lụt và sâu bệnh hiện đại .

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm đã xác định rằng ít nhất 60% sự đa dạng di truyền được tìm thấy trong bộ sưu tập lúa mì lịch sử không có trong lúa mì hiện đại và có thể được sử dụng để cải thiện nó.

"60% còn thiếu này chứa đầy các gen có lợi mà chúng ta cần để nuôi sống con người một cách bền vững. Trong 10.000 năm qua, chúng ta có xu hướng chọn lọc các đặc điểm làm tăng năng suất và cải thiện khả năng kháng bệnh", ông nói.

Khi kiểm tra mùa màng của mình, Tiến sĩ Griffiths đã cho tờ The National xem cách nhóm của ông tái tạo các giống cây lịch sử không còn tồn tại nữa nhưng hiện đang nắm giữ chìa khóa cho những đột phá lớn trong việc chống lại các chủng bệnh mới đang xóa sổ lúa mì hiện đại.

Với những nguyên mẫu ban đầu này, nhóm nghiên cứu đã có những bước đột phá lớn trong việc tìm ra các loại cây trồng có khả năng kháng các loại bệnh tiêu diệt lúa mì.

"Có một loại bệnh quan trọng ở lúa mì gọi là bệnh gỉ sắt, đây là một loại nấm mọc trên lá và nếu không được kiểm soát bằng hóa chất diệt nấm, điều mà không phải lúc nào cũng có thể làm được, bệnh sẽ gây ra hậu quả tàn phá cho cây trồng, làm giảm đáng kể năng suất", ông cho biết.

"Loại nấm này tiến hóa rất nhanh để đánh bại gen của lúa mì. Lúa mì có gen kháng thuốc nhưng nấm thay đổi và tiến hóa, rồi đột nhiên lúa mì vốn khỏe mạnh lại mắc bệnh. Các nhà lai tạo luôn cố gắng theo kịp bằng cách tìm ra gen kháng thuốc mới".

Hiện nay, nông dân ở Bangladesh đang phải đối mặt với vấn đề nghiêm trọng với một loại mầm bệnh có tên là Blast khiến một loài chuyển sang lúa mì.

Đầu năm nay, một nghiên cứu của các nhà nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Munich về mô hình tác động của bệnh nấm Blast đã phát hiện ra rằng bệnh nấm này có thể làm giảm sản lượng lúa mì toàn cầu 13% cho đến năm 2050 và cảnh báo rằng điều này sẽ "gây hậu quả nghiêm trọng" đối với an ninh lương thực toàn cầu.

Tại sao lại là lúa mì?

Ông nói với tờ The National rằng: "Lúa mì nuôi sống thế giới và là lương thực chính trên toàn cầu, vì vậy khi lúa mì bị đe dọa bởi dịch bệnh và biến đổi khí hậu, an ninh lương thực toàn cầu thực sự đang bị đe dọa".

"Không chỉ là bộ sưu tập Watkins, mà còn là thực tế là chúng tôi đã tạo ra các nguồn gen chính xác cho phép chúng tôi lập bản đồ các gen kiểm soát các đặc điểm mới và quan trọng trong vật liệu Watkins – chỉ riêng điều đó đã khiến chúng tôi mất 15 năm tại Vương quốc Anh.

"Lúa mì có nguồn gốc từ Trung Đông cách đây hơn 10.000 năm, khi những người nông dân chỉ trao đổi lúa mì với nhau trước khi nó được lan truyền khắp thế giới.

"Chúng tôi xem xét các giống bản địa, đây là các loại lúa mì được trồng trước khi có giống hiện đại. Hiện nay, lúa mì đã hoàn toàn bị thay thế bởi các giống hiện đại và nghiên cứu của tôi là quay trở lại các giống bản địa cũ đó và xem chúng có ích gì để giúp tìm ra các biến thể ban đầu có các đặc tính cho thấy khả năng chống lại các mối đe dọa hiện đại. Điều này chỉ có thể thực hiện được nhờ bộ sưu tập Arthur Watkins".

Tầm nhìn của Arthur Watkins đang giúp bảo vệ lúa mì hiện đại

Hơn một thế kỷ trước, nhà thực vật học người Anh Arthur Ernest Watkins, làm việc tại Đại học Cambridge, đã bắt đầu sứ mệnh gian khổ là liên lạc với những người nước ngoài, binh lính và nhân viên đại sứ quán trên khắp thế giới để giúp ông thu thập các mẫu lúa mì.

Nhận thấy tầm quan trọng của ngũ cốc đối với sự sống còn của con người, ông Watkins đã sử dụng các mối quan hệ thời chiến của mình để gửi điện tín khắp thế giới, kêu gọi họ thu thập các mẫu lúa mì từ các vùng và thị trường xa xôi trên khắp Đế quốc Anh và gửi cho ông.

Bất chấp nhiều thách thức, bao gồm cả việc nhận được các mẫu không chính xác, ông Watkins đã thu thập được hơn 1.000 giống lúa mì làm bánh mì bản địa và nhiều giống lúa mì làm mì ống khác từ 32 quốc gia trong những năm 1920 và 1930 – hiện đây là bộ sưu tập lúa mì lịch sử toàn diện nhất trên thế giới.

Những nỗ lực của ông trong việc duy trì và tái tạo bộ sưu tập đã đảm bảo tính khả thi của nó cho các nghiên cứu trong tương lai và trong hơn 100 năm qua, nguồn tài nguyên này đã được lưu trữ, bảo quản và phát triển và hiện được lưu trữ tại Trung tâm John Innes ở nhiệt độ -2C cùng với tất cả các bức thư gốc được gửi cho ông Watkins.

"Đây là một câu chuyện tuyệt vời," Tiến sĩ Griffiths nói trong khi cẩn thận xử lý một số lá thư và bưu thiếp trong kho lưu trữ.

"Watkins thường xuyên gửi thư qua Hội đồng Thương mại London và sử dụng hệ thống đế quốc Anh, các đại sứ quán, lãnh sự quán và binh lính Anh và họ sẽ đi thu thập lúa mì, thường là từ các chợ. Ông sẽ lấy lại tất cả các phong bì và tập hợp bộ sưu tập này".

Khi ông Watkins chuyển đến Viện Nhân giống Thực vật ở Cambridge thì bộ sưu tập này mới bắt đầu được bảo vệ và thực sự được sử dụng để nhân giống cây trồng.

Tiến sĩ Griffiths cho biết: "Vì họ là những người lai tạo nên họ giữ cho vật liệu sống, điều này rất khó khăn vì bạn phải tiếp tục gieo hạt và thu hoạch mùa màng sau mỗi vài năm".

"Những nhà sưu tập thực vật uy tín khác vào thời điểm đó coi bộ sưu tập của họ giống như một bộ sưu tập thực vật cổ điển, vì vậy họ sẽ mô tả nó nhưng không giữ hạt lúa mì sống, đây thực sự là một thảm kịch nhưng Watkins lại nằm trong nhóm các nhà lai tạo thực vật đã làm được điều đó".

Nghiên cứu DNA và di truyền trong lúa mì đã thay đổi cuộc chơi

Mảnh ghép còn thiếu trong bức tranh ghép hình này chính là trình tự DNA và việc chuyển bộ sưu tập đến JIC, một trung tâm di truyền học, nơi đã tạo nên bước ngoặt.

Trong khoảng thời gian 15 năm, các nhà khoa học tại JIC đã nghiên cứu các gen của bộ sưu tập và trong năm năm qua đã làm việc với Giáo sư Cheng Shifeng tại Viện Di truyền Nông nghiệp ở Thâm Quyến để lập bản đồ DNA của các mẫu.

Tiến sĩ Griffiths cho biết: "Chúng tôi không thể sử dụng bộ sưu tập của Watkins một cách hợp lý vì lý do liên quan đến hệ gen".

"Lúa mì thực sự là một vấn đề đau đầu vì nó là một bộ gen khổng lồ với 18giga bazơ trình tự. Vì vậy, mãi cho đến gần đây, chúng tôi mới có thể tìm được những cộng tác viên có thể giải trình tự toàn bộ bộ sưu tập Watkins vì tổng cộng chúng tôi phải giải trình tự 1.200 loại lúa mì. Đây là một khoản đầu tư nghiêm túc về thời gian, công sức và sự đổi mới".

Nhưng nỗ lực của họ đã được đền đáp và giờ đây có thể mở ra những cánh cửa chưa được mở trước đó để giúp giải quyết các mối đe dọa đối với lúa mì.

Những đặc điểm chính đã được tìm thấy trong sự đa dạng chưa được khai thác này bao gồm hiệu quả sử dụng nitơ, khả năng kháng sên và khả năng phục hồi trước sâu bệnh.

Ông cho biết: "Có những gen cho phép các nhà lai tạo thực vật tăng hiệu quả sử dụng nitơ ở lúa mì. Nếu chúng ta có thể đưa những gen này vào các giống lúa mì hiện đại mà nông dân có thể trồng, họ sẽ cần ít phân bón hơn, tiết kiệm tiền và giảm phát thải".

Lúa mì lịch sử có khả năng kháng bệnh mới

"Có một sự kiện ở Tây Âu, nơi mà đột nhiên nấm tiến hóa nhanh hơn nhiều và tạo ra nhiều biến thể nấm hơn, nhanh chóng vượt qua sức đề kháng của lúa mì. Vì vậy, chúng tôi đã xem xét các giống bản địa trong bộ sưu tập Watkins để tìm những thứ có khả năng kháng các chủng này.

"Chúng tôi phát hiện có 33 giống và tất cả đều đến từ Iran hoặc các vùng địa lý xung quanh Iran nên những người lai tạo đầu tiên ở châu Âu chưa bao giờ sử dụng các giống bản địa của Iran nhưng hiện nay chúng là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng để mang lại khả năng kháng bệnh cho lúa mì hiện đại".

Chỉ trong bộ sưu tập của Watkins, người ta mới phát hiện ra một gen có khả năng kháng thuốc này.

Lúa mì được trồng trong phòng thí nghiệm ngoài trời

Các hạt giống trong bộ sưu tập Watkins được tái tạo để trồng trọt trên khắp đất nước trong các môi trường khác nhau trên các cánh đồng được chia thành các lô nhỏ cho từng mẫu riêng lẻ. Sau đó, các máy gặt đập liên hợp mini được tạo ra đặc biệt sẽ thu hoạch để các nhà khoa học nghiên cứu.

" Đây không phải là phòng thí nghiệm cổ điển với chúng tôi ngồi trên băng ghế dài mặc áo khoác trắng. Chúng tôi ở ngoài đồng, tất cả dữ liệu quan trọng đều được thu thập từ các loại cây trồng trên đồng ruộng", ông nói.

"Chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy có nhiều biến thể di truyền hữu ích được tìm thấy trong các giống bản địa và chúng tôi muốn đảm bảo rằng các giống trong tương lai sẽ tận dụng tối đa những đặc điểm có lợi này, vốn có trong bộ sưu tập của chúng tôi".

Sau đó, kết quả và khám phá của họ sẽ được chia sẻ với các nhà lai tạo thương mại và các tổ chức toàn cầu để giúp tạo ra thế hệ lúa mì kháng bệnh tiếp theo.

Cầm một bó trên tay, Tiến sĩ Griffiths cho biết: "Chúng tôi không thể đạt được điều này như một tổ chức duy nhất. Vấn đề không chỉ là bộ sưu tập Watkins, mà là thực tế là chúng tôi đã tạo ra các kho gen chính xác cho phép chúng tôi lập bản đồ các gen kiểm soát các đặc điểm mới và quan trọng trong vật liệu Watkins.

"Mảnh ghép còn thiếu trong bức tranh ghép hình chính là trình tự DNA. "Nếu có một thông điệp, thì đó là vật liệu này ở đây để sử dụng. Nó hoàn toàn có sẵn cho bất kỳ ai yêu cầu để họ có thể sử dụng nó ở quốc gia của họ để phát triển các giống lúa mì tốt hơn. Đây là một mỏ vàng cho tương lai".