Đột phá của Trung Quốc về lúa lai vô tính có thể tạo bước ngoặt cho an ninh lương thực toàn cầu

Bước đột phá mang tính cách mạng trong nông nghiệp

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã đạt được điều mà nhiều nhà khoa học mơ ước suốt nhiều thập kỷ: phát triển một giống lúa lai có thể tự nhân bản qua hạt vô tính, duy trì các đặc tính năng suất cao qua nhiều thế hệ. Bước đột phá này có thể tạo bước ngoặt cho nông nghiệp toàn cầu, tiềm năng phá bỏ rào cản lớn nhất đối với việc sản xuất lúa lai: nông dân phải mua hạt giống lai mới, đắt tiền mỗi vụ. Thành tựu này xuất hiện vào thời điểm then chốt, khi hàng trăm triệu người trên thế giới đang đối mặt với tình trạng mất an ninh lương thực nghiêm trọng, còn các hệ thống nông nghiệp chật vật đáp ứng nhu cầu của dân số ngày càng tăng.

Nhóm nghiên cứu do Wang Kejian dẫn đầu tại Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc gia Trung Quốc thuộc Viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc đã phát triển giống lúa lai có khả năng sinh sản vô tính gần như hoàn hảo thông qua hiện tượng apomixis, tức quá trình hạt phát triển mà không cần thụ tinh. Theo một số ước tính trong ngành, bước tiến này hứa hẹn làm thay đổi cách nông dân trên thế giới canh tác lúa, đồng thời có thể giúp sản lượng lúa toàn cầu tăng gấp đôi nếu được áp dụng rộng rãi.

Tìm hiểu ưu thế lai và những hạn chế

Để hiểu tầm quan trọng của bước đột phá này, cần nắm được khái niệm ưu thế lai, còn gọi là dị hợp tử. Hiện tượng này xảy ra khi lai hai cây bố mẹ khác biệt về di truyền, tạo ra thế hệ con có đặc tính vượt trội so với cả hai cây bố mẹ. Lúa lai thường có những đặc điểm nổi bật: sinh trưởng nhanh hơn, kháng bệnh và sâu hại tốt hơn, năng suất cao hơn đáng kể — tại một số khu vực ở châu Phi, có thể cao gấp bốn lần các giống truyền thống.

Tuy nhiên, lợi thế này đi kèm một nhược điểm đáng kể. Các đặc tính vượt trội của cây lai biến mất ở những thế hệ tiếp theo do tái tổ hợp di truyền trong quá trình sinh sản hữu tính. Khi cây lai sinh sản tự nhiên, các gen bị xáo trộn và những tổ hợp có lợi tạo nên cây bố mẹ năng suất cao sẽ mất đi. Điều này đồng nghĩa nông dân phải mua hạt giống lai mới mỗi vụ để duy trì năng suất cao, tạo ra khoản chi phí lặp lại đã hạn chế việc áp dụng lúa lai ở nhiều khu vực, đặc biệt trong nhóm nông hộ nhỏ tại các nước đang phát triển.

Gurdev Khush, giáo sư danh dự kiêm nhiệm tại Khoa Khoa học Thực vật, Đại học California, Davis và là cựu chủ nhân Giải Lương thực Thế giới, giải thích thách thức kinh tế này:

Chi phí lai tạo lúa tương đối cao, trong khi năng suất chỉ tăng khoảng 10%. Điều này có nghĩa là lợi ích của lúa lai vẫn chưa đến được với nhiều nông dân trên thế giới.

Tại Trung Quốc, hạt giống lai có thể có giá tới 200 nhân dân tệ (28 USD) mỗi kg; ở các nước khác, giá còn có thể cao hơn, đắt gấp tới 100 lần hạt giống lúa thường. Cơ cấu giá này đã tạo ra rào cản đáng kể đối với việc phổ biến rộng rãi, dù lúa lai mang lại lợi ích về năng suất.

Khoa học đằng sau hiện tượng apomixis

Apomixis bắt nguồn từ các từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “không trộn lẫn”, chỉ hình thức sinh sản vô tính qua hạt. Trong quá trình này, cây tạo ra hạt chứa các bản sao di truyền giống hệt cây mẹ, tránh hiện tượng xáo trộn di truyền xảy ra trong quá trình sinh sản hữu tính thông thường. Hơn 400 loài thực vật hoang dã sinh sản tự nhiên bằng apomixis, nhưng hiện chưa có cây lương thực chủ lực nào có khả năng này một cách tự nhiên.

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc áp dụng phương pháp tạo ra apomixis ở lúa thông qua biến đổi gen. Quá trình này dựa trên hai cơ chế sinh học then chốt. Thứ nhất, họ điều chỉnh hệ thống sinh sản của cây để tạo tế bào trứng bằng nguyên phân thay vì giảm phân. Trong sinh sản hữu tính bình thường, giảm phân tạo ra giao tử (tế bào trứng và tinh trùng) có một nửa số nhiễm sắc thể. Những thay đổi của các nhà nghiên cứu khiến cây tạo ra tế bào trứng có đầy đủ bộ nhiễm sắc thể và giống hệt về di truyền với cây mẹ.

Thứ hai, họ kích hoạt quá trình sinh sản đơn tính, tức sự phát triển của tế bào trứng thành phôi mà không cần thụ tinh. Kết hợp hai cơ chế này, họ tạo ra apomixis tổng hợp: hạt phát triển thành cây có bộ gen giống hệt cây mẹ, nhờ đó duy trì vô thời hạn mọi đặc tính ưu thế lai.

Những đột phá gần đây đã nâng hiệu quả của quá trình này lên mức đáng kể. Theo nghiên cứu công bố vào cuối năm 2025, nhóm Trung Quốc đạt tỷ lệ tạo hạt vô tính vượt 99% ở tất cả các dòng lúa lai được tạo ra, với năng suất tương đương các giống lai F1 thông thường. Đây là bước cải thiện vượt bậc so với những thử nghiệm trước đó, vốn chỉ đạt hiệu quả 30% cách đây vài năm.

Vượt qua những thách thức kéo dài trong phát triển hạt vô tính

Nỗ lực phát triển cây trồng apomixis đã kéo dài hơn ba thập kỷ, trong đó các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới phải đối mặt với nhiều trở ngại. Niềm lạc quan ban đầu vào cuối thập niên 1990, khi các công cụ di truyền học trở nên sẵn có hơn, dần nhường chỗ cho sự thất vọng vì tiến triển quá chậm. Erik Jongedijk, nhà di truyền học thực vật tại công ty hạt giống KWS của châu Âu, nhớ lại tâm trạng thời đó:

Mọi người nói: “Được rồi, chúng ta sẽ giải quyết được bài toán đó.” Nhưng trong một thời gian dài, “bài toán vẫn không có lời giải”.

Một phần khó khăn bắt nguồn từ sự phức tạp của việc điều chỉnh quá trình sinh sản ở thực vật. Các nhà khoa học phải xác định và thao tác nhiều gen tham gia vào quá trình giảm phân và phát triển phôi. Một bước đột phá lớn xuất hiện vào năm 2009, khi các nhà nghiên cứu do Raphaël Mercier dẫn đầu tại Viện Nghiên cứu Chọn giống Cây trồng Max Planck chứng minh rằng việc loại bỏ ba gen cụ thể ở cây mô hình Arabidopsis có thể khiến cây tạo giao tử bằng nguyên phân thay vì giảm phân. Họ đặt tên cho bộ ba đột biến này là MiMe, viết tắt của “nguyên phân thay vì giảm phân”.

Năm 2016, thành tựu này được lặp lại ở lúa, tạo ra những cây có tế bào trứng lưỡng bội giống hệt về di truyền với cây mẹ. Trong khi đó, các nhóm khác tìm cách kích hoạt quá trình sinh sản đơn tính. Năm 2002, nhà di truyền học Kim Boutilier cùng các đồng nghiệp xác định một gen có tên BABY BOOM ở cây cải dầu, có thể kích hoạt sự phát triển của phôi từ chồi và lá. Sau đó, các gen tương tự được tìm thấy ở nhiều loài thực vật, trong đó có lúa.

Điều kiện đã sẵn sàng để kết hợp những tiến bộ này, nhưng các nhà khoa học phải đối mặt với thách thức về quản lý. Việc chuyển gen giữa các loài sẽ đòi hỏi quá trình đánh giá quản lý kéo dài trước khi được cấp phép đưa ra thị trường. Để tránh điều đó, các nhà nghiên cứu tìm giải pháp trong chính bộ gen của cây lúa, cuối cùng xác định và kích hoạt phiên bản BABY BOOM của lúa đặc biệt trong tế bào trứng.

Nhiều con đường dẫn đến thành công: các cách tiếp cận khác nhau để tạo apomixis

Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang theo đuổi nhiều hướng khác nhau nhằm tạo apomixis tổng hợp ở lúa và các cây trồng khác. Cho đến nay, cách tiếp cận thành công nhất là kết hợp các đột biến MiMe với việc kích hoạt gen BABY BOOM, đạt hiệu quả nhân bản vô tính trên 95% ở một số giống lúa lai thương mại.

Tuy nhiên, các phương pháp khác cũng cho thấy triển vọng. Nhóm do Giáo sư Li Jiayang dẫn đầu tại Viện Di truyền học và Sinh học Phát triển thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã phát triển một hệ thống sử dụng gen nội sinh OsWUS của lúa. Khi kết hợp với chiến lược MiMe, phương pháp này đạt tỷ lệ đậu hạt bình thường, với hiệu quả nhân bản vô tính khoảng 21,7% ở một số dòng. Dù kém hiệu quả hơn phương pháp BABY BOOM, hệ thống OsWUS cho thấy khả năng tương thích với quá trình phát triển của cây tốt hơn, tránh được tình trạng cây còi cọc và bất thụ từng xuất hiện trong các thử nghiệm trước.

Đối với thực vật hai lá mầm — nhóm lớn bao gồm các loại đậu và rau — các nhà nghiên cứu đã xác định những công tắc di truyền khác. Nhóm do Peter van Dijk dẫn đầu tại công ty chọn giống cây trồng KeyGene phát hiện gen PAR ở cây bồ công anh, một loài hai lá mầm sinh sản tự nhiên bằng apomixis. Khi được kích hoạt ở rau diếp, gen này thúc đẩy hình thành phôi sơ khai mà không cần thụ tinh, mở ra khả năng mở rộng công nghệ apomixis ra ngoài các cây ngũ cốc.

Hiện có ít nhất 10 nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đang phát triển các giống cây trồng apomixis, trong đó có bắp cải, cà chua, cỏ linh lăng và các cây rau, cây thức ăn gia súc khác. Sự đa dạng trong phương pháp tiếp cận làm tăng khả năng phát triển các giống apomixis ổn định, có thể thương mại hóa trên nhiều loài cây trồng.

Tác động kinh tế đối với nông dân và an ninh lương thực

Việc áp dụng rộng rãi lúa lai apomixis có thể tạo ra tác động kinh tế mang tính chuyển đổi, đặc biệt đối với các nông hộ nhỏ ở các nước đang phát triển. Hiện nay, những nông dân này phải lựa chọn giữa việc mua hạt giống lai đắt tiền mỗi vụ hoặc dùng hạt giống để dành từ các giống truyền thống có năng suất thấp hơn. Lúa lai apomixis sẽ cho phép họ để dành hạt từ cây lai năng suất cao qua từng năm, kết hợp ưu điểm của cả hai phương án.

Venkatesan Sundaresan, nhà sinh học phát triển tại Đại học California, Davis, người có nhóm nghiên cứu góp phần tiên phong trong công nghệ này, nhấn mạnh tiềm năng tác động của nó:

Apomixis ở cây trồng là mục tiêu nghiên cứu trên toàn thế giới trong hơn 30 năm, bởi công nghệ này có thể giúp mọi người tiếp cận việc sản xuất hạt giống lai.

Công nghệ này cũng có thể mang lại lợi ích cho các công ty hạt giống bằng cách đơn giản hóa quy trình sản xuất hạt giống lai, giảm chi phí và đẩy nhanh việc đưa giống mới ra thị trường. José Rée, phó chủ tịch phụ trách nghiên cứu tại RiceTec, mô tả phương thức sản xuất lúa lai hiện nay là “một hệ thống rất bất cập”, đòi hỏi các quy trình tốn kém và phức tạp, bao gồm cả việc dùng trực thăng để thụ phấn.

Ở quy mô toàn cầu, cây trồng apomixis có thể giúp đáp ứng nhu cầu lương thực của dân số ngày càng tăng mà không cần mở rộng diện tích đất nông nghiệp đến mức không bền vững hoặc tăng lượng nước và phân bón sử dụng. Đây là bước đi quan trọng hướng tới nông nghiệp bền vững, trong bối cảnh biến đổi khí hậu và suy thoái môi trường đe dọa các hệ thống lương thực trên toàn thế giới.

Hợp tác toàn cầu và nghiên cứu trong tương lai

Dù các nhà nghiên cứu Trung Quốc đạt nhiều tiến bộ đáng kể trong công nghệ apomixis, đây thực sự là nỗ lực khoa học toàn cầu. Hợp tác quốc tế đóng vai trò thiết yếu, với sự đóng góp vào các nghiên cứu đột phá của các nhóm ở Pháp, Đức, Ghana và Mỹ. Giống lúa apomixis đạt hiệu quả 95% là kết quả hợp tác giữa các nhà nghiên cứu tại UC Davis và đồng nghiệp ở Pháp, Đức và Ghana.

Nghiên cứu trên các cây trồng khác cũng đang tiến triển nhanh chóng. Anna Koltunow tại Đại học Queensland đang phát triển các giống cao lương và đậu đũa apomixis, những cây trồng quan trọng đối với nông dân ở khu vực châu Phi hạ Sahara. Năm 2022, nhóm của bà bắt đầu thử nghiệm ngoài đồng tại Australia với giống cao lương biến đổi gen có khả năng sinh sản đơn tính, đồng thời dự định bổ sung các đột biến MiMe vào những dòng cây trong tương lai.

Dù đạt được những tiến bộ này, vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi cây trồng apomixis được thương mại hóa. Các nhà nghiên cứu cần giải quyết một số thách thức, bao gồm đạt hiệu quả nhân bản vô tính 100%, tiến hành thử nghiệm diện rộng trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau và bảo đảm các giống apomixis vẫn duy trì hiệu suất khi đối mặt với hạn hán, dịch bệnh và những tác nhân gây căng thẳng khác.

Adam Famoso, nhà chọn giống lúa tại Đại học Bang Louisiana, lưu ý về những thách thức còn tồn tại:

Chúng ta vẫn còn rất nhiều điều chưa hiểu về cách làm cho công nghệ này đạt hiệu quả trong nông nghiệp.

Rào cản quản lý và sự chấp nhận của công chúng

Cũng như mọi cây trồng biến đổi gen, lúa apomixis phải vượt qua các rào cản quản lý trước khi có thể đến với đồng ruộng. Một số quốc gia, đặc biệt ở châu Á, đã phản đối thực phẩm biến đổi gen và có thể ngần ngại nhập khẩu hoặc trồng lúa apomixis dù giống lúa này có những lợi ích tiềm năng.

Jauhar Ali, người đứng đầu chương trình lúa lai tại Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc tế, bày tỏ sự lạc quan thận trọng về khả năng được chấp thuận:

Chỉnh sửa gen đang dần được chấp nhận và nhiều chính phủ đang nhận ra tầm quan trọng của công cụ này trong việc mang lại lợi ích cho nông nghiệp.

Thời điểm thương mại hóa vẫn chưa chắc chắn. Erik Jongedijk ước tính có thể cần thêm 5 đến 10 năm nghiên cứu trước khi apomixis tổng hợp được ứng dụng thương mại trên bất kỳ cây trồng nào. Khoảng thời gian này không chỉ bao gồm phát triển khoa học mà còn cả việc xin cấp phép, thử nghiệm ngoài đồng và mở rộng quy mô sản xuất hạt giống.

Một số nhà chọn giống cảnh báo rằng ngay cả khi được hoàn thiện, cây trồng apomixis vẫn có thể không thành công trên thị trường do rào cản quản lý hoặc sự phản đối của người tiêu dùng. Tuy nhiên, những lợi ích tiềm năng về an ninh lương thực, kinh tế của nông dân và nông nghiệp bền vững là động lực mạnh mẽ để vượt qua các trở ngại này.

Con đường thương mại hóa

Để biến đột phá trong phòng thí nghiệm thành sản phẩm thương mại cần trải qua nhiều bước then chốt. Trước tiên, các nhà nghiên cứu phải chứng minh lúa apomixis sinh trưởng ổn định trong các môi trường và điều kiện canh tác khác nhau. Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc gia Trung Quốc đã nộp đơn đăng ký bằng sáng chế cho công trình của mình, cho thấy họ tin tưởng vào tiềm năng thương mại của công nghệ này.

Các nhà nghiên cứu cũng cần giải quyết những thách thức sinh học còn lại. Giống như phần lớn thực vật, lúa apomixis hiện đang được phát triển vẫn cần phấn hoa để thụ tinh cho nội nhũ — mô hạt nuôi dưỡng phôi đang phát triển. Bước này vẫn dễ bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu, vì phấn hoa có thể giảm khả năng sống khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Các nhà khoa học tại Viện Whitehead và MIT đã nhận tài trợ để tạo ra những cây có khả năng phát triển nội nhũ mà không cần thụ tinh, một năng lực vốn có ở một số loài thực vật sinh sản tự nhiên bằng apomixis. Nếu thành công, các giống cây trồng apomixis trong tương lai sẽ không còn phụ thuộc vào phấn hoa, qua đó có thể tạo ra nhiều hạt ngay cả trong các đợt nắng nóng.

Khi nghiên cứu tiếp tục tiến triển, cộng đồng nông nghiệp dõi theo với nhiều kỳ vọng. Peggy Ozias-Akins, nhà di truyền học tại Đại học Georgia, nhận định về tác động tiềm năng:

Điều này thực sự có thể tạo ra bước ngoặt lớn.

Hiện tại, trực thăng vẫn tiếp tục bay trên các cánh đồng lúa ở Texas và Arkansas để thụ phấn cho cây lai bằng những phương pháp tốn kém và cần nhiều nhân công. Nhưng có thể chẳng bao lâu nữa, nông dân sẽ chỉ cần để dành hạt từ những cây cho năng suất cao nhất qua từng năm, làm thay đổi nền nông nghiệp như chúng ta biết ngày nay.

Kết luận chính

• Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã phát triển giống lúa lai nhân bản vô tính, sinh sản bằng apomixis, đạt hiệu quả tạo hạt vô tính trên 99%.
• Bước đột phá này có thể giúp nông dân không còn phải mua hạt giống lai đắt tiền mỗi vụ.
• Sản lượng lúa toàn cầu có thể tăng gấp đôi nếu tất cả nông dân áp dụng công nghệ này.
• Hạt giống lai có thể đắt gấp tới 100 lần hạt giống lúa thường, hạn chế khả năng áp dụng trong nhóm nông hộ nhỏ.
• Nghiên cứu kết hợp hai cơ chế then chốt: dùng nguyên phân thay vì giảm phân để tạo tế bào trứng giống hệt nhau, và sinh sản đơn tính để phát triển phôi mà không cần thụ tinh.
• Nhiều hướng nghiên cứu đang được theo đuổi, trong đó có các phương pháp sử dụng gen BABY BOOM, OsWUS và PAR.
• Hợp tác quốc tế đóng vai trò thiết yếu, với sự đóng góp của các nhóm từ Trung Quốc, Mỹ, châu Âu và châu Phi.
• Có thể cần 5 đến 10 năm nữa mới triển khai thương mại do còn những thách thức kỹ thuật và yêu cầu quản lý.
• Công nghệ này có thể được mở rộng sang các cây trồng khác như cao lương, cà chua, cỏ linh lăng và bắp cải.
• Cây trồng apomixis có thể giúp nuôi sống dân số ngày càng tăng mà không cần mở rộng diện tích canh tác hoặc tăng lượng phân bón sử dụng.