Hai thay đổi nhỏ có thể làm chuyển đổi ngành nông nghiệp
Các nhà nghiên cứu đã tiến một bước lớn trong năng lực hiểu biết về cách những cây trồng quan trọng có thể sống sót mà không cần được bón nitrogen. Một đột phá có thể cuối cùng làm giảm thiểu nhu cầu phân bón hóa học trong canh tác các loại cây lương thực như lúa mì, ngô, lúa gạo...
“Chúng tôi đã tiến thêm một bước tới chỗ có thể khiến sản xuất lương thực xanh hơn và thân thiện với môi trường hơn”, theo Kasper Røjkjær Andersen và Simona Radutoiu, hai giáo sư sinh học phân tử tại ĐH Aarhus.
Phát hiện mới được xuất bản trên Nature.
Hai nhà khoa học đã dẫn dắt một nghiên cứu mới mà họ khám phá ra yếu tố quan trọng góp phần hiểu sâu hơn về cách chúng ta có thể giảm thiểu nhu cầu phân bón hóa học trong trồng trọt.
Cây trồng cần nitrogen để tăng trưởng, một dưỡng chất mà phần lớn cây trồng chỉ nhận được thông qua việc bón phân. Chỉ một số cây trồng như đậu đỗ mơi có thể tự tạo ra mà không cần phải bón. Chúng sống cộng sinh với những vi khuẩn cụ thể có thể chuyển đổi nitrogen trong không khí thành một dạng mà cây có thể hấp thụ.
Ngày nay, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang nỗ lực hiểu các cơ chế di truyền và phân tử đằng sau năng lực đặc biệt này, để một ngày nào đó có thể chuyển đổi các cây trồng như lúa mì, lúa mạch và ngô.
Điều này khiến cho các cây trồng có thể tự có nitrogen một cách hiệu quả và làm giảm nhu cầu về phân bón hóa học, một ngành sản xuất chiếm 2% nhu cầu năng lượng toàn cầu và phát thải nhiều CO2.
Các nhà nghiên cứu đã nhận diện được các thụ thể ở cây trồng là nguyên nhân khiến chúng có thể chuyển đổi hệ miễn dịch và cho phép cộng sinh với vi khuẩn cố định nitrogen.
Bạn hay thù?
Cây trồng sử dụng các thụ thể trên bề mặt tế bào để chọn những tín hiệu từ các vi sinh vật trong đất.
Một số vi khuẩn tạo ra các hóa chất có thể phát tín hiệu chúng là ‘kẻ thù’ và cây cần phòng vệ, một số khác là ‘bạn bè’ giúp cung cấp dưỡng chất.
Các cây họ đậu, như đậu Hà Lan, đậu cô ve và cỏ ba lá, mời những vi khuẩn đặc biệt xâm nhập bộ rễ của mình. Tại đây, vi khuẩn cố định nitrogen từ không khí và chuyển nó vào cây trồng. Sự hợp tác này gọi là cộng sinh và đó là nguyên nhân giải thích tại sao đậu đỗ có thể tăng trưởng mà không cần phân bón hóa học.
Các nhà nghiên cứu khám phá ra là năng lực này chủ yếu do hai amino acids kiểm soát – hai ‘khối cơ bản’ nhỏ của một protein trong rễ cây.
“Đây là một phát hiện đáng chú ý và rất quan trọng”, Radutoiu nói.
Protein này trong rễ có chức năng như một thụ thể đón nhận tín hiệu từ vi khuẩn. Nó quyết định liệu cây có nghe được sự cảnh báo (hệ miễn dịch) hay chào đón vi khuẩn (cộng sinh).
Họ tìm thấy một khu vực nhỏ trong protein này mà họ gọi là Symbiosis Determinant 1 (quyết định cộng sinh 1). Khu vực này đóng vai trò như một công tắc quyết định thông tin được gửi bên trong tế bào của cây. Bằng việc thay đổi hai amino acids trong công tắc này mà các nhà nghiên cứu có thể phân biệt một thụ thể kích hoạt phản hồi miễn dịch thông thường thay vì khởi động sự cộng sinh với vi khuẩn cố định nitrogen.
“Chúng tôi đã chứng tỏ hai thay đổi nhỏ có thể khiến cây trồng thay đổi hành vi ở một điểm quan trọng – từ việc từ chối đến việc hợp tác với vi khuẩn’, Radutoiu giải thích.
Khả năng áp dụng cho lúa mì, lúa mạch và ngô
Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi thành công cây Lotus japonicus. Nguyên lý tương tự đã được chứng minh là hoạt động tốt trên lúa mạch.
“Thật đáng chú ý là giờ chúng ta có thể lấy một thụ thể từ lúa mạch, tạo ra một thay đổi nhỏ mà sau đó cho phép cố định nitrogen”, Røjkjær Andersen nói.
Triển vọng của phát hiện này rất lớn. Nếu sự chuyển đổi này có thể thực hiện tốt trên những cây trồng khác thì cuối cùng sẽ có thể nhân giống các cây lương thực như lúa mì, ngô, hay lúa gạo có năng lực tự cố định nitrogen – giống như đậu đỗ ngày nay.
“Nhưng chúng tôi phải tìm cả những thứ khác, những yếu tố thiết yếu khác”, Radutoiu giải thích. “Mới chỉ có một số ít cây trồng có thể cộng sinh nên nếu chúng ta có thể mở rộng cho các loại cây lương thực thì có thể tạo ra một khác biệt lớn về số lượng nitrogen cần sử dụng”.
Anh Hiền dịch từ ĐH Aarhus
