Đây là nhận định được các nhà nghiên cứu đưa ra tại Hội nghị Ngô châu Á lần thứ 14, diễn ra từ ngày 14-18/8 tại Thành Đô, tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc. Hội nghị tập trung thảo luận những hướng đi mới trong cải tiến giống, trong đó có đổi mới công nghệ sinh học và phát triển nguồn gen chính xác, cùng với đa dạng di truyền, khả năng chống chịu khí hậu, an ninh dinh dưỡng và nông nghiệp thông minh. Các công nghệ như chỉnh sửa gen, trí tuệ nhân tạo (AI), công nghệ đơn bội kép và những yêu cầu về khung pháp lý cho ứng dụng công nghệ mới cũng được các đại biểu đặc biệt quan tâm.

Từ ngày 14-18/8, Hội nghị ngành ngô châu Á lần thứ 14, với chủ đề “Thúc đẩy đổi mới khoa học và công nghệ nhằm ứng phó với biến đổi khí hậu”, diễn ra tại thành phố Thành Đô, tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc. Ảnh: BTC.

3 xu hướng lớn trong chọn tạo giống ngô hiện đại

Alen (Allele) trong di truyền học và chọn tạo giống là các dạng biến thể khác nhau của cùng một gen.

Mỗi gen nằm tại một vị trí xác định trên nhiễm sắc thể (gọi là locus) và quy định một tính trạng cụ thể (như chiều cao, màu sắc, hay khả năng kháng bệnh). Các alen khác nhau của gen đó sẽ tạo ra các biểu hiện khác nhau của tính trạng.

Tại phiên công nghệ sinh học, các đại biểu cho rằng công tác cải tiến giống ngô đang chuyển dần từ chọn lọc dựa trên nguồn vật liệu sẵn có sang chủ động thiết kế những tính trạng mong muốn. Theo đó, các công cụ mới cho phép đưa những alen tự nhiên có lợi vào giống, điều chỉnh hoạt động của gen hoặc thay đổi đặc tính cây trồng mà không phải trải qua nhiều thế hệ lai trở lại giữa giống ưu tú và nguồn vật liệu mang gen mong muốn.

Trí tuệ nhân tạo đang được kết hợp với chỉnh sửa hệ gen để tăng khả năng dự báo. AI có thể hỗ trợ xác định mục tiêu di truyền, thiết kế các bước chỉnh sửa và dự đoán kết quả, trong khi các thí nghiệm chỉnh sửa hệ gen cung cấp dữ liệu thực tế để kiểm chứng và tiếp tục hoàn thiện mô hình. Qua đó hình thành một chu trình liên tục giữa thiết kế trên máy tính và kiểm chứng sinh học.

Các nhà khoa học cũng hướng tới việc kết hợp khả năng kháng bệnh, chất lượng dinh dưỡng, hiệu quả sử dụng đầu vào với khả năng chịu hạn, ngập úng, mặn, che bóng và đất nghèo dinh dưỡng.

Tuy nhiên, công nghệ tiên tiến không đồng nghĩa với việc chắc chắn tạo ra tác động trên thực tế. Dữ liệu tin cậy, kiểm chứng ngoài đồng ruộng, hành lang pháp lý rõ ràng, năng lực nghiên cứu tại địa phương và mạng lưới đối tác vẫn là những điều kiện then chốt.

Công nghệ chỉnh sửa gen, AI và các công cụ chọn tạo tiên tiến đang mở ra khả năng cải tiến nguồn gen ngô nhanh và chính xác hơn. Ảnh: Viện Nghiên cứu Ngô.

Chỉnh sửa prime: từ gen kháng bệnh đến nâng cao dinh dưỡng

Một ví dụ được trình bày tại hội nghị là nghiên cứu của nhóm thuộc Trung tâm Cải thiện Ngô và Lúa mì Quốc tế (CIMMYT), do Anindya Bandyopadhyay dẫn đầu, về ứng dụng công nghệ chỉnh sửa prime để đồng thời tăng khả năng bảo vệ cây trồng và cải thiện chất lượng dinh dưỡng.

Khác với các phương pháp chỉnh sửa hệ gen truyền thống thường tạo ra đứt gãy cả hai mạch DNA, chỉnh sửa prime có thể tạo ra những thay đổi nucleotide chính xác mà không gây đứt gãy kép DNA hoặc cần DNA cho. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể tái tạo trực tiếp những biến thể di truyền có lợi trong nguồn vật liệu ngô đã thích nghi.

Để tạo khả năng kháng bệnh hoại tử chết ngô (Maize Lethal Necrosis - MLN), nhóm nghiên cứu sử dụng chỉnh sửa prime nhằm tái tạo một biến thể tự nhiên của gen mã hóa enzyme peptidase peroxisome được tìm thấy ở KS23-6, một dòng cho gen kháng bệnh của Thái Lan.

Thay vì đưa alen mong muốn vào giống thông qua nhiều thế hệ lai chuyển, cách tiếp cận này cho phép đưa trực tiếp biến thể có lợi vào vật liệu ưu tú, qua đó có tiềm năng rút ngắn thời gian phát triển tính kháng bệnh.

Chỉnh sửa prime cũng được nghiên cứu để tăng cường giá trị dinh dưỡng của ngô. Các nhà khoa học tập trung điều chỉnh những vùng điều hòa trong promoter và các yếu tố phiên mã được lựa chọn, qua đó tăng biểu hiện của các gen nội sinh trong nội nhũ ngô.

Một trong những mục tiêu là enzyme phytase, có khả năng phân giải axit phytic - hợp chất làm hạn chế khả năng hấp thụ sắt của cơ thể. Việc điều chỉnh các vùng điều hòa vốn có của cây ngô có thể giúp tăng khả năng hấp thụ khoáng chất, đồng thời có khả năng tạo ra sản phẩm không mang đặc điểm chuyển gen, tùy thuộc quy định của từng quốc gia.

Nghiên cứu cho thấy hai hướng ứng dụng bổ trợ của chỉnh sửa prime: tái tạo các alen tự nhiên có giá trị và tinh chỉnh hoạt động của các gen nội sinh. CIMMYT cũng đang sử dụng các công cụ chỉnh sửa hệ gen để cải thiện kiến trúc cây, khả năng kháng Striga và nhiều tính trạng khác, đồng thời tăng cường đào tạo và trao đổi với các cơ quan quản lý.

Nghiên cứu tại hội nghị cho thấy, giai đoạn tiếp theo của cải tiến giống ngô sẽ kết hợp độ chính xác ở cấp độ phân tử với khả năng thích ứng ở cấp độ đồng ruộng. Ảnh: Viện Nghiên cứu Ngô.

AI và chỉnh sửa hệ gen tạo chu trình đổi mới hai chiều

Nếu chỉnh sửa hệ gen cho phép các nhà khoa học tác động chính xác vào vật liệu di truyền, AI có thể giúp xác định nên tác động vào đâu và dự đoán kết quả trước khi tiến hành thí nghiệm.

Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc, gồm Zhaoxu Gao, Jinjie Zhu và Chuanxiao Xie, đề xuất một khung kết hợp AI với chỉnh sửa hệ gen nhằm đưa công tác cải tiến giống ngô theo hướng dự báo và thiết kế. Theo đó, AI hỗ trợ thiết kế RNA dẫn đường, dự đoán các tác động ngoài mục tiêu và ước tính kết quả chỉnh sửa. Các mô hình dựa trên dữ liệu cũng có thể góp phần xác định những mục tiêu di truyền tiềm năng và phát triển các hệ thống chỉnh sửa hiệu quả hơn.

Ở chiều ngược lại, chỉnh sửa hệ gen giúp kiểm chứng những dự đoán của AI. Việc thay đổi chính xác các gen và vùng điều hòa cho phép các nhà nghiên cứu xác định mối quan hệ nhân quả giữa kiểu gen và kiểu hình, đồng thời tạo ra các bộ dữ liệu có độ phân giải cao để tiếp tục hoàn thiện mô hình tính toán. Qua đó, một chu trình đổi mới hai chiều có thể được hình thành: AI đề xuất thay đổi di truyền - chỉnh sửa hệ gen kiểm chứng - dữ liệu thực nghiệm quay trở lại AI - mô hình tiếp tục được hoàn thiện.

Cách tiếp cận này được kỳ vọng hỗ trợ tích hợp nhiều tính trạng, thiết kế lại quá trình trao đổi chất, tăng khả năng chống chịu với khí hậu và các dạng stress, cải thiện dinh dưỡng, thậm chí hỗ trợ thuần hóa những vật liệu ngô mới.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu lưu ý bằng chứng ở quy mô chọn tạo giống vẫn còn hạn chế. Những trở ngại chính gồm: thiếu dữ liệu huấn luyện, sự phức tạp của tương tác sinh học, khả năng diễn giải mô hình còn hạn chế và khác biệt về quy định công nghệ sinh học giữa các quốc gia.

Trong tương lai, có thể hình thành các nền tảng khép kín, trong đó AI liên tục đề xuất thay đổi di truyền, các thí nghiệm kiểm chứng những đề xuất này và dữ liệu thu được được đưa trở lại mô hình. Dù vậy, kiểm chứng rộng rãi ngoài đồng ruộng vẫn là bước không thể thiếu trước khi các giống được đưa vào sản xuất.

Indonesia đặt mục tiêu sản xuất khoảng 16,5 đến 18 triệu tấn ngô trong năm 2026. Ảnh: Antara News.

Indonesia chọn giống thích ứng với nhiều điều kiện sản xuất

Công nghệ chọn tạo chính xác cuối cùng vẫn phải trả lời câu hỏi quan trọng: giống mới có đáp ứng được những điều kiện sản xuất cụ thể hay không. Kinh nghiệm của Indonesia cho thấy các công cụ tiên tiến đang được định hướng để giải quyết trực tiếp những thách thức của sản xuất ngô.

Puji Lestari và các cộng sự thuộc Cơ quan Nghiên cứu và Đổi mới Quốc gia Indonesia (BRIN) cho biết, các ưu tiên chọn tạo giống của nước này chịu tác động bởi đất chua, đất mặn và đất khô hạn; các hiện tượng khí hậu bất thường như El Niño; cùng áp lực từ bệnh sương mai và sâu keo mùa thu.

Indonesia đã phát triển nhiều thế hệ vật liệu ngô, từ các dòng bố mẹ như Arjuna và Abimanyu đến các dòng ngô lai Bima và giống NASA-29 có năng suất cao. Gần đây, BRIN công nhận các giống lai như HJBRIN101 và HJBRIN103, với tiềm năng năng suất được báo cáo lên tới 12,9 tấn/ha và khả năng kháng mạnh các bệnh nấm.

Tuy nhiên, hướng nghiên cứu hiện nay không chỉ nhằm tạo ra giống có năng suất cao mà còn phải duy trì năng suất trong nhiều điều kiện bất lợi. Các nhà chọn giống đang xác định những giống lai có thể duy trì năng suất khi giảm 50% lượng phân đạm, vật liệu chịu bóng phù hợp với hệ thống xen canh và giống thích nghi với điều kiện ngập úng.

Hướng tiếp cận này sẽ được hỗ trợ bởi phương pháp chọn lọc có sự trợ giúp của chỉ thị phân tử đối với tính kháng bệnh sương mai; xác định bằng phương pháp phân tử các vật liệu đơn bội kép mang chỉ thị R1-nj, hay chỉ thị Navajo, được đưa vào từ CIMMYT; cùng các công cụ học sâu mới nhằm ưu tiên những biến thể di truyền có giá trị.

Trong thời gian tới, các nhà nghiên cứu Indonesia nhận định học máy, dự đoán di truyền và chỉnh sửa hệ gen sẽ trở thành những công cụ quan trọng trong cải tiến giống ngô. Đồng thời, cần tăng cường quan hệ đối tác và cơ chế cấp phép giữa khu vực công và tư nhân để bảo đảm các giống có khả năng chống chịu và chất lượng cao đến được với nông hộ quy mô nhỏ.