Nhu cầu tiêu thụ toàn cầu của cây trồng nông nghiệp đang tăng với tốc độ nhanh. Theo Báo cáo Sản lượng Nông nghiệp toàn cầu năm 2019, năng suất toàn cầu cần tăng với tốc độ trung bình hàng năm là 1,73% để sản xuất lương thực, thức ăn, chất xơ và năng lượng sinh học bền vững cho 10 tỷ người vào năm 2050. Tuy nhiên, ở Mỹ, năng suất nông nghiệp đang phải vật lộn theo kịp tốc độ tăng dân số, nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu về thực tiễn truyền thống cũng như những phương thức mới.

Trong nỗ lực tăng năng suất cây trồng, các nhà khoa học tại Đại học Bắc Arizona, Viện Bệnh học và Vi sinh vật (PMI) đang hợp tác với các nhà nghiên cứu của Đại học Purdue nghiên cứu hệ vi khuẩn và nấm trong đất để hiểu rõ ảnh hưởng của chúng đến cây trồng như thế nào. Họ tin rằng với những tiến bộ công nghệ khoa học, vi sinh vật cuối cùng sẽ giúp nông dân trên toàn thế giới trồng nhiều thực phẩm hơn với chi phí thấp hơn.

Nicholas Bokulich, phó giáo sư của Viện PMI, và Greg Caporaso, phó giáo sư khoa học sinh học và giám đốc Trung tâm khoa học vi sinh ứng dụng (CAM) của PMI, đã thử nghiệm canh tác lâu dài tin rằng nghiên cứu phát sinh gen về mối quan hệ tiến hóa giữa các sinh vật nên được sử dụng để xác định lịch trình luân canh cây trồng.

Nhóm nghiên cứu gần đây đã công bố những phát hiện liên quan đến nghiên cứu vi sinh vật trong sản xuất thực phẩm nông nghiệp ở Ứng dụng tiến hóa. Bài báo có tiêu đề “Canh tác Phát sinh gen: Lịch sử tiến hóa có thể dự đoán luân canh cây trồng thông qua hệ vi sinh vật đất?”

Cụ thể, cách tiếp cận truyền thống là luân canh các loại cây trồng khác loài ở những vụ trồng trước để tối đa hóa năng suất cây trồng. Caporaso cho biết “Một giả thuyết về lý do tại sao điều này có thể hữu ích là mầm bệnh thực vật chỉ dành riêng cho một vật chủ hoặc các vật chủ có huyết thống gần. Nếu bạn trồng các loại cây trồng có huyết thống gần trong những năm kế tiếp nhau, có nhiều khả năng mầm bệnh có thể đang chờ đợi vật chủ của chúng trong năm thứ hai. Tuy nhiên, giả thuyết này chưa được thử nghiệm trực tiếp”.

Thí nghiệm của nhóm, được hỗ trợ bởi một khoản trợ cấp từ Viện Nông nghiệp và Thực phẩm Quốc gia USDA, kéo dài hai mùa vụ. Trong năm đầu tiên, các nhà khoa học của Đại học Purdue, Kathryn Ingerslew và Ian Kaplan đã trồng 36 loại cây trồng và cỏ dại khác nhau về sự khác biệt tiến hóa từ cà chua. Các ô thí nghiệm trải dài từ cà chua (cùng loài) đến cà tím (cùng gen nhưng là khác loài với cà chua) và ớt ngọt (cùng họ với cà chua nhưng khác gen và loài) và ngô, lúa mì và lúa mạch đen, đó là họ hàng xa của cà chua.

Trong mùa thứ hai, các nhà nghiên cứu chỉ trồng cà chua trên tất cả các ô thí nghiệm. Họ phát hiện ra rằng đúng như dự đoán, trong những mảnh đất trồng cà chua trong mùa đầu tiên, năng suất cà chua năm thứ hai thấp hơn so với năm đầu tiên. Tuy nhiên, không có sự giảm đáng kể năng suất cà chua trên bất kỳ ô thí nghiệm nào khác. Caporaso ghi nhận: Kết quả này cho thấy  trong khi luân canh cây trồng thực sự quan trọng đối với năng suất, thì hiệu quả có thể không vượt quá sự ảnh hưởng của loài.

Theo Kaplan, giáo sư côn trùng học “Kết quả này rất đáng ngạc nhiên bởi vì với ý tưởng nên tránh trồng luân canh các cây cùng loài là một quy tắc được áp dụng rộng rãi từ làm vườn quy mô nhỏ đến nông nghiệp quy mô lớn”. Thực tế là chúng ta không thể phát hiện bất kỳ dấu hiệu nào liên quan đến năng suất cây trồng, ngoài những tác động tiêu cực của độc canh cho thấy các yếu tố khác cần được xem xét trong việc thiết kế các chương trình luân canh cây trồng trong các hệ thống canh tác bền vững.

Trước khi trồng vào năm hai, Caporaso và Bokulich đã sử dụng phương pháp giải mã trình tự vi sinh vật để xác định thành phần hệ vi khuẩn và nấm trong đất. Họ phát hiện ra rằng hệ vi sinh vật các loại cây trồng một năm vẫn sống, mặc dù cả hệ vi khuẩn và nấm trong đất khác nhau đáng kể giữa các ô trồng các loại cây khác nhau.

Theo Caporaso, “Bây giờ, chúng tôi có thể khám phá vai trò của vi khuẩn và thành phần của hệ vi sinh vật trong các hệ thống nông nghiệp ở độ sâu và độ phân giải lớn hơn bao giờ hết so với trước đây. Những công nghệ đó chắc chắn có thể giúp chúng ta tối ưu hóa các hệ thống nông nghiệp để liên tục làm màu mỡ thay vì cạn kiệt dinh dưỡng trong đất theo thời gian”.

Caporaso cho biết mục tiêu dài hạn của ông với hướng nghiên cứu này là hợp tác với các nông dân làm nông nghiệp theo hướng hữu cơ và đang thực hành các kỹ thuật nông nghiệp tái tạo, “Chúng tôi có thể tìm hiểu làm thế nào họ có thể sử dụng những tiến bộ trong khoa học vi sinh vật để phát huy lợi thế của họ. Tôi tin rằng điều này có thể giúp giảm chi phí phân bón và sử dụng nước tưới, và xây dựng khả năng phục hồi và an ninh lương thực cho cộng đồng”.

Tiến hành chương trình ủ phân trùn để theo dõi hệ vi sinh vật từ chất thải thực phẩm

Trong một dự án liên quan được tài trợ bởi Quỹ xanh NAU cũng như thông qua phòng thí nghiệm Caporaso, tập trung vào công nghệ phần mềm hỗ trợ nghiên cứu vi sinh vật, nghiên cứu sinh khoa học môi trường Christina Osterink dự định tạo ra một chương trình ủ phân tại công sở vào mùa hè này. Dự án của cô sẽ liên quan đến việc hợp tác với khoảng 10 văn phòng trong khuôn viên trường để thu thập phế liệu thực phẩm và giao chúng cho Roots Micro Farm có trụ sở tại trung tâm Flagstaff.

Trong khi chuyển chất thải thực phẩm từ bãi rác sang trang trại đô thị, Osterink và nhóm của cô cũng sẽ theo dõi hệ vi sinh vật của chất thải thực phẩm được thu gom thông qua việc ủ phân trùn quế trong đất chất lượng cao. “Điều này sẽ giúp chúng tôi phát triển sự hiểu biết chính xác hơn về vai trò của vi khuẩn trong quá trình ủ phân khi chúng tôi tập hợp các nỗ lực từ khắp khuôn viên NAU, cũng như nông dân địa phương để cải thiện tính bền vững của NAU, và tính toàn vẹn của đất ở Flagstaff”.

Caporaso hy vọng từ nghiên cứu của Osterink có thể được áp dụng để tối ưu hóa các hệ thống ủ phân và giảm chi phí cho nông dân.

Áp dụng nghiên cứu vi sinh vật vào khoa học nông nghiệp, một hướng đi mới cho CAMS

Caporaso lưu ý rằng dự án phân trùn quế thể hiện một hướng nghiên cứu mới cho phòng thí nghiệm của ông. Ông cho biết, “Hầu hết các công việc của chúng tôi tại CAMS đều liên quan đến sức khỏe con người, nhưng có rất ít cơ hội để áp dụng nghiên cứu vi sinh vật trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như khoa học nông nghiệp”.

Trong khi đó, bước tiếp theo trong nghiên cứu luân canh cây trồng là sẽ xác định các yếu tố quan trọng đối với năng suất cây trồng, đặc biệt là nếu loại trừ sự liên quan đến tiến hóa của các loài. Caporaso cho biết “Có phải chúng ta muốn luân canh cây trồng phát triển mạnh với các vi sinh vật đất tương tự, để vi khuẩn và nấm có lợi sẵn sàng hỗ trợ cho mùa sinh trưởng tiếp theo? Đó là thông tin có giá trị cho cả trang trại đô thị nhỏ và hoạt động công nghiệp lớn”.

Đỗ Thi Thanh Trúc theo ĐH Bắc Arizona.