Trồng cây trong điều kiện không có nước

BioMedia

Khi trái đất ngày càng khô hạn, con người sẽ tồn tại bằng cách nào? Cây trồng “tái sinh” (“resurrection” crops) chính là câu trả lời của một nhà khoa học cho câu hỏi trên.

Từ khi loài người bắt đầu canh tác nông nghiệp, chúng ta đã và đang phải đối mặt với một hiện tượng khó dự đoán: mưa. Mưa đến và đi với rất ít yếu tố nhận biết khiến cho một cánh đồng cây xanh xum xuê lá có thể bị vùi dập, khô héo và bị thổi bay ngay sau đó. Sản lượng và an ninh lương thực phụ thuộc chặt chẽ vào mưa, đặc biệt ở châu Phi – nơi mà mưa quyết định 96% sản xuất nông nghiệp. Không giống với những khu vực phát triển hơn sử dụng hệ thống kênh mương tưới tiêu, Nam Phi đang khô hạn nhanh chóng. Tồi tệ hơn cả là hạn hán sẽ làm sụt giảm ít nhất ¼ sản lượng ngô ở đây trong năm nay.

Jill Farrant – giáo sư sinh học tại đại học Cape Town, Nam Phi đưa ra tuyên bố: thiên nhiên có vô số giải pháp cho những ai sở hữu ý định trồng trọt ở những vùng có lượng mưa thất thường. Farrant đã nghiên cứu cách thức sử dụng các đặc tính thích nghi với điều kiện cực khô hạn của cây trồng hoang dại cho những cây trồng được canh tác. Khi mà biến đổi khí hậu và lượng mưa ngày càng khó dự báo thì những phương pháp này càng mang nhiều giá trị. “Tôi đang hướng tới cách sản xuất nông nghiệp thực tế để con người có thể tồn tại trong điều kiện khí hậu ngày một thêm khô hạn” – vị giáo sư phát biểu.

Điều kiện khắc nghiệt tạo ra những loại cây cực dẻo dai

Trong sa mạc bạc màu ở Nam Phi, những gò đá sườn dốc (được gọi là inselbergs – đồi trọc) thường nhô lên giữa những vùng đồng bằng giống như cấu trúc xương của trái đất. Những ngọn đồi này là tàn dư của kỷ nguyên địa chất trước đó, khi mà sự xói mòn hầu như toàn bộ đất làm cho phần phía trong lộ ra, tiếp xúc với các yếu tố khác của môi trường. Tuy nhiên, trong quá trình này cũng như những quá trình hình thành tương tự ở các sa mạc khác trên khắp thế giới, một vài loài thực vật mạnh mẽ vẫn có thể thích nghi và tồn tại dưới các điều kiện luôn biến đổi. Farrant gọi chúng là thực vật “tái sinh”. Suốt nhiều tháng không mưa, dưới ánh mặt trời gay gắt, chúng co cụm lại cho đến khi trông giống một một đống lá chết màu xám. Nhưng chỉ sau một cơn mưa lớn khoảng vài giờ, chúng có thể phục hồi về trạng thái ban đầu.

Khác biệt lớn giữa thực vật “chịu hạn” (“drought-tolerant”) và thực vật “tái sinh” (“resurrection”) là: Quá trình trao đổi chất

Nhiều dạng thực vật khác nhau đã phát triển chiến thuật đối phó với tình trạng khô hạn. Một vài loài dự trữ nước trong các cấu trúc chuyên biệt, một vài loài cắm rễ sâu xuống những bề mặt của nguồn cấp nước. Nhưng khi lượng nước dự trữ cạn kiệt hoặc nguồn nước ngầm rút hết, quá trình sinh trưởng của cây dừng lại và cái chết là không thể tránh khỏi. Có thể những thực vật này sẽ tồn tại đuợc trong điều kiện thiếu nước một thời gian nhưng chưa khi nào chúng thực sự không sử dụng nước. Vì vậy, Farrrant gọi chúng là thực vật chịu hạn.

Thực vật "chịu hạn" (Nguồn ảnh: https://californiafirst.org)

Thực vật “tái sinh”, được định nghĩa là thực vật có khả năng phục hồi từ trạng thái khử nước (lượng nước ít hơn 0,1g / 1g khối lượng khô), sở hữu nhiều đặc điểm khác biệt. Thiếu cấu trúc lưu trữ nước và việc sống trong các hốc đá cản trở chúng tiếp xúc với nguồn nước ngầm, do đó, chúng cần phát triển khả năng thay đổi quá trình trao đổi chất. Khi quá trình khô hạn kéo dài, chúng chuyển hướng trao đổi chất, sản xuất đường, các protein liên quan đến tình trạng stress và các vật chất khác trong mô. Quá trình chuyển đổi trải qua các giai đoạn có trạng thái như mật ong, sau đó là cao su và cuối cùng là trạng thái tương tự thủy tinh (glass-like state) – “trạng thái bền vững nhất mà những thực vật dạng này có thể duy trì” – Farrant cho biết. Chuyển đổi này làm chậm quá trình trao đổi chất và bảo vệ mô. Hình dạng cây cũng có thể thay đổi theo hướng giảm diện tích tiếp xúc với môi trường để hạn chế lượng nước bốc hơi. Tùy thuộc loài mà những thực vật này phục hồi trạng thái bình thường sau nhiều tháng hay nhiều năm không có nước.

Thực vật "tái sinh" (Nguồn ảnh: http://g03.s.alicdn.com/).

Chiến thuật “khử nước và phục hồi” còn có thể được quan sát ở đối tượng nào khác?

Đó là hạt – hầu hết các loại hạt đều sở hữu cơ chế này. Trong giai đoạn đầu của sự nghiệp, Farrant nghiên cứu về “hạt ưa ẩm” (“recalcitrant seeds”), ví dụ như hạt bơ, hạt cà phê và hạt vải. Đây là những loại hạt dễ hư hỏng và không thể nảy mầm nếu bị mất nước. Hiện tượng này khiến chúng trở nên đặc biệt vì thông thường hạt của thực vật có hoa rất bền. Phần lớn các loại hạt có thể chờ đợi tình trạng khô hạn hay các điều kiện bất lợi đi qua rồi sau đó sẽ sinh trưởng khi gặp điều kiện thích hợp. Tuy vậy, một khi bắt đầu phát triển, những thực vật này không thể duy trì khả năng tạm dừng quá trình trao đổi chất ở thân và lá. Sau khi hoàn thành luận án tiến sĩ nghiên cứu về hạt, Farrant đặt ra câu hỏi: liệu có thể phân lập đặc tính phục hồi (resilient) của hạt và chuyển chúng vào mô thực vật? Những gì vị giáo sư và các nhà khoa học khác khám phá ra trong suôt hơn 2 thập kỷ qua là: Có rất nhiều gen liên quan đến đáp ứng đối với sự khô hạn của thực vật “tái sinh”. Một vài trong số đó tương tự gen điều khiển khả năng chịu hạn của hạt. Hiện nay, họ đang cố gắng tìm hiểu quá trình tín hiệu phân tử nào hoạt hóa các gen hình thành hạt trong cây “tái sinh” và làm cách nào để tái bản chúng trong cây trồng nông nghiệp. Farrant phát biểu: “Phần lớn các gen được điều khiển bởi một hệ thống gen. Chúng tôi đang tìm kiếm các promoter của gen và xem xét đâu là bộ phận điều khiển chính.”

Chuyển các gen phục hồi (resilient genes) vào cây trồng

Giáo sư Farrant và đồng nghiệp đã quyết định tìm ra phương pháp chuyển các gen phục hồi vào cây trồng. “Tôi sử sụng 3 phương pháp chọn giống, bao gồm: phương pháp truyền thống, phương pháp biến đổi gen (genetic modification) và phương pháp chỉnh sửa gen (gene editing)” - Farrant cho biết. Mặc dù nhiều người không ủng hộ thực phẩm biến đổi gen nhưng bà vẫn đẩy mạnh nghiên với những công cụ cần thiết và cung cấp cho nông dân cũng như người tiêu dùng lựa chọn có hoặc không sử dụng sản phẩm của dạng cây này. Sau khi thảo luận với các cộng sự của mình, Farrant đã tìm ra mô hình thực vật phù hợp cho nghiên cứu. Giống như các nhà y học sử dụng chuột để thử nghiệm các phương pháp điều trị bệnh, nhà thực vật học sử dụng cây có khả năng sinh trưởng tương đối dễ dàng trong phòng thí nghiệm cũng như trong nhà kính. Boea hygrometrica là mô hình lý tưởng cho nghiên cứu thực vật “tái sinh” với bản nháp hệ gen đã được công bố vào năm ngoái. Cùng thời điểm đó, nghiên cứu phân tử chi tiết về một mô hình tiềm năng khác - Xerophyta viscosa – của Farrant và đồng nghiệp được đăng rên tạp chí Planta. Một hoặc cả hai mô hình này đều hỗ trợ các nhà nghiên cứu kiểm chứng dự đoán của họ trên quy mô pilot (phần lớn những dự đoán này đã hoàn thành trong phòng thí nghiệm).

Kiến thức về khoa học cơ bản là nền tảng để giải thích lý do cây trồng nông nghiệp thường không sở hữu cơ chế chống hạn. Một trong những nguyên nhân là sự tiêu tốn năng lượng khi chuyển đổi quá trình trao đổi chất bình thường sang trao đổi chất ở điều kiện gần như không có nước. Theo giáo sư, năng suất cây trồng sẽ không cao nên đối tượng áp dụng những thực vật này sẽ là những nông dân Nam Mỹ - người cần tồn tại trong khô hạn chứ không phải những nông dân mong muốn thu lợi nhuận từ mùa màng.

Nguồn dịch:

http://ideas.ted.com/grow-plants-without-water/

Dịch giả Nguyễn Ngọc Nam

Biên tập BioMedia VN