Ngành hạt giống tạo ra giá trị gia tăng bằng cách cho ra đời những giống cây trồng mới. Mỗi giống cây trồng mới ra đời có tổng chi phí lên tới khoảng 136 triệu USD và phụ thuộc vào phương pháp lai tạo, có thể mất 8 – 10 năm để phát triển. Do chi phí phát triển một giống mới rất cao, các công ty hạt giống có xu hướng đầu tư vào các loại cây trồng được trồng rộng rãi, và trong các hệ thống sản xuất nông nghiệp quy mô lớn, như ngô tại Mỹ và đậu tương tại Brazil. Tuy nhiên, các danh mục sản phẩm mang tính sản xuất tập trung cao có thể rất rủi ro. Ví dụ việc cấm sử dụng glyphosate tác động tới kinh doanh 145 giống ngô, 23 giống đậu tương, 22 giống bông và 15 giống hạt cải. Do đó, chìa khóa để thành công trong ngành hạt giống là cung cấp chính xác những hạt giống mới, đáp ứng nhu cầu của nông dân/người tiêu dùng.

Xu hướng mới trong các công ty giống cây trồng: Cá biệt hóa giống cây trồng

Thử tưởng tượng nông dân đặt hàng hạt giống trực tuyến chỉ giống như đặt một chiếc MacBook: tùy chỉnh màu khoai tây, tùy chỉnh tỷ lệ acid béo trong đậut ương, tùy chỉnh các đặc tính kháng bệnh/vật hại,… Các đặc tính giống cây trồng có thể điều chỉnh theo nhu cầu của họ. Hơn nữa, đây cũng là cách giúp dự báo năng suất. Trong kịch bản này, công ty giống cây trồng tạo ra một kế hoạch sản xuất theo đơn hàng được đặt. Không có áp lực tồn kho, không lãng phí nguồn lực nghiên cứu. Người tiêu dùng có thể lựa chọn thực phẩm bằng cách thông báo nhu cầu của họ với nông dân.

Kỹ thuật thay đổi cuộc chơi, công cụ biên tập bộ gene: CRISPR/Cas

Làm thế nào để chúng ta dịch chuyển từ hệ thống hiện nay tới kịch bản tương lai như trên? Tất cả bắt đầu với một công cụ biên tập gene: CRISPR/Cas. Công cụ này cho phép biên tập bộ gene theo ý muốn, sử dụng 2 thành phần chính: CRISPR và Cas. Cas ám chỉ loại protein tiến hành cắt DNA. CRISPR ám chỉ chuỗi DNA hướng dẫn Cas vị trí phù hợp của bộ gene để cắt, ban đầu được sử dụng bởi vi khuẩn cho hệ thống đề kháng và phát hiện lần đầu tiên trong bộ gene E.coli vào năm 1987. Từ năm 2012, hệ thống CRISPR/Cas đã cho thấy được lập trình để chia tách DNA mục tiêu và được ứng dụng trong các lĩnh vực như trị bệnh ở người, lai giống vật nuôi và lai tạo giống cây trồng. Hệ thống này có thể được sử dụng để biên tập gene theo 3 bước:

1. Tìm một vị trí tương ứng trong bộ gene (chuỗi DNA) để biên tập
2. Cắt DNA
3. Cắt bỏ/thay thế DNA không mong muốn bằng DNA mong muốn.

Biên tập gene giống hư sửa lỗi trong Microsoft Word: tìm kiếm một lỗi đánh máy (tìm kiếm gene để biên tập), xóa lỗi đánh máy (cắt DNA), thay thế bằng từ chính xác (gắn DNA mới).

Corteva đang sử dụng CRISPR/Cas làm công cụ lai giống cây trồng cho một loại ngô, rút ngắn chu kỳ lai giống từ 8 năm xuống còn 5 năm. Điểm mạnh và điểm yếu của CRISPR/Cas so với GMO truyền thống được trình bày dưới đây.

Điểm mạnh và điểm yếu của CRISPR/Cas so với GMO thông thường

Khác với các phương pháp biến đổi gene thông thường, CRISPR/Cas cần có một đặt hàng chính xác cho một vị trí xác định trong bộ gene để tiến hành biên tập gene. Việc này yêu cầu thêm nhiều thông tin về bộ gene và chỉ một số cây trồng có đủ thông tin tích lũy để làm được việc này, như ngô, đậu tương và gạo.

Các lo ngại liên quan đến biên tập gene

Trong ngắn hạn, các công ty hạt giống có thể biên tập gene với các chức năng gene đã biết nhưng nhiều chức năng genen vẫn đang thiếu, ví dụ như đặc tính chống hạn hán.

Để tăng tốc nghiên cứu chức năng gene trong cây trồng, các nhà khoa học cây trồng đang sử dụng những công nghệ tiên tiến nhất, bao gồm sử dụng các máy bay không người lái để thu thập hình ảnh, công nghệ thông tin để nhận diện các mạng lưới quy định mới, và phân tích dữ liệu lớn. Một lượng lớn dữ liệu đầu vào được sử dụng để phát triển các mô hình dự báo năng suất. Cộng với các kỹ thuật xác định trình tự mới nhất và các mô hình dự báo tốt, dự báo chính xác năng suất sẽ ngày càng khả thi hơn đối với trình tự bộ gene của một loại cây trồng. Hoạt động này sẽ giúp tiết kiệm một lượng lớn thời gian và tiền bạc trong nghiên cứu giống cây trồng và giảm rủi ro.

Các công nghệ như cảm biến và drone, cho phép thu thập dữ liệu ngày càng lớn trong một khoảng thời gian và không gian nhất định, cho thấy ngày càng nhiều thông tin chi tiết được sử dụng để hiểu về quá trình sinh trưởng của cây trồng. Tuy nhiên, để chiết xuất thông tin từ hàng trăm ngàn hình ảnh, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ thông tin sinh học là cần thiết. Nhưng những chuyên gia như vậy hiện rất khó tìm bởi mức lương trong ngành nông nghiệp thường không hấp dẫn, nghĩa là nguồn nhân lực thiếu để xử lý một lượng dữ liệu rất lớn.

Các cơ hội: Dữ liệu, mô hình, biên tập gene

Cùng với nhau, các chìa khóa để sản xuất được các hạt giống cá biệt hóa là dữ liệu (cả phenomic và gene), mô hình và biên tập gene. Đầu tiên, với dữ liệu, người ta theiét lập các mối quan hệ giữa gene và chức năng của mỗi gene. Thứ hai, bằng mô hình, người ta dự báo đặc tính của một kiểu di truyền nhất định. Cuối cùng, với biên tập gene một kiểu di truyền được mong muốn có thể tạo được càng sớm càng tốt.

Tạo giống là một hoạt động lâu dài và tốn kém của các công ty hạt giống, nhưng các công nghệ mới đang thay đổi hoạt động này. Có 3 công nghệ (biên tập gene, dữ liệu và phân tích dữ liệu) có thể đóng vai trò quan trọng để giảm chi phí và thời gian. Biên tập gene cho phép biên tập chính xác bộ gene của một loại cây trồng mà không làm mất đi đặc tính năng suất cao. Dữ liệu với việc sử dụng drone giúp tăng tính hiệu quả của thu thập dữ liệu và phân tích sâu giúp tăng năng xuất của sử dụng dữ liệu. Với sự xích lại gần nhau của số hóa dựa trên nền tảng ICT trong sản xuất nôn gnghiệp và công nghệ sinh học, ngành giống cây trồng sẽ chuyển dịch theo chiến lược nhân giống dựa trên dự báo và nhu cầu của khách hàng.