Bước đột phá mới trong hóa học giúp chỉ ra cách trồng trọt trong điều kiện ngày càng khó khăn

Trong nhiều năm, trí tuệ thông thường cho rằng rễ cây không mọc sâu trong đất cứng vì quá khó để chúng có thể đẩy qua nó. Nhưng nghiên cứu mới của chúng tôi đã khám phá ra một lý do khác: sự phát triển của chúng được kiểm soát bởi một tín hiệu sinh học có thể được “tắt”, cho phép chúng xuyên thủng trái đất nén chặt. Đó là một khám phá có thể giúp cây trồng phát triển ngay cả khi đất bị hư hại nặng nhất.

Việc nén chặt đất là một thách thức lớn mà nền nông nghiệp hiện đại phải đối mặt , một phần là do trọng lượng ngày càng tăng của các thiết bị nông nghiệp có thể vượt qua cùng một diện tích mặt đất nhiều lần trong một mùa vụ. Bị chèn ép bởi sức nặng của đất bên trên, những vùng sâu hơn cũng bị nén chặt lại, khiến rễ cây khó xuyên xuống những lớp đất giàu độ ẩm và chất dinh dưỡng đó.

Tác động của việc nén chặt đất này là rất sâu sắc: bởi vì nó làm giảm sự phát triển của rễ, tác động tiêu cực đến việc hút nước và chất dinh dưỡng, việc nén chặt đất có thể làm giảm năng suất lên đến 25%. Riêng ở Anh, thiệt hại liên quan đến việc nén chặt đất được ước tính từ 400 triệu euro (355 triệu bảng Anh) đến 650 triệu euro mỗi năm.

Biến đổi khí hậu được thiết lập để làm cho những thiệt hại này thậm chí còn lớn hơn. Đó là bởi vì, khi nén chặt kết hợp với hạn hán, năng suất cây trồng có thể giảm tới 75%, ước tính khiến nông dân thiệt hại hàng tỷ USD mỗi năm. Khi hạn hán trở nên phổ biến hơn, việc phát triển các loại cây trồng có khả năng chống lại những thách thức này trở nên quan trọng hơn.

Mặc dù có tầm quan trọng rõ ràng đối với nông dân trên toàn thế giới, cơ chế đằng sau sự phát triển của rễ còi cọc trong đất nén vẫn chưa rõ ràng. Rễ không thể xuyên qua đất có độ nén chặt được coi là quá yếu để làm như vậy. Tuy nhiên, chúng tôi đã phát hiện ra rằng trên thực tế, rễ cây có thể xâm nhập vào đất được nén chặt – sau khi độ nhạy của chúng với tín hiệu hormone thực vật bị gián đoạn.

Đột phá gốc

Nghiên cứu của chúng tôi phát hiện ra rằng tín hiệu hay “công tắc” này được điều khiển bởi một loại hormone gọi là ethylene, được giải phóng dưới dạng khí từ đầu rễ cây. Trong đất lỏng lẻo, không nén chặt, khí này tự do khuếch tán vào trái đất. Nhưng trong đất cứng, nén chặt, khí etylen không thể khuếch tán, và thay vào đó, bị giữ lại trong khu vực bị chiếm giữ bởi đầu rễ – khiến etylen tự tích tụ trong các mô rễ.

Nghiên cứu của chúng tôi phát hiện ra rằng sự tích tụ ethylene này khiến rễ cây ngừng phát triển lâu hơn trong đất nén. Do đó, etylen hoạt động như một tín hiệu “dừng” rất rõ ràng đối với sự kéo dài của rễ vào đất nén.

Trong các thí nghiệm của mình, chúng tôi đã sử dụng những cây có một đột biến gen cụ thể khiến chúng không còn khả năng cảm nhận tín hiệu ethylene. Chúng tôi phát hiện ra rằng rễ có khả năng xuyên qua đất nén, nhưng không có khả năng xâm nhập khi có tín hiệu dừng dựa trên ethylene.

Chúng tôi cố tình thực hiện các nghiên cứu của mình bằng cách sử dụng hai loại đất rất khác nhau (cát và đất sét) và hai loài thực vật rất khác nhau: lúa và Arabidopsis (họ hàng gần của cải dầu). Thực tế là chúng tôi đã quan sát cùng một hành vi ở các loại đất và thực vật khác nhau cho thấy rằng những phát hiện của chúng tôi có thể được áp dụng rộng rãi cho các loại cây trồng, loại đất và vùng địa lý khác.

Phát hiện của chúng tôi mở ra cơ hội mới để chọn ra các loại cây trồng mới, kháng nén – giống như Gregor Mendel, “cha đẻ của di truyền học”, lần đầu tiên lai tạo chọn lọc các giống đậu Hà Lan khác nhau . Giờ đây, các nhà lai tạo có thể đơn giản sàng lọc bộ sưu tập của họ để tìm những giống có rễ ít nhạy cảm hơn với ethylene, chọn tạo ra những cây mới với sự khác biệt này.

Tuy nhiên, vì tín hiệu hormone này cũng quan trọng đối với các quá trình khác của thực vật như khả năng chống lại mầm bệnh, các phương pháp chỉnh sửa gen và chỉnh sửa gen (GM) có mục tiêu hơn cũng có thể được áp dụng để chỉ ngăn chặn phản ứng ethylene trong các mô đầu rễ, thay vì thực vật như một toàn bộ. Thời gian sẽ cho biết phương pháp tiếp cận riêng biệt nào sẽ chứng minh hiệu quả nhất.

Thúc đẩy nông nghiệp

Những phát hiện của chúng tôi có khả năng dẫn đến việc bảo vệ hoặc tăng năng suất cây trồng trên toàn thế giới, đặc biệt là việc nén chặt đất vẫn là một vấn đề dai dẳng trong các hoạt động nông nghiệp thâm canh. Riêng ở Châu Âu , 36 triệu ha (trong tổng số 68 triệu ha) đất canh tác dễ bị nén chặt đất .

Các loại cây trồng có rễ có thể đâm sâu hơn vào lớp đất nén chặt này sẽ mang lại một số lợi ích rõ ràng. Đầu tiên, rễ cây trồng sẽ có thể tiếp cận các nguồn dinh dưỡng ở các lớp đất sâu hơn mà hiện tại chúng không có sẵn. Điều đó sẽ hỗ trợ sự phát triển của các cây trồng lớn hơn, khỏe mạnh hơn.

Thứ hai, các giống cây trồng có bộ rễ phát triển rộng hơn sẽ có thể đảm bảo nguồn nước đáng tin cậy hơn, mang lại khả năng phục hồi cao hơn trong thời kỳ căng thẳng hạn hán, vốn sẽ gia tăng theo biến đổi khí hậu. Cuối cùng, mô hình cho thấy rằng các loại cây trồng có rễ ăn sâu sẽ chôn vùi nhiều carbon hơn trong đất, hỗ trợ nỗ lực cô lập carbon từ khí quyển Trái đất để hạn chế biến đổi khí hậu.

Sự hiểu biết mới của chúng tôi về cách rễ cây xâm nhập vào đất cứng có thể là một bước quan trọng để tạo ra các loại cây trồng mới có khả năng chống lại sự nén chặt của đất hơn. Những cây trồng như vậy, chúng tôi kỳ vọng, sẽ giúp giảm thiểu thiệt hại về năng suất do áp lực và thiệt hại lớn đối với đất ở nhiều vùng địa lý khác nhau trên thế giới.

Malcolm Bennett – Giáo sư Khoa học Thực vật, Đại học Nottingham