Phát hiện mới ở rễ làm giúp cây trồng hạ nhu cầu phân bón

Các cây đậu đỗ có thể hạn chế phát triển rễ thứ cấp để thúc đẩy sự sinh trưởng của bộ rễ chính nâng cao khả năng hút phốt pho trong đất. Theo giới nghiên cứu bang Penn, các phát hiện gần đây của họ có ý nghĩa đối với những nhà tạo giống cây trồng và hỗ trợ nâng cấp năng suất cây trồng ở các khu vực đất nghèo dinh dưỡng. Sự nâng cao độ dài của rễ được gọi là sự phát triển sơ cấp, trong khi tăng trưởng thứ cấp là sự nâng cao độ dầy hoặc chu vi của rễ. Vì sự sinh trưởng của bộ rễ nâng cao hao phí chuyển hóa của cây trồng, cây đậu phát triển trong đất thiếu phốt pho sinh ra các rễ dài hơn, mỏng hơn nâng cao khả năng tìm kiếm được đông đảo phốt pho trong đất.

Trưởng nhóm nghiên cứu Christopher Strock, nghiên cứu sinh ngành sinh vật học thuộc Trường Cao đẳng Khoa học Nông nghiệp tin rằng “Đó là một chiến lược tự nhiên của cây trồng để vượt qua stress phốt pho. Việc này cực kì quan trọng vì tất cả các loại đất trên toàn cầu đều thiếu phốt pho và các đặc tính này của rễ nâng cấp việc hấp thụ phốt pho không những làm giúp tăng hiệu quả dùng phân bón cho nông dân ở Mỹ mà còn đem lại ích lợi cho nông dân ở những nước đang phát triển không có điều kiện bón phânlân“.

Những nhà nghiên cứu đã dùng cây đậu cô ve làm mẫu cho nghiên cứu này vì đây chính là một trong các cây trồng cơ bản nhất đóng góp cho an ninh lương thực, với lượng lớn con người tiêu thụ trực tiếp hơn bất cứ loại hạt nào khác. Việc này đặc biệt quan trọng đối với những nước đang phát triển ở vùng châu Phi hạ Sahara và Trung và Nam Mỹ, nơi mà người dân không có sự tiếp cận rộng với protein động vật. Ở các khu vực này, đậu là nguồn cung ứng protein và dinh dưỡng chính. Cho dù là loại cây trồng quan trọng, sản lượng đậu cô ve trên toàn cầu bị giới hạn bởi một số loại đất có tính axit và cạn kiệt phốt pho, một trong các dưỡng chất chính cần cho sự phát triển của cây.

Strock cho thấy: “Nếu chúng ta có thể xác định những đặc điểm của rễ, cải thiện sự hiệu quả lựa tìm hấp thụ, chúng ta có thể phát triển những giống mới có thể hấp thụ phốt pho cao hơn và nâng cấp năng suất trong các môi trường thiếu hụt phốt pho này.

Để thực thi nghiên cứu này, những nhà nghiên cứu đã dùng những kỹ thuật lập mô hình máy tính và phát triển những dòng tái tổng hợp tái tổ hợp của cây đậu cô ve để hiểu phương thức cây trồng phân bố nguồn tài nguyên cho sự sinh trưởng của bộ rễ sơ cấp và thứ cấp dưới sức ép phốt pho. Cây trồng được canh tác trong cả điều kiện nhà kính – tại khuôn viên Đại học Penn State – và trong những ruộng trồng lựa chọn tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Russell E. Larson thuộc Rock Springs.

Thông thường, đất ở Pennsylvania chứa quá nhiều phốt pho để cho phép thực thi những thí nghiệm thực địa về stress phốt pho, nhưng giáo sư Đại học Distinguished Professor của Khoa học thực vật Jonathan Lynch đã phát triển một kỹ thuật để sinh ra các ô thí nghiệm sao chép những điều kiện cạn kiệt phốt pho của đất oxisol nhiệt đới tại cơ sở Larson. Việc này đã được thực thi bằng phương pháp bón thêm những viên nhôm oxit vào trong đất để kết hợp phốt pho trong đất, tạo sự thiếu hụt phốt pho cho cây.

Một kỹ thuật khác cho phòng thí nghiệm Lynch là dùng chụp cắt lớp laser để cắt và đo giải phẫu rễ. Kỹ thuật hiện đại này, được sáng tạo bởi phòng thí nghiệm Lynch, không những giúp để ý, giải phẩu rễ chuẩn xác hơn mà còn hỗ trợ những nhà nghiên cứu nâng cao khả năng mau chóng lấy hàng trăm mẫu rễ hàng ngày – cực kỳ nhanh so sánh với thời gian dùng biện pháp truyền thống.

Sự khác nhau trong tăng trưởng cây đậu đã được những nhà nghiên cứu nhìn thấy cực kỳ ấn tượng. Trong nghiệm thức stress phốt pho, những kiểu gen hạ phát triển lượng rễ thứ cấp thì có chiều dài rễ được tăng lên, lấy nhiều photpho hơn, và có các chồi lớn hơn những kiểu gen có tăng lượng rễ thứ cấp. Strock cho thấy: “Toàn bộ những kiểu gen chúng tôi đã xem xét đều có hạn chế sự sinh trưởng của bộ rễ thứ cấp dưới sức ép phốt pho, nhưng một vài cây cho biết phản ứng này mạnh mẽ hơn nhiều so sánh với các cây khác. Và các cây này có dấu hiệu tốt hơn dưới sức ép phốt pho vì chúng có thể tập trung những nguồn lực mà thay vì sẽ được đưa vào tăng trưởng rễ thứ cấp thì chúng tăng chiều dài của rễ để gia nâng cao khả năng hấp thụ phốt ph”.

Lynch gợi ý rằng nhóm nghiên cứu của ông hợp tác trực tiếp với những nhà tạo giống cây trồng tại Sở Nông nghiệp Hoa Kỳ và những trung tâm nông nghiệp ở Columbia, Honduras, Mozambique, Zambia và Malawi. Những nhà nhân giống hiện đang phối hợp những phát hiện khác từ phòng thí nghiệm của bản thân và phát triển một số loại giống đậu mới với các đặc điểm rễ cải tiến để hấp thụ được phốt pho cho nông dân ở Mozambique và Zambia.

“Mục tiêu của chúng tôi trong khu vực phòng thí nghiệm này là xác định các đặc tính như sự hạ phát triển rễ thứ cấp mà chúng ta có thể truyền cho những nhà lai tạo để họ có thể phối hợp chúng vào những chương trình nhân giống của họ”, Lynch nói. “Sự hợp tác với những nhà tạo giống, có thể phát triển những giống đậu cô ve có thể hạ sự sinh trưởng của bộ rễ thứ cấp và vậy nên chúng sẽ cho sản lượng tốt hơn ở các khu vực đất nghèo dình dưỡng, việc này sẽ mang lại ích lợi lớn lớn cho người nông dân dựa trên đậu để lựa tìm lương thực và thu nhập”