Khi AI bước vào cánh đồng: Trung Quốc mở ra kỷ nguyên lai giống mới

[Trúc Hà Nhân]

Ít ai biết rằng 1 gram hạt giống cà chua lai “cao cấp” còn đắt gấp 5 lần giá vàng – nguyên nhân đến từ quy trình lai giống thủ công cực kỳ phức tạp. Nhóm nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố nghiên cứu trên Cell, kết hợp chỉnh sửa gen để tạo giống cà chua vô sinh đực – nhụy hoa lộ ra ngoài, cùng robot thụ phấn thông minh “Jia Er” được huấn luyện bằng AI. Kết quả: quá trình lai giống nhanh hơn, rẻ hơn và chính xác hơn con người.

Công nghệ này không chỉ mở ra kỷ nguyên mới cho cà chua mà còn hứa hẹn ứng dụng trên đậu nành, khoai tây, ớt… Nếu mô hình BAR (Biotech + AI + Robot) được nhân rộng, nông nghiệp có thể bước vào thời đại “lai giống thông minh”, thay đổi căn bản cách chúng ta tạo ra và thu hoạch lương thực.

Cà chua là một trong những loại rau được nhiều người yêu thích, nhưng có thể bạn chưa biết, giá của 1 gram hạt giống cà chua “cao cấp” gấp 5 lần giá vàng. Nguyên nhân chính nằm ở quy trình lai tạo giống cây trồng. Làm thế nào để quy trình này trở nên thông minh và hiệu quả hơn luôn là vấn đề mà các nhà khoa học trên toàn thế giới tìm cách giải quyết. Gần đây, một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc đã công bố một nghiên cứu về lai tạo cà chua trên tạp chí hàng đầu quốc tế "Cell", đề xuất những phương pháp mới để giải quyết vấn đề này. Vậy công nghệ mới này có thể mở rộng ứng dụng một cách rộng rãi không? Và những thành tựu này có thể mang lại ý nghĩa gì cho việc lai tạo giống cây trồng khác?

Giới thiệu về robot lai tạo thông minh mang tên "Jia Er", trong một nhà kính hiện đại ở Bắc Kinh, robot này đang thực hiện việc thụ phấn tự động cho cà chua. Tại Viện Di truyền và Sinh học phát triển của Học viện Khoa học Trung Quốc, "Jia Er" đang thử nghiệm thụ phấn lai.

Khi nhắc đến giống lai, có thể nhiều người sẽ nghĩ ngay đến "giống lúa lai", mà điển hình là đội ngũ do giáo sư Yuan Longping dẫn đầu, những người đã vượt qua vô số khó khăn để giải quyết vấn đề lai giống lúa, giúp hàng tỷ người có đủ ăn. Tuy nhiên, ngoài lúa, còn có nhiều loại cây trồng khác như ngô, lúa mì, cải dầu, bông cũng là giống lai.

Tại sao người sản xuất nông nghiệp lại ưa chuộng giống lai? Điều này bắt buộc chúng ta phải nhắc đến khái niệm "ưu thế lai". Trong sinh học, lai là sự giao phối giữa các loài hoặc giống khác nhau, và thế hệ đầu tiên của giống lai sẽ có các đặc tính sinh trưởng, khả năng kháng bệnh, chất lượng và năng suất vượt trội hơn so với cây bố mẹ. Hiện nay, cà chua cũng là một loại rau quan trọng trong thực phẩm, đặc biệt là giống lai cà chua có năng suất cao, chất lượng tốt, dễ thu hoạch và khả năng kháng bệnh tốt, có năng suất cao hơn từ 20% đến 30% so với giống thông thường. Chính vì vậy, hiện nay 90% cà chua được trồng thương mại trên toàn cầu là giống lai, chiếm ưu thế rõ ràng trên thị trường. Dự báo đến năm 2024, giá trị thị trường của giống lai cà chua sẽ đạt khoảng 8.54 tỷ nhân dân tệ (tương đương 1.3 tỷ USD), và con số này được dự đoán tăng lên 15.05 tỷ nhân dân tệ (tương đương 2.3 tỷ USD) vào năm 2030.

Đáng chú ý, giá sản xuất 1 gram hạt giống cà chua lai rất cao. Cà chua thường có hình dạng hoa khép kín, thuận lợi cho việc tự thụ phấn, nhưng để tạo ra giống lai, cần phải loại bỏ nhị hoa và đưa phấn hoa từ cây khác. Hơn nữa, hoa cà chua chỉ có đường kính khoảng 1 cm, thời gian ra hoa không đồng nhất và rất ngắn, đòi hỏi phải thực hiện việc thụ phấn trước khi phấn hoa chín. Điều này dẫn đến việc lao động thủ công để thụ phấn tương đối cao, và nếu không cẩn thận có thể làm tổn thương các cấu trúc khác của hoa, ảnh hưởng đến sự phát triển sau này của nó. Chính vì vậy, chi phí lao động cho việc lai tạo giống cà chua luôn rất cao, chiếm tới 25% tổng chi phí.

Nguyên nhân của tình trạng này là gì? Tiến trình lai tạo đã tạo ra một tình trạng "thành công cũng do lai tạo, thất bại cũng do lai tạo". Hoa cà chua nguyên thủy có nhị hoa ngoại hiển, thuận lợi cho việc thụ phấn chéo nhờ vào côn trùng hoặc gió. Sự sống sót của cà chua trong môi trường tự nhiên có những ưu điểm và nhược điểm. Ưu điểm là có thể tăng cường sự đa dạng di truyền thông qua lai tạo, nhưng nhược điểm là tỷ lệ thụ phấn thành công dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như thời tiết khắc nghiệt hoặc thiếu con đường thụ phấn, dẫn đến sản lượng không ổn định. Chính vì vậy, khi tổ tiên của chúng ta bắt đầu thuần hóa cà chua, họ chọn phương pháp "thụ phấn khép kín" để đảm bảo các đặc tính của cà chua đồng nhất, giảm thiểu rủi ro thất bại trong thụ phấn. Tuy nhiên, chiến lược này cũng đã cản trở cà chua hưởng lợi từ ưu thế lai. Khi con người muốn đạt được ưu thế lai, họ buộc phải loại bỏ nhị hoa bằng tay, dẫn đến tăng chi phí.

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học và các công nghệ sinh học tiên tiến, các nhà khoa học đặt ra câu hỏi: Liệu có thể giải quyết vấn đề này để làm cho việc lai tạo cà chua trở nên thông minh và hiệu quả hơn?

Để việc lai tạo cà chua diễn ra thuận lợi hơn, cần phải đảm bảo hai đặc điểm: đầu tiên là vô sinh đực, nhằm tránh việc tự thụ phấn; thứ hai là nhụy hoa phải lộ ra ngoài, giúp việc thụ phấn bằng tay dễ dàng hơn. Điều này đòi hỏi ít nhất phải thực hiện hai tính trạng sinh học, và độ khó tự nhiên rất cao. Để tìm ra tính trạng vô sinh đực và nhụy hoa lộ ra ngoài, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã thực hiện nhiều thử nghiệm. Cách trực tiếp nhất là tìm kiếm các biến thể tự nhiên từ nguồn tài nguyên hoang dã, nhưng tỷ lệ hoa vô sinh tự nhiên ở cà chua rất thấp.

Nhiều nhà nghiên cứu đã mất nhiều năm trong việc tìm kiếm giống vô sinh nổi tiếng để sản xuất lúa lai. Trên thực tế, các nhà khoa học đã tìm thấy các biến thể cà chua vô sinh, nhưng những biến thể này thường đi kèm với các đặc tính không thuận lợi như quả nhỏ, tỷ lệ đậu quả thấp và hương vị kém, nên không thể đáp ứng nhu cầu trồng trọt thương mại.

Tiếp theo, các nhà khoa học đã thử nghiệm phương pháp lai tạo bằng cách sử dụng các yếu tố hóa học hoặc vật lý để kích thích sự biến đổi gen, nhằm tạo ra nhụy hoa lộ ra ngoài và vô sinh đực. Nhưng kết quả cho thấy các biến đổi này vẫn khá ngẫu nhiên với hiệu quả thấp, dễ dẫn đến việc xuất hiện các tính trạng không mong muốn, và phương pháp này cũng tốn khá nhiều thời gian.

Vậy còn cách nào khác không? Nhóm các nhà khoa học Trung Quốc đã tìm ra một hướng đi mới, thử nghiệm công nghệ chỉnh sửa gen để tùy chỉnh các tính trạng lý tưởng cho cà chua lai. Để hiểu rõ hơn về phát triển hoa, cần biết rằng một hoa thông thường có bốn cấu trúc: từ ngoài vào, lần lượt là đài hoa, cánh hoa, nhị hoa và nhụy hoa, nhưng chỉ có ba loại gen quy định cho các cấu trúc này. Làm thế nào ba loại gen này có thể kiểm soát bốn cấu trúc? Câu trả lời là: Gen loại A kiểm soát sự phát triển của đài hoa và cánh hoa, gen loại B kiểm soát sự phát triển của cánh hoa và nhị hoa, và gen loại C kiểm soát sự phát triển của nhị hoa và nhụy hoa. Và gen B trong đó có vai trò quan trọng trong sự phát triển của cánh hoa và nhị hoa.

Đối với những đặc điểm mới của cà chua mà chúng ta mong đợi: Việc sử dụng vô sinh đực để tránh tự thụ phấn và có nhụy hoa lộ ra ngoài để dễ dàng thụ phấn đòi hỏi phải thao tác với gen nhị hoa để gây ra sự thất bại trong phát triển của nó, đây là vai trò của gen loại B. Nhằm đạt được điều này, nhóm nghiên cứu của nhà khoa học Xu Cao quyết định sẽ thao tác với gen B của cà chua. Sau nhiều nghiên cứu, họ đã chọn một gen mang tên GLO2, thuộc nhóm gen B, có khả năng điều chỉnh sự phát triển của cánh hoa và nhị hoa.

Ban đầu, các nhà khoa học đã thử nghiệm bằng cách thao tác trực tiếp vào vùng mã hóa của gen để vô hiệu hóa hoàn toàn gen này, nhưng đã phát hiện ra rằng sự thiếu hụt chức năng của GLO2 sẽ dẫn đến các khuyết tật trong sự phát triển của các bộ phận khác của hoa, từ đó ảnh hưởng đến khả năng sản xuất của cà chua hoặc chỉ thực hiện được một phần vô sinh đực. Do đó, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa kỹ thuật chỉnh sửa gen, tập trung vào các vùng không mã hóa để thao tác gen, nhằm không làm ảnh hưởng quá lớn đến chức năng của GLO2.

Kết quả cho thấy, một giống cà chua mới xuất hiện với nhị hoa cong lại và không có lông, không thể hình thành nhị hoa mà không thể tạo ra phấn hoa có khả năng sinh sản, điều này đã thành công trong việc đạt được tình trạng vô sinh đực. Đồng thời, với việc nhị hoa bị rút ngắn và uốn cong, nhụy hoa lộ ra ngoài, hình thành giống vô sinh đực kiểu cấu trúc mà các nhà lai tạo đang kỳ vọng. Sau các thử nghiệm, định tính cho thấy công nghệ chỉnh sửa gen này có thể di truyền ổn định, và có thể tái hiện trong 512 giống cà chua mà không ảnh hưởng đến tỷ lệ đậu quả và chất lượng hạt, nhờ đó các nhà khoa học đã thành công trong việc phát triển giống cà chua vô sinh có nhụy hoa lộ ra ngoài.

Sau khi giải quyết được những hạn chế của cây trồng trong lai tạo giống, các nhà khoa học kỳ vọng sẽ giảm thiểu hơn nữa chi phí thụ phấn trong quá trình lai tạo. Nếu chi phí lao động cao, liệu có thể sử dụng robot để thay thế con người hay không? Việc sử dụng robot sẽ cần phải vượt qua ba rào cản công nghệ. Thứ nhất là chính xác nhận diện hoa. Hoa cà chua chỉ có kích thước 1 cm và có thể có mặt quay về nhiều hướng khác nhau, đồng thời có thể bị lá, cành hoặc trái che khuất. Thứ hai là chính xác định vị trí nhụy hoa để thụ phấn, yêu cầu độ chính xác đến từng milimet. Cuối cùng, cần phải xác định lực thao tác, vừa phải thụ phấn mà không làm tổn thương nhụy hoa, ảnh hưởng đến tỷ lệ đậu quả.

Để giải quyết những vấn đề này, công nghệ AI mới nhất đã được sử dụng. Nhóm nghiên cứu của Xu Cao đã hợp tác với các nhà nghiên cứu khác nhau tiến hành đào tạo AI. Họ đã thu thập 12.800 hình ảnh, đánh dấu biên giới và các mặt cắt để chính xác tách biệt đối tượng trong hình ảnh. Sau đó, họ đã sử dụng 7.680 hình ảnh để huấn luyện mạng nơ-ron sâu, giúpAI có thể nhận diện hoa và định vị nhụy hoa ở mức độ chính xác biểu thị đến từng milimet trong môi trường phức tạp.

Sau khi giải quyết được những thách thức trong việc nhận diện hoa và nhụy hoa, bước tiếp theo là thiết kế robot. Việc thụ phấn tự động cũng đối mặt với hai thách thức. Thách thức đầu tiên là xác định và tiếp cận hoa, robot cần phải tìm tất cả hoa chín và tiếp cận chính xác từng hoa ở các hướng khác nhau. Thách thức thứ hai là nhanh chóng tiếp xúc với nhụy hoa để thực hiện thụ phấn, đồng thời kiểm soát lực để không làm hại hoa. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một robot lai tạo thông minh mang tên "Jia Er" (viết tắt của GE AIR, có nghĩa là robot đồng hành với AI và chỉnh sửa gen).

"Jia Er" bao gồm nhiều phần: một nền tảng di chuyển giúp robot di chuyển giữa các hàng cà chua với khoảng cách 2 mét; một mô-đun định vị siêu rộng giúp thực hiện định vị chính xác trong nhà kính; một camera RealSense D435i cho phép thu thập và nhận diện hình ảnh; một bộ thiết bị thụ phấn (bao gồm một cánh tay thụ phấn và kẹp thụ phấn) nhẹ nhàng nắm giữ thuốc thụ phấn và tiếp xúc với nhụy hoa để thụ phấn; và một container chứa phấn hoa. Có thể hình dung rằng, khi "Jia Er" tiến đến một cây cà chua, nó nhanh chóng thu thập hình ảnh và thực hiện nhận diện, hướng dẫn cánh tay máy tiếp cận hoa một cách nhanh chóng và chính xác, thực hiện thụ phấn rồi di chuyển đến bông hoa tiếp theo. Thực tiễn cho thấy, robot thụ phấn thông minh "Jia Er" đã đạt được độ chính xác trong việc nhận diện nhụy hoa lên đến 85.1%, thời gian thụ phấn cho mỗi hoa chỉ mất 15 giây, hiệu suất cao hơn nhiều so với con người. Hơn nữa, robot không biết mệt mỏi, có thể hoạt động liên tục không ngừng nghỉ, đảm bảo mỗi bông hoa trong khoảng thời gian tối ưu sẽ được thụ phấn và đậu quả.

Với sự hỗ trợ của "Jia Er", quá trình giống lai cà chua có thể được tối ưu hóa nhanh chóng và hiệu quả hơn, nâng cao đáng kể hiệu suất sản xuất và giảm chi phí sản xuất. Hơn nữa, tỷ lệ nội địa hóa của các bộ phận robot đã đạt đến 95%, làm giảm thiểu rủi ro hạn chế trong việc ứng dụng. Hiện tại, "Jia Er" đang được sử dụng tại cơ sở thử nghiệm ở Bắc Kinh và vườn nông nghiệp hiện đại của Tập đoàn Shou Nong.

Kết hợp giữa chỉnh sửa gen, trí tuệ nhân tạo và công nghệ robot là một cuộc cách mạng trong phương pháp canh tác. Truyền thống, nghiên cứu lai giống như biến đổi gen và chỉnh sửa gen thường thuộc về lĩnh vực nghiên cứu cơ bản, hoạt động trong môi trường phòng thí nghiệm, trong khi việc lai tạo giống, thụ phấn đều thuộc về các ứng dụng kỹ thuật, với những rào cản do nhu cầu khác nhau. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã xây dựng một mô hình lai tạo thông minh "Công nghệ sinh học (BT) + AI hỗ trợ + Robot (ROBOT), tức mô hình lai tạo thông minh (BAR) là một hệ thống hoàn chỉnh, kết nối từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng thực tiễn.

Có thể thấy, các nhà khoa học Trung Quốc ngay từ đầu đã có tư duy giải quyết vấn đề tổng thể. Đối mặt với thách thức thụ phấn trong tương lai của việc lai tạo cà chua, họ chọn công nghệ chỉnh sửa gen để đạt được tình trạng vô sinh đực và nhụy hoa lộ ra ngoài, đồng thời trong quá trình thiết kế thí nghiệm đã tính đến cách kết hợp với robot, nên đã chọn chiến lược chỉnh sửa rất thận trọng.

Ưu thế lai là một lợi thế sinh học đã được quan sát và ứng dụng rộng rãi, hiện đã trở thành một phương pháp quan trọng trong lĩnh vực lai giống nông nghiệp. Đến năm 2024, thị trường giống lai toàn cầu dự đoán sẽ đạt giá trị đến 383 tỷ nhân dân tệ (tương đương 58.5 tỷ USD), và dự đoán đến năm 2029 sẽ đạt 590.4 tỷ nhân dân tệ (tương đương 88.5 tỷ USD). Nhiều loại cây trồng như đậu nành, một trong những nguồn nguyên liệu chính cho thực phẩm, thức ăn gia súc, cũng đối mặt với vấn đề tương tự như cà chua. Giống lai đậu nành có thể tăng năng suất lên đến 30%, nhưng thực tế thì hoa đậu nành rất khó lai tạo do hình dạng quá khép kín, dẫn đến không thể thụ phấn. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc tiết lộ họ đã thử nghiệm áp dụng chiến lược đối với cà chua vào đậu nành và đạt thành công, tiết kiệm được 76.2% thời gian thao tác thụ phấn tay, đạt được sản xuất nhanh chóng giống vô sinh đậu nành, giúp quốc gia vượt qua rào cản trong việc lai tạo đậu nành và cải thiện đáng kể năng suất. Các loại cây như khoai tây, cà tím, ớt cũng có thể hưởng lợi từ công nghệ này.

Với sự phổ biến ngày càng rộng rãi của công nghệ này, lai tạo giống sẽ có những bước đột phá mới, mang lại ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao sản lượng nông sản và rau củ cho quốc gia.

Nếu như đầu của "Jia Er" được thay thế bằng một cánh tay robot, liệu chúng ta có thể hoàn thành thu hoạch trái và rau củ? Nếu tiếp tục theo phương pháp này, sẽ là khả thi khi tối ưu hóa cấu trúc sinh học của cây trồng, sau đó tiến hành huấn luyện trí tuệ nhân tạo và thiết kế ra tay robot phù hợp, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất nông nghiệp.

Mô hình lai tạo thông minh (BAR) là một bước đột phá lớn trong lĩnh vực lai giống cây trồng và áp dụng nông nghiệp. Lợi ích từ nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở giống cà chua. Trong tương lai, sự hợp tác giữa cây trồng và robot sẽ trở thành xu hướng mới trong nông nghiệp, góp phần cải thiện quy trình từ lai giống đến sản xuất, bảo đảm tốt hơn cho nhu cầu lương thực thực phẩm của con người.

Nguồn tham khảo: Sohu