Đưa hạt giống lên không gian
Theo Cơ quan Vũ trụ Có người lái Trung Quốc (CMSA), 136 hạt giống và các mẫu di truyền thực vật khác đã được tàu Thần Châu 16 đưa đến trạm vũ trụ Thiên Cung vào cuối tháng 5 vừa qua.
Trong số đó, có 47 loại cây trồng, trong đó có 12 hạt giống cây trồng ngũ cốc, 28 hạt giống cây trồng thương mại, 7 loại cây chịu mặn-kiềm và 76 loài thực vật rừng, cỏ, hoa và cây thuốc. Hơn 13 vi sinh vật khác, bao gồm các vi sinh vật nông nghiệp và công nghiệp, nấm, tảo và rêu, cũng là một phần trong “gói hàng đặc biệt” được đưa lên quỹ đạo.
Tại sao Trung Quốc lại tốn công, tốn của đưa các hạt giống lên vũ trụ như vậy?
Được biết, đây là một hoạt động nghiên cứu nhằm gây đột biến cho cây trồng trong không gian vũ trụ. Tại đây, các hạt giống được tiếp xúc với bức xạ vũ trụ và vi trọng lực không gian để tạo ra các đột biến gen có lợi. Những thay đổi có thể làm tăng năng suất cây trồng và làm cho cây trồng có khả năng chống chịu hạn hán và một số bệnh nhất định tốt hơn.
Nhiều giống cây có năng suất cao đã được tạo ra theo phương thức này và được trồng rộng rãi để mang lại lợi ích kinhtế cho người dân.
Luyuan 502, một trong những giống cây như vậy, đã được phóng viên BBC mô tả lại. Thoạt nhìn, chúng giống hệt bất kỳ bông lúa mì nào được trồng trên khắp thế giới. Nhưng trên thực tế, những cây này được nhân giống từ loại hạt từng bay vào quỹ đạo cách bề mặt Trái đất 340 km. Tại đây, trong môi trường trọng lực thấp độc nhất và bên ngoài tấm lá chắn bảo vệ Trái Đất, các hạt giống đã có những thay đổi phức tạp trong DNA. Nhờ đó, chúng có những đặc tính mới, ví dụ như khả năng chịu hạn và chống một số bệnh tốt hơn. Quy trình này được gọi là “gây đột biến trong không gian”.
Trong khi một số đột biến khiến cây không thể phát triển thì những đột biến khác lại có thể có lợi. Một số cây trở nên cứng cáp hơn và có thể chịu được các điều kiện phát triển khắc nghiệt hơn. Một số khác tạo ra nhiều hạt/quả hơn hoặc phát triển nhanh hơn và cần ít nước hơn.
Khi được đưa trở lại Trái đất, hạt giống từ những cây được biến đổi trong không gian này sẽ trải qua quá trình sàng lọc cẩn thận và nhân giống thêm để tạo ra các phiên bản khả thi của các loại cây trồng phổ biến.
Trong một thế giới mà ngành nông nghiệp phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng do biến đổi khí hậu, một số nhà nghiên cứu tin rằng các giống cây được tạo ra trong không gian có thể giúp con người thích ứng với những thách thức mới này.
Ví dụ điển hình
Liu Luxiang, chuyên gia về đột biến không gian hàng đầu của Trung Quốc và là giám đốc Trung tâm Đột biến Không gian Quốc gia về Cải tiến Cây trồng tại Viện Khoa học Cây trồng, Học viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc ở Bắc Kinh, cho biết: “Đột biến không gian tạo ra những đột biến tuyệt vời”.
Ví dụ, Luyuan 502 có năng suất cao hơn 11% so với giống lúa mì tiêu chuẩn được trồng ở Trung Quốc, khả năng chịu hạn tốt hơn và khả năng phục hồi mạnh mẽ hơn trước các loại sâu bệnh phổ biến nhất trên lúa mì.
“Luyuan 502 thực sự là một câu chuyện thành công”, ông Liu nói. “Nó có năng suất và khả năng thích ứng rất cao. Nó có thể được trồng ở nhiều khu vực khác nhau với các điều kiện khác nhau”.
Khả năng thích ứng này là điều khiến Luyuan 502 trở thành một điểm thu hút đối với nông dân trên khắp Trung Quốc – nơi điều kiện nông nghiệp và khí hậu vô cùng đa dạng.
Theo ông Liu, đây chỉ là một trong hơn 200 giống cây trồng đột biến không gian được tạo ra ở Trung Quốc trong gần 40 năm qua. Ngoài lúa mì, các nhà khoa học Trung Quốc còn sản xuất lúa nhân tạo không gian, ngô, đậu nành, cỏ linh lăng, vừng, bông, dưa hấu, cà chua, ớt ngọt và các loại rau khác.
Trung Quốc đã thử nghiệm phương pháp gây đột biến vũ trụ từ năm 1987 và là quốc gia duy nhất trên thế giới thường xuyên sử dụng kỹ thuật này. Kể từ đó, quốc gia này đã thực hiện hàng chục sứ mệnh mang hạt giống cây trồng vào quỹ đạo.
Các nhà khoa học Trung Quốc đã cho ra đời cây trồng nhân tạo không gian đầu tiên – một loại ớt ngọt có tên Yujiao 1 – vào năm 1990. So với các giống ớt ngọt thông thường được trồng ở Trung Quốc, Yujiao 1 cho quả to hơn nhiều và có khả năng kháng bệnh cao hơn.
Chiến lược của Trung Quốc
Trong thời gian gần đây, nhờ sự phát triển trong lĩnh vực vũ trụ, Trung Quốc đã gửi hàng nghìn hạt giống vào quỹ đạo. Năm 2006, quốc gia này đã đưa vào quỹ đạo lô hàng lớn nhất từ trước đến nay - hơn 250kg hạt giống và vi sinh vật thuộc 152 loài - trên vệ tinh Shijian 8. Vào tháng 5/2022, 12.000 hạt giống bao gồm một số loại cỏ, yến mạch, cỏ linh lăng và nấm, trở về sau chuyến đi 6 tháng tới trạm vũ trụ Thiên Hà của Trung Quốc trong chuyến đi của tàu Thần Châu 13.
Trung Quốc thậm chí còn gửi một lô hạt lúa cho chuyến du hành lên Mặt trăng với khi tàu Hằng Nga-5 đổ bộ lên bề mặt Mặt trăng vào tháng 11/2020. Theo báo chí Trung Quốc, những “hạt lúa mặt trăng” này đã tạo ra hạt thành công trong phòng thí nghiệm sau khi chúng trở về Trái đất.
“Chúng tôi được hưởng lợi từ chương trình không gian của Trung Quốc”, Liu nói.
Hạt giống được gửi đi trong những chuyến đi kéo dài chỉ từ 4 ngày cho đến vài tháng. Trong môi trường vũ trụ, một số thay đổi có thể xảy ra với hạt giống và cây trồng.
Đầu tiên, bức xạ mặt trời và vũ trụ năng lượng cao có thể gây tổn hại cấu trúc di truyền trong hạt giống, dẫn đến đột biến hoặc sai lệch nhiễm sắc thể. Môi trường trọng lực thấp cũng có thể dẫn đến những thay đổi khác. Thực vật nảy mầm và phát triển trong môi trường vi trọng lực có những thay đổi về hình dạng tế bào và cách tổ chức các cấu trúc bên trong tế bào.
Thông thường, các nhà khoa học Trung Quốc đưa hạt giống vào không gian, sau đó thu hạt về và chăm sóc cho chúng nảy mầm trên mặt đất khi hạt được đưa trở lại Trái đất. Sau đó, cây con được sàng lọc để lấy những đặc điểm hữu ích và có lợi thế hơn so với các giống cây trồng truyền thống.
Các nhà khoa học đang tìm kiếm những đột biến dẫn đến cây cho quả to hơn, cần tưới ít nước hơn, tạo ra nhiều dinh dưỡng hơn, khả năng chịu nhiệt độ cũng như phục hồi trước bệnh tật. Đôi lúc, những đột biến hiếm gặp có thể dẫn đến những đột phá về năng suất cây trồng hoặc khả năng chống chịu bệnh. Những cây có triển vọng nhất sẽ được nhân giống thêm cho đến khi các nhà nghiên cứu đạt được một biến thể cải tiến đáng kể có thể đáp ứng nhu cầu của người nông dân.
Trung Quốc không phải là quốc gia đầu tiên thử nghiệm việc gây đột biến cây trồng trong không gian. Kỹ thuật này bắt nguồn từ một số thí nghiệm ban đầu do các nhà khoa học Mỹ và Liên Xô thực hiện bằng cách sử dụng tế bào cà rốt được phóng lên quỹ đạo trên vệ tinh Kosmos 782 của Liên Xô.
Cách tiếp cận này dựa trên các nguyên tắc tương tự như gây đột biến hạt nhân, đã có từ cuối những năm 1920. Đột biến hạt nhân tăng tốc quá trình đột biến xảy ra tự nhiên trong DNA của các sinh vật sống bằng cách cho chúng tiếp xúc với bức xạ.
Theo Shoba Sivasankar, người đứng đầu nhóm Di truyền và Nhân giống Thực vật chung của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên Hợp Quốc (FAO), cả đột biến gen và đột biến hạt nhân đều có thể giúp giảm tới một nửa thời gian phát triển của các giống cây trồng mới.
Các phòng thí nghiệm hạt nhân của IAEA ở Seibersdorf, cách Vienna (Áo) 35km về phía đông nam, là trung tâm đào tạo toàn cầu về đột biến hạt nhân. Các quốc gia hợp tác không sở hữu cơ sở hạt nhân sẽ gửi hạt giống, cành cây hoặc cây con cho nhóm của Sivasankar để chiếu xạ.
Sivasankar cho biết: “Chỉ mất vài phút để chiếu xạ hạt giống nhưng đòi hỏi phải có đủ kiến thức và chuyên môn. Mỗi giống có khả năng chịu đựng khác nhau. Nếu chiếu liều lượng quá cao hoặc để trong máy chiếu xạ quá lâu, hạt giống có thể bị hỏng và không nảy mầm. Nếu không chiếu đủ lượng phóng xạ, chúng tôi sẽ không thành công".
Được biết, vào cuối những năm 1920, các thí nghiệm sử dụng tia X đã tạo ra đột biến ở lúa mì, ngô, yến mạch và lúa mạch, qua đó thu hút sự quan tâm của các nhà thực vật học trên toàn thế giới. Vào những năm 1950, hầu hết các quốc gia phát triển đều có chương trình nhân giống hạt nhân, thử nghiệm không chỉ tia X mà còn cả tia UV và tia gamma.
Theo BBC, Trung Quốc coi nỗ lực cải thiện nguồn gen cây trồng nông nghiệp là yếu tố thiết yếu. Theo Liu và nhóm của ông, thế giới phải tăng sản lượng ngũ cốc quan trọng thêm 70% nếu muốn đủ thực phẩm cho thêm 2 tỷ người vào năm 2050. Dân số ngày càng tăng ở khu vực Châu Á Thái Bình Dương đang tạo ra nguy cơ cao về tình trạng thiếu lương thực.
Sự khác biệt lớn
Theo IAEA, thông qua phương pháp gây đột biến hạt nhân và không gian, chỉ riêng Trung Quốc đã phát triển và cho ra mắt hơn 800 giống mới, cải thiện tất cả các đặc điểm chính so với các loại cây trồng ban đầu.
Nhưng vẫn còn một câu hỏi: lợi ích của việc gửi hạt giống lên vũ trụ là gì khi việc gây đột biến tương tự có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên mặt đất?
Ông Liu thừa nhận rằng việc gửi hạt giống lên vũ trụ tốn kém hơn so với việc đưa chúng vào máy chiếu xạ trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các chuyến du hành vào không gian dường như mang lại những lợi ích rõ ràng và thường tạo ra nhiều kết quả thú vị hơn.
Ông Liu cho biết: “Chúng tôi ghi nhận số lượng đột biến hữu ích từ đột biến không gian cao hơn so với từ tia gamma. Trong không gian, cường độ bức xạ thấp hơn đáng kể, nhưng hạt giống tiếp xúc với nó trong một khoảng thời gian dài hơn nhiều. Cái mà chúng tôi gọi là truyền năng lượng tuyến tính của các hạt và hiệu ứng sinh học tổng thể cao hơn trong không gian. Tỷ lệ thiệt hại cho hạt giống cũng thấp hơn so với hạt được chiếu xạ trong phòng thí nghiệm".
Ông Liu cho biết, trong máy chiếu xạ, hạt giống nhận được liều ion hóa lớn – từ 50-400 gray – trong khoảng thời gian vài giây. Trong khi đó, hạt giống trong chuyến đi ngoài vũ trụ kéo dài một tuần chỉ tiếp xúc với 2 miligray. Kết quả là có tới 50% hạt giống không vượt qua được quá trình xử lý khắc nghiệt trên mặt đất trong khi hầu hết các hạt giống bay vào không gian thường nảy mầm.
Dù vậy, ông Liu vẫn khẳng định: “Tất cả những kỹ thuật này đều rất hữu ích và đang giúp chúng tôi giải quyết một số vấn đề rất thực tế. Có quá ít cơ hội để đưa hạt giống vào vũ trụ. Chúng ta không thể chỉ dựa vào những chuyến đi đó". Phát triển hạt giống để tạo ra các giống cây trồng mới sẽ giúp cung cấp lương thực cho thế giới khi tình trạng biến đổi khí hậu ngày càng tồi tệ.
Tuy nhiên, không phải tất cả các hạt giống trở về từ không gian đều trở có tiềm năng trở thành “siêu thực vật”. Một lô hạt giống rau diếp được các nhà khoa học châu Âu gửi đến Trạm vũ trụ quốc tế vào năm 2020 đã phát triển chậm hơn sau khi trở về Trái đất so với những cây bình thường.
Phần lớn nghiên cứu hiện đang được tiến hành về việc trồng thực phẩm khi ở trong không gian nhằm mục đích giúp các phi hành gia tự bổ sung thực phẩm khi thực hiện nhiệm vụ. Ví dụ: các phi hành gia trên ISS đã thu hoạch rau diếp romaine từ năm 2015 và ăn nó, và một nghiên cứu được công bố vào năm 2020 cho thấy loại rau này đủ an toàn để ăn và có thể cung cấp nguồn dinh dưỡng quý giá trong các sứ mệnh dài ngày.
Dù sao chăng nữa, trước khi giúp các phi hành gia chinh phục Mặt Trăng hay Sao Hỏa, thì thực phẩm không gian có lẽ sẽ tiếp tục mang lại lợi ích lớn hơn cho người dân trên Trái Đất.