Cây cối sử dụng các nguyên lý kỹ thuật để thúc đẩy hệ thống rễ xuyên qua đất

Một nghiên cứu mới do các chuyên gia tại Đại học Nottingham dẫn đầu và được công bố trên tạp chí Nature ngày hôm nay đã khám phá ra cách thực vật chiến đấu để phát triển trong đất cứng. 

Nghiên cứu mang tính đột phá, được thực hiện với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu tại Đại học Giao thông Thượng Hải và Đại học Copenhagen, đã phát hiện ra rằng thực vật sử dụng một chiến lược cơ học tinh vi, một chiến lược phản ánh thiết kế kỹ thuật và xây dựng, để buộc rễ cây xuyên qua đất nén chặt.

Đất bị cứng lại do máy móc hạng nặng, chăn nuôi, hoặc xói mòn là một trong những mối đe dọa lớn nhất đối với nền nông nghiệp hiện đại. Khi đất trở nên quá chặt, rễ cây khó phát triển xuống dưới. Kết quả là, cây trồng phát triển hệ thống rễ nông, không thể tiếp cận nguồn nước và chất dinh dưỡng dự trữ sâu cần thiết để sống sót qua hạn hán hoặc biến đổi khí hậu. Vấn đề này gây thiệt hại hàng tỷ đô la cho ngành nông nghiệp toàn cầu mỗi năm.

Dưới sự dẫn dắt của tiến sỹ Bipin Pandey, phó giáo sư tại Khoa Khoa học Đời sống thuộc Đại học Nottingham, nhóm nghiên cứu đã tiết lộ rằng hormone thực vật ethylene đóng vai trò là chất điều hòa chính của quá trình này.

Tiến sỹ Pandey cho biết: "Khi đất bị nén chặt, ethylene tích tụ xung quanh rễ. Rễ cây cảm nhận được tín hiệu này và bắt đầu tái cấu trúc hoàn toàn cấu trúc của nó".

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ethylene kích hoạt một gen gọi là OsARF1, từ đó làm giảm sản xuất cellulose ở lớp giữa của tế bào rễ. Điều này làm cho các tế bào này mỏng hơn, mềm hơn và linh hoạt hơn, cho phép chúng trương nở và nở ra khi rễ gặp phải lực cản. Đồng thời, rễ củng cố lớp tế bào ngoài cùng, khiến nó dày hơn và chắc hơn.

Tiến sỹ Pandey giải thích: “Nói cách khác, rễ cây hoạt động giống như một vật thể cơ học được thiết kế hoàn hảo: cấu trúc càng rộng và lớp vỏ ngoài càng chắc thì khả năng chống cong vênh dưới áp lực càng tốt”.

Sự kết hợp giữa lõi mềm, có thể mở rộng và lớp vỏ ngoài cứng biến rễ thành một cái nêm sinh học sống, cho phép nó tách lớp đất dày đặc ra khi phát triển.

Giáo sư Staffan Persson, tác giả chính của Đại học Copenhagen cho biết: “Thật đáng kinh ngạc khi thấy thực vật sử dụng các chiến lược cơ học phản ánh các nguyên tắc được sử dụng trong kỹ thuật dân dụng, thiên nhiên đã giải quyết thách thức về sức cản của đất theo cách tinh tế và tối ưu hóa cao”.

Ngoài ý nghĩa khoa học, công trình này còn có ý nghĩa to lớn đối với nền nông nghiệp toàn cầu.

Tiến sỹ Bipin Pandey, Khoa Khoa học Đời sống: “Hiểu được cơ chế này sẽ cho chúng ta một bản thiết kế mạnh mẽ để tạo ra các loại cây trồng có bộ rễ sâu và khỏe hơn. Nếu chúng ta có thể lai tạo hoặc thiết kế các loại cây trồng sử dụng chiến lược này hiệu quả hơn, chúng ta có thể phát triển các loại cây trồng phát triển mạnh trên đất bị nén chặt, sử dụng nước hiệu quả hơn và chịu được các điều kiện khí hậu khắc nghiệt. Khi tình trạng nén đất ngày càng nghiêm trọng trên toàn thế giới do các phương pháp canh tác hiện đại và hạn hán do biến đổi khí hậu, khám phá này mở ra con đường mới để tạo ra các loại cây trồng có khả năng chống chịu với biến đổi khí hậu trong tương lai.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Nottingham.