Bảo vệ mùa vụ trước những thách thức trong tương lai đòi hỏi nỗ lực khẩn trương và bền bỉ

Trong một bài tổng quan, giáo sư Stephen Long thuộc Đại học Illinois Urbana-Champaign đã trình bày các phương pháp tiềm năng nhằm “bảo vệ mùa vụ trước biến đổi khí hậu”. Nguồn: Fred Zwicky.

Trong một bài tổng quan đăng trên The Philosophical Transactions of the Royal Society B, giáo sư Stephen Long - chuyên ngành khoa học cây trồng và sinh học thực vật tại Đại học Illinois Urbana-Champaign - đã mô tả những nỗ lực nghiên cứu nhằm “bảo vệ mùa vụ trong tương lai”, đặc biệt là những loại cây trồng thiết yếu cho việc nuôi sống dân số toàn cầu trong bối cảnh khí hậu đang biến đổi.

Giáo sư Long, người đã dành hàng thập kỷ nghiên cứu quá trình quang hợp và tìm cách cải thiện hiệu suất của nó, trình bày một cái nhìn tổng quan về các phát hiện khoa học then chốt, mang lại tia hy vọng cho ngành nông nghiệp toàn cầu.

Ông viết rằng nhiệt độ cao hơn, hạn hán xảy ra thường xuyên và kéo dài hơn, các đợt mưa cực đoan cùng với mức carbon dioxide trong khí quyển gia tăng đều ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển và khả năng sinh sản của cây trồng. Trong khi một số loại cây và một số vùng có thể được hưởng lợi từ một vài khía cạnh của biến đổi khí hậu, nhưng nếu không có sự can thiệp lâu dài và tốn kém, nhiều cây trồng khác sẽ chịu sự suy giảm nghiêm trọng, thậm chí thảm khốc.

“Đến giai đoạn 2050-60, cây trồng sẽ phải đối mặt với một môi trường hoàn toàn khác biệt so với hiện nay”, ông viết. Từ mức khoảng 200 phần triệu (ppm) trong thời kỳ tiền công nghiệp, “nồng độ CO₂ trong khí quyển đã đạt 427 ppm vào năm 2024 và dự kiến sẽ lên tới 600 ppm vào năm 2050”.

Nắng nóng cực đoan, hạn hán, lũ lụt và các hiện tượng khí hậu bất thường khác đã và đang làm gián đoạn các hệ thống nông nghiệp. Ông cảnh báo rằng các mức nhiệt độ cực đoan được dự báo cùng với sự bất ổn khí hậu sẽ tiếp tục làm giảm năng suất cây trồng, kéo theo tình trạng đói kém gia tăng, bất ổn chính trị và các làn sóng di cư hàng loạt.

Tuy nhiên, vẫn còn đó những tia hy vọng. Giáo sư Long cho biết có thể điều chỉnh cây trồng theo những cách giúp chúng thích nghi, thậm chí có thể gia tăng năng suất bất chấp những thách thức trên. Mặc dù quá trình này đòi hỏi thời gian và chi phí, công việc đã được bắt đầu được triển khai.

Ví dụ, các nhà nghiên cứu đang đánh giá khả năng chịu nhiệt, chịu hạn và chịu ngập của nhiều giống cây trồng khác nhau, nhằm xác định những giống sở hữu đặc tính tiềm năng có lợi. Việc phát hiện các đặc điểm di truyền mang lại lợi thế này sẽ cho phép các nhà khoa học phát triển các loại cây trồng thông qua lai tạo truyền thống và/hoặc công nghệ biến đổi gen, giúp cây hống chịu tốt hơn với các điều kiện khắc nghiệt.

Qua quá trình nghiên cứu tỉ mỉ, các nhà khoa học đã phát hiện một số giống lúa có thể sống sót tới hai tuần khi bị ngập hoàn toàn trong các đợt lũ lụt nghiêm trọng, trong khi một số giống khác lại có khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Những phát hiện này mở ra cơ hội để phát triển các giống cây trồng có sức chống chịu cao hơn.

Lúa miến so với ngô: Nhờ các khoản đầu tư từ các tập đoàn đa quốc gia, năng suất của cây ngô (phải) đã tăng gấp đôi, trong khi các cây trồng như lúa miến (trái) - vốn chủ yếu nhận được đầu tư từ khu vực công - lại bị tụt hậu, dẫn đến mức tăng năng suất rất thấp. Lúa miến có hàm lượng protein, carbohydrate và các khoáng chất thiết yếu cao, đồng thời là lương thực chính ở nhiều khu vực trên thế giới. Trong khi đó, 80% sản lượng ngô trồng tại Hoa Kỳ được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi hoặc sản xuất ethanol. Nguồn: Sciencia58 (trái) và Judgefloro (phải).

Cây trồng phải chịu đựng nhiều thách thức khi nhiệt độ tăng cao. Khả năng làm khô của khí quyển, vốn tăng theo nhiệt độ, kéo ẩm từ lá cây qua các lỗ nhỏ gọi là khí khổng (stomata). Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng nước của cây, gây áp lực lên nguồn nước vốn đã khan hiếm ở nhiều vùng trên thế giới, ông Long cho biết.

“Cây có thể đóng một phần khí khổng để giữ nước, nhưng điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ carbon dioxide từ khí quyển, một bước quan trọng trong quá trình quang hợp”, ông Long giải thích.

Trong các thí nghiệm phòng thí nghiệm và thực địa, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng việc tăng cường biểu hiện gen mã hóa một protein cảm biến trong cây giúp giảm lượng nước mất qua khí khổng mà không làm ảnh hưởng đến quá trình quang hợp.

“Kết quả là hiệu quả sử dụng nước ở cấp độ lá được cải thiện 15% trên cây thuốc lá trồng ngoài đồng và giảm 30% lượng nước tiêu thụ toàn bộ cây”, ông Long viết. Do khả năng biến đổi gen nhanh chóng, cây thuốc lá thường được sử dụng làm “bệ thử” để nghiên cứu các biến đổi có thể áp dụng cho nhiều loại cây khác.

Các nhà nghiên cứu cũng tìm ra cách giảm mật độ khí khổng trên lá của cây lúa và lúa mì, cải thiện hiệu quả sử dụng nước từ 15-20% mà không làm giảm năng suất.

Nồng độ carbon dioxide cao tự nó đã làm thay đổi sinh lý cây trồng, đôi khi có lợi bằng cách tăng cường quang hợp, nhưng cũng gây tác hại nhất định, ông Long cho biết. CO₂ cao có thể thay đổi kiểm soát chuyển hóa của cây bằng cách làm thay đổi mức độ các enzyme quan trọng. Các nhà khoa học đã phát hiện rằng điều chỉnh mức protein điều tiết rubisco - enzyme chủ chốt trong quá trình quang hợp - có thể tăng hiệu quả quang hợp khi CO₂ ở mức cao.

Để minh họa những tiến bộ có thể đạt được ở cây lương thực, ông Long dẫn chứng sự phát triển đáng kể trong nghiên cứu cây ngô - gần 80% sản lượng ngô được sử dụng cho sản xuất ethanol và thức ăn chăn nuôi thay vì làm thực phẩm cho con người.

“Từ năm 1980 đến 2024, năng suất ngô ở Mỹ đã tăng gấp đôi, trong khi năng suất lúa miến chỉ tăng khoảng 12%”, ông nói. Thành công ở cây ngô là kết quả của các khoản đầu tư lớn từ các tập đoàn đa quốc gia. Tuy nhiên, các khoản đầu tư tương tự chưa được thực hiện đầy đủ trong lĩnh vực cây trồng thuộc phạm vi công cộng.

Nếu không có sự đầu tư tương tự, “rất khó để thấy các cơ hội nhằm bảo vệ mùa vụ cho tương lai có thể được triển khai ở quy mô cần thiết”, ông viết.

Huỳnh Thị Đan Anh theo Đại học Illinois.