Cỏ dại kháng thuốc diệt cỏ là kết quả của chọn lọc tự nhiên: khi một loại thuốc được phun liên tục, những cây hiếm hoi mang biến đổi di truyền giúp sống sót sẽ để lại hạt, và chỉ sau vài năm cả cánh đồng toàn cây kháng. Ví dụ nổi tiếng nhất là cây dền Palmer (Amaranthus palmeri) ở miền nam nước Mỹ, đã kháng glyphosate bằng một cách lạ: nhân bản gen mục tiêu của thuốc lên hàng chục tới hàng trăm bản sao. Từ khi được ghi nhận đầu thế kỷ 21, nó trở thành một trong những cỏ dại gây hại nặng nhất cho nông dân trồng bông và đậu tương ở Mỹ.
Cây dền hoang từ sa mạc
Dền Palmer là họ hàng của rau dền ta vẫn ăn, cùng chi Amaranthus. Quê gốc của nó là vùng sa mạc tây nam nước Mỹ và bắc Mexico. Vài đặc điểm khiến nó trở thành cỏ dại đáng gờm:
- Lớn rất nhanh. Nó quang hợp theo kiểu C4, hiệu quả trong nắng nóng, có thể cao hơn đầu người và vượt tán cây bông, đậu tương.
- Đẻ cực nhiều hạt. Một cây cái lớn có thể cho hàng trăm nghìn hạt nhỏ, nằm lâu trong đất.
- Cây đực và cây cái riêng biệt. Phấn hoa từ cây đực bay theo gió tới cây cái, nên gen được trộn liên tục giữa các cây, kể cả giữa các cánh đồng cách nhau khá xa.
Đặc điểm cuối rất quan trọng cho tiến hoá. Vì cây luôn giao phấn chéo, một gen kháng thuốc xuất hiện ở đâu đó có thể lan nhanh qua phấn hoa, không chỉ qua hạt.
Glyphosate và một thời "thuốc vạn năng"
Glyphosate là hoạt chất diệt cỏ được dùng rộng rãi nhất thế giới. Nó chặn một enzyme tên là EPSPS, mắt xích trong con đường shikimate mà cây dùng để tổng hợp ba axit amin có vòng thơm. Động vật không có con đường này, phải lấy các axit amin đó từ thức ăn.
Từ giữa thập niên 1990, các giống cây trồng biến đổi gen chịu được glyphosate được đưa vào sản xuất ở Mỹ, đầu tiên là đậu tương rồi tới bông, ngô. Nông dân có thể phun glyphosate thẳng lên ruộng đang trồng mà cây trồng không chết, chỉ cỏ chết. Cách làm này tiện đến mức ở nhiều vùng, glyphosate trở thành gần như công cụ diệt cỏ duy nhất, phun nhiều lần mỗi vụ, năm này qua năm khác.
Với nhà sinh học tiến hoá, đây là công thức chuẩn của chọn lọc mạnh: một áp lực duy nhất, rất mạnh, lặp lại trên diện tích hàng chục triệu hecta.
Cách dền Palmer qua mặt thuốc
Năm 2005, các nhà nông học xác nhận quần thể dền Palmer kháng glyphosate đầu tiên ở bang Georgia. Năm 2010, Todd Gaines cùng cộng sự công bố trên tạp chí PNAS cơ chế kháng thuốc, và nó bất ngờ với nhiều người.
Thông thường, cây kháng thuốc vì enzyme mục tiêu bị đột biến, thuốc không bám vào được nữa. Dền Palmer làm khác: nó giữ nguyên enzyme nhưng có thêm rất nhiều bản sao của gen EPSPS. Cây kháng có từ vài lần tới hơn một trăm lần nhiều bản sao hơn cây thường, nên sản xuất ra lượng enzyme lớn. Lượng glyphosate phun vào không đủ để chặn hết, phần enzyme còn lại vẫn đủ cho cây sống.
Về sau, các nhà nghiên cứu còn phát hiện những bản sao gen thừa này nằm trên những vòng ADN nhỏ tách riêng khỏi nhiễm sắc thể chính, gọi là ADN vòng ngoài nhiễm sắc thể. Các vòng này được truyền sang tế bào con khi phân chia, nhưng số lượng có thể không đều. Đây là một kiểu "bộ gen linh hoạt" giúp số bản sao tăng giảm khá nhanh.
Các cách kháng thuốc khác ở cỏ dại
| Cơ chế | Hiểu đơn giản | Ví dụ đã ghi nhận |
|---|---|---|
| Đột biến vị trí đích | Enzyme đổi hình dạng một chút, thuốc không bám được | Cỏ mần trầu (Eleusine indica) ở một số vùng Đông Nam Á |
| Tăng bản sao gen đích | Có nhiều enzyme hơn lượng thuốc chặn được | Dền Palmer |
| Giảm hấp thu, giảm vận chuyển | Thuốc vào lá nhưng không đi tới chỗ cần tác động | Cỏ tai hùm (Conyza), cỏ lùng (Lolium rigidum) |
| Phân giải thuốc | Cây có enzyme làm thuốc mất tác dụng nhanh hơn | Nhiều loài kháng các nhóm thuốc khác |
Cỏ lùng ở Úc là loài đầu tiên được ghi nhận kháng glyphosate, giữa thập niên 1990. Trước đó nữa, từ cuối thập niên 1960, người ta đã thấy cỏ dại kháng các nhóm thuốc diệt cỏ cũ hơn. Hiện nay, cơ sở dữ liệu quốc tế về cỏ dại kháng thuốc ghi nhận hàng trăm loài kháng ít nhất một nhóm thuốc ở khắp các châu lục.
Vì sao tiến hoá xảy ra nhanh như vậy
Có người nghĩ thuốc "gây ra" đột biến kháng. Thực tế, biến đổi di truyền xuất hiện ngẫu nhiên, trước khi thuốc được phun. Thuốc chỉ làm bộ lọc: cây thường chết, cây mang biến đổi sống.
Ba yếu tố khiến quá trình này nhanh:
- Quần thể khổng lồ. Hàng tỷ cây trên hàng triệu hecta nghĩa là dù biến đổi hiếm tới một phần triệu, vẫn có hàng nghìn cây mang nó.
- Chọn lọc rất mạnh. Thuốc diệt gần như toàn bộ cây thường, nên lợi thế của cây kháng là tuyệt đối.
- Một áp lực duy nhất, lặp đi lặp lại. Khi chỉ dùng một loại thuốc, không có gì "bắt" được những cây đã qua mặt nó.
Đây cũng chính là logic của vi khuẩn kháng kháng sinh và côn trùng kháng thuốc trừ sâu. Ba hiện tượng khác nhau về sinh vật nhưng chung một cơ chế tiến hoá.
Cỏ dại còn tiến hoá theo cả cách con người nhổ cỏ
Tiến hoá ở cỏ dại không chỉ do thuốc. Từ hàng nghìn năm nay, khi người ta làm cỏ bằng tay, những cây cỏ trông giống lúa nhất sẽ dễ thoát. Cỏ lồng vực (Echinochloa) ở ruộng lúa là ví dụ kinh điển: một số dạng của nó khi còn non giống cây lúa đến mức khó phân biệt. Hiện tượng cỏ dại bắt chước cây trồng này được gọi là bắt chước Vavilov, theo tên nhà thực vật học người Nga Nikolai Vavilov.
Ở đồng bằng sông Cửu Long, nông dân quen với lúa cỏ, còn gọi là lúa lộn: cây trông như lúa nhưng hạt rụng sớm, thường có vỏ đỏ. Các nghiên cứu di truyền ở nhiều nước châu Á cho thấy lúa cỏ phần lớn sinh ra từ chính lúa trồng, "hoang hoá trở lại" và lấy lại khả năng rụng hạt. Giống lúa đến mức gần như không thể nhổ riêng, nó là một ví dụ khác về cỏ dại tiến hoá theo cách canh tác của con người.
Bài học cho quản lý cỏ dại
Nhà nông học nói chung đồng ý rằng cách tốt nhất để làm chậm tiến hoá kháng thuốc là không để một áp lực duy nhất thống trị. Họ gọi chung là quản lý cỏ dại tổng hợp: kết hợp luân canh, làm đất, che phủ, gieo dày cho cây trồng lấn cỏ, làm sạch máy móc để không mang hạt cỏ từ ruộng này sang ruộng khác, và không phụ thuộc vào một nhóm thuốc. Chọn biện pháp cụ thể nào cho ruộng nào là việc của cán bộ khuyến nông và kỹ sư bảo vệ thực vật địa phương.
Ở Mỹ, sau khi dền Palmer kháng glyphosate lan rộng, nhiều nông dân phải quay lại làm cỏ bằng tay hoặc dùng thêm các nhóm thuốc khác. Một số quần thể dền Palmer đã kháng cùng lúc nhiều nhóm thuốc, cho thấy nếu chỉ thay thuốc này bằng thuốc khác mà giữ nguyên cách làm, chọn lọc chỉ chuyển sang mục tiêu mới.
Góc nhìn hôm nay
Câu chuyện dền Palmer là một trong những bằng chứng rõ nhất cho thấy tiến hoá có giá trị kinh tế thực sự. Khi ta hiểu cơ chế, ta biết vì sao "thuốc mạnh hơn" không phải lời giải lâu dài. Người muốn tìm hiểu thêm có thể đọc bài của Gaines và cộng sự năm 2010 trên PNAS, và tra cứu cơ sở dữ liệu quốc tế về cỏ dại kháng thuốc (International Herbicide-Resistant Weed Database) để thấy danh sách loài kháng ở từng nước.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cỏ dại kháng thuốc diệt cỏ?
Trong một quần thể cỏ rất lớn luôn có vài cây mang biến đổi di truyền ngẫu nhiên giúp sống sót khi bị phun thuốc. Phun một loại thuốc liên tục giết cây thường, giữ lại cây kháng, và chúng để lại hạt. Sau vài năm, cây kháng chiếm ưu thế.
Dền Palmer kháng glyphosate bằng cách nào?
Dền Palmer có thêm rất nhiều bản sao của gen EPSPS, gen mã hoá enzyme mà glyphosate nhắm tới. Cây sản xuất lượng enzyme lớn hơn lượng thuốc chặn được, nên vẫn sống. Một số cây kháng có hơn một trăm bản sao gen này.
Thuốc diệt cỏ có làm cây đột biến không?
Không. Biến đổi di truyền giúp kháng thuốc xuất hiện ngẫu nhiên từ trước. Thuốc chỉ đóng vai trò bộ lọc, giết cây thường và để cây kháng sống sót, giống cách kháng sinh chọn lọc vi khuẩn kháng thuốc.
Lúa cỏ là gì?
Lúa cỏ, còn gọi là lúa lộn, là dạng lúa dại mọc lẫn trong ruộng lúa, hạt rụng sớm và thường có vỏ đỏ. Nhiều nghiên cứu cho thấy nó phần lớn sinh ra từ lúa trồng bị hoang hoá trở lại, nên rất giống lúa và khó loại bỏ.
Loài cỏ nào kháng glyphosate đầu tiên?
Cỏ lùng Lolium rigidum ở Úc được ghi nhận kháng glyphosate giữa thập niên 1990, là trường hợp đầu tiên. Sau đó nhiều loài khác ở nhiều nước cũng được ghi nhận, trong đó dền Palmer ở Mỹ là ví dụ gây thiệt hại lớn nhất.