Đặc điểm mới giúp rễ cây mọc sâu hơn trong đất bị dí chặt và khô hạn

Rễ ngô được trồng trong nhà kính. Các đoạn rễ từ mỗi kiểu gen ngô và lúa mì được thu thập, đo lường và kiểm tra độ bền kéo và lực uốn của ngọn rễ. Nguồn: Hannah Schneider, Penn State.

Theo các nhà nghiên cứu bang Penn, một đặc điểm rễ chưa từng được biết đến trước đây rằng cây ngũ cốc có bộ rễ phát triển sâu có khả năng xuyên thủng tầng đất khô, cứng và dí chặt. Các nhà nghiên cứu cũng cho rằng việc khai thác đặc tính di truyền này giúp cây trồng có khả năng đối phó tốt hơn với biến đổi khí hậu.

Jonathan Lynch, giáo sư chuyên ngành khoa học cây trồng cho biết: “Khám phá này báo hiệu tốt cho nền nông nghiệp Mỹ và toàn cầu vì đặc điểm này giúp ngô, lúa mì và lúa mạch phát triển rễ sâu hơn, điều này rất quan trọng đối với khả năng chịu hạn, tăng hiệu quả sử dụng nitơ và hấp thụ carbon. Việc nhân giống cây có đặc điểm này sẽ hữu ích trong việc phát triển các loại cây trồng mới thích ứng với biến đổi khí hậu".

Các nhà nghiên cứu gọi đó là sự xơ cứng nhiều lớp vỏ ngoài - hay kiểu hình MCS đặc trưng bởi các tế bào nhỏ có thành dày bên dưới bề mặt của rễ. Rễ có kiểu gen MCS có nồng độ lignin cao hơn - một polyme hữu cơ phức tạp, quan trọng trong việc hình thành tế bào, đặc biệt là trong gỗ và vỏ cây, tạo nên độ cứng.

Nhiều lignin giúp rễ khỏe hơn và lực uốn cong đầu rễ lớn hơn so với kiểu gen không có MCS. Độ cứng này giúp rễ xuyên qua các lớp đất cứng.

Những phát hiện nghiên cứu giải phẫu gốc rễ, được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, gây ấn tượng mạnh. Các kiểu gen ngô có MCS có bộ rễ ăn sâu xuống đất lớn hơn 22% và sinh khối chồi lớn hơn 39% trong những đất bị dí chặt trên đồng ruộng so với các dòng không có MCS.

Mười hai kiểu gen lúa mì và 6 kiểu gen ngô được trồng trong nhà kính. Các thùng chứa được thiết lập với một lớp đất nén chặt để xác định rễ nào đã xuyên qua lớp nền cứng. Nguồn: Hannah Schneider, Penn State.

Hannah Schneider, học giả sau tiến sĩ, trưởng của nhóm nghiên cứu tại Đại học Lynch, Khoa học Nông nghiệp, cho biết đất bị nén chặt sẽ làm giảm độ xốp, hạn chế sự thấm nước, giảm sự thông khí và hạn chế sự phát triển của rễ do trở ngại vật lý.

Bà nói: “Các lớp đất bị nén chặt làm hạn chế năng suất cây trồng bằng cách hạn chế sự phát triển của rễ và sự di chuyển của rễ ở các lớp đất sâu hơn, từ đó hạn chế khả năng tiếp cận chất dinh dưỡng và nước”. "Rễ cây có thể xuyên qua đất cứng và xuống sâu hơn có lợi thế trong việc thu giữ nước và chất dinh dưỡng - cuối cùng hoạt động tốt hơn trong điều kiện khô hạn hoặc độ phì của đất thấp".

Nghiên cứu trên đồng ruộng và nghiên cứu trong nhà kính giúp đánh giá khả năng xâm nhập của rễ trong đất bị dí chặt.

Các nhà khoa học đã tiến hành hai thí nghiệm đồng ruộng để nghiên cứu sự phát triển của rễ — một tại Trung tâm Sinh học rễ Apache ở Willcox, Arizona và một tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Russell E. Larson tại Rock Springs thuộc bang Penn. Tại mỗi địa điểm, các nhà nghiên cứu đã trồng những cây ngô có 6 kiểu gen qui định hàm lượng lignin khác nhau ở rễ. Mỗi thí nghiệm đồng ruộng bao gồm các nghiệm thức đất bị dí chặt và không bị dí chặt.

Khi ngô ra hoa, những đất gần cây được chọn ngẫu nhiên để đánh giá sự phát triển của rễ. Rễ của hai cây trên mỗi ô nghiên cứu cũng được đào lên và đánh giá, và sinh khối chồi cũng được thu thập để đánh giá.

Được các nhà nghiên cứu gọi là u xơ cứng nhiều lớp - hay MCS - kiểu hình này được đặc trưng bởi các tế bào nhỏ có thành dày ngay bên dưới bề mặt của rễ, như thể hiện qua những hình ảnh này được các nhà nghiên cứu chụp bằng phương pháp chụp cắt lớp . Rễ có kiểu gen MCS có nồng độ lignin cao hơn - một loại polyme hữu cơ tạo nên độ cứng. Nguồn: Hannah Schneider, Penn State.

Mười hai kiểu gen lúa mì và sáu kiểu gen ngô cũng được trồng trong nhà. Một lớp đất bị nén chặt nhằm xác định khả năng xâm nhập của rễ vào lớp đất cứng. Sau hơn một tháng phát triển, các đoạn rễ từ mỗi kiểu gen ngô và lúa mì đã được thu thập, đo lường và kiểm tra độ bền và lực uốn của ngọn rễ.

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp chụp cắt lớp laser - được gọi là LAT - để nhìn thấy cấu trúc của rễ cây. Nhóm nghiên cứu của Lynch đã phát triển công nghệ độc đáo vào năm 2011 cho các ứng dụng phân tích rễ của các cây trồng khác. Các nhà nghiên cứu sử dụng LAT có thể đo phổ ánh sáng phát ra từ các tế bào khác nhau bằng tia laser để phân biệt giữa các mô.

Báo cáo về sự biến đổi di truyền đối với MCS trong mỗi loại ngũ cốc được các nhà nghiên cứu kiểm tra và hệ số di truyền tương đối cao. Các nhà nghiên cứu cho rằng đặc điểm này có thể được chọn lựa trong các chương trình nhân giống. Trong số các dòng thực vật được xem xét trong nghiên cứu này, MCS có mặt trong 30 đến 50% các giống ngô, lúa mì và lúa mạch hiện đại.

Schneider cho rằng, bộ rễ ngô phát triển sâu hơn để lấy nước và chất dinh dưỡng - và kết quả tạo ra năng suất cao hơn – điều này rất có ý nghĩa trong việc đảm bảo an ninh lương thực ở một số vùng. Điều đó đặc biệt đúng khi đối mặt với khí hậu đang thay đổi khiến các khu vực rộng lớn trở nên khô hạn hơn.

Bà nói: “Chúng tôi quan sát MCS trong ngô, lúa mì, lúa mạch và nhiều loại cây ngũ cốc khác, và từ công trình nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng nhiều lợi ích của MCS có thể giống nhau ở các loài khác nhau. "MCS có thể là một đặc điểm quan trọng có khả năng chống chịu stress và tăng năng suất ở cây ngũ cốc".

Nguyễn Bình Duy theo Phys.org