‘Hơi thở hóa học’ của đậu phộng có thể đưa ra manh mối về căng thẳng do khô hạn và những bất lợi khác

Ảnh: Branden Camp, Georgia Tech.

Các nhà nghiên cứu của GTRI Judy Song và Daniel Sabo lắp đặt thiết bị lấy mẫu không khí được sử dụng để thu thập các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ cây đậu phộng. Phân tích các hợp chất có thể chỉ ra khi cây bị stress/căng thẳng, cho phép nông dân điều chỉnh điều kiện sinh trưởng.

Người trồng đậu phộng một ngày nào đó có thể xác định các mối đe dọa như hạn hán, sâu, bệnh bằng cách kiểm tra "hơi thở hóa học" của cây.

Từ sáng đến tối, cây đậu phộng phát ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) khác nhau về loại và kiểu tùy thuộc vào cách chúng phản ứng với các stress/căng thẳng khác nhau. Người trồng thường dựa vào các phương pháp giám sát gián tiếp như kiểm tra độ ẩm của đất để đánh giá sức khỏe của cây trồng trên đồng ruộng của họ. Nhưng trực tiếp kiểm tra phản ứng stress/căng thẳng có thể nhanh hơn chính xác hơn và cung cấp một phạm vi chẩn đoán rộng hơn. Bây giờ các nhà khoa học đang làm việc trên các thiết bị thu gom khí mà người trồng có thể triển khai trên các cánh đồng hoặc trên cây trồng.

"Chúng tôi muốn tìm hiểu những cách tốt nhất để phát hiện và đo lường các loại khí có thể tương quan với các điều kiện thực vật khác nhau như hạn hán", Wayne Daley, phó trưởng phòng và kỹ sư nghiên cứu cao cấp của Chương trình Nghiên cứu Công nghệ Nông nghiệp tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Georgia (GTRI cho biết).

Khoảng 1,67 triệu mẫu đậu phộng đã được thu hoạch ở Hoa Kỳ vào năm 2017, theo Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ 160.000 ở Florida và 850.000 ở Georgia. Đậu phộng là một loại cây trồng trị giá 2,2 tỷ đô la ở Georgia, chiếm 23 phần trăm thu nhập từ cây trồng và thức ăn gia súc của tiểu bang, theo Ủy ban Đậu phộng Georgia.

"Daley và các điều tra viên của anh đang hợp tác với Diane Rowland, Barry Tillman và Alina Zare, tất cả các giảng viên của Trung tâm Nông nghiệp Stress Resilient của Đại học Florida, để xác định và thiết kế các phương pháp thu thập VOC trong một khu vực ngoài đồng, một phòng môi trường và một nhà kính ở Florida. Nhóm GTRI bao gồm các nhà hóa học Judy Song và Dan Sabo và các nhà khoa học dữ liệu Olga Kemenova và Milad Navaei.

Rowland, giáo sư sinh lý học tại Đại học Florida, nói: "Loại công nghệ tiên tiến này là thứ rất cần thiết cho nông dân để duy trì hiệu quả kinh tế". "Hiệu quả sử dụng tài nguyên trong canh tác, bao gồm phản ứng nhanh với các sự kiện căng thẳng như hạn hán, là chìa khóa không chỉ cho quản lý môi trường, mà còn cho lợi nhuận còn lại khi chi phí đầu vào tăng".

Tuy nhiên, việc phát hiện các loại khí liên quan trong lĩnh vực này vẫn là một thách thức lớn.

"Cây đậu phộng giải phóng VOC ở nồng độ rất thấp, rất khó đo lường", Daley cho biết. "Chúng tôi muốn tìm hiểu VOC nào có ý nghĩa và cho chúng tôi biết về những stress/căng thẳng được người trồng quan tâm". Trong một nghiên cứu trước đây, Daley và các nhà khoa học GTRI khác đã biết rằng biểu hiện VOC khác nhau giữa các cây đậu phộng ở các mức độ khác nhau của cường độ hạn hán.

Trong mùa vụ 2017, các nhà nghiên cứu của GTRI đã đặt các thanh thủy tinh được phủ bằng vật liệu hấp thụ khí gần cây đậu phộng. Các que được đưa đến phòng thí nghiệm để giải phóng khí hấp thụ, khí này được xác định và đo. Tuy nhiên, hiện trường là một môi trường phức tạp với nhiều yếu tố gây nhiễu.

Bây giờ các nhà nghiên cứu đang đánh giá kỹ thuật đo khí này để nghiên cứu cây đậu phộng được trồng trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát.

Trong mùa vụ trồng trọt 2017, các nhà nghiên cứu từ Đại học Florida đã thu thập dữ liệu thực địa từ các cây đậu phộng sử dụng các thanh khuấy được phủ polydimethylsiloxane (Twisters). Các khí thu được được gửi đến GTRI để nhận dạng và phân tích bằng cách sử dụng một đơn vị giải hấp nhiệt.

Hiện nay các nhà nghiên cứu đang đánh giá kỹ thuật đo khí này để nghiên cứu cây đậu phộng được trồng trong điều kiện phòng thí nghiệm có kiểm soát.

Các giai đoạn tăng trưởng theo mùa của cây đậu phộng ảnh hưởng đến số lượng và loại VOC mà nó phát ra. Ngay cả thời gian trong ngày cũng ảnh hưởng đến lượng khí này.

"Chúng tôi đang xây dựng một buồng môi trường trong đó chúng tôi có thể bắt chước độ ẩm, ánh sáng và chất dinh dưỡng của một cánh đồng tự nhiên vào một ngày ở Florida từ sáng đến tối với độ ẩm thích hợp", Daley cho biết. "Đây là bước đầu tiên để kiểm tra và đánh giá kỹ thuật đo khí trong các điều kiện được kiểm soát. Một khi chúng ta biết thêm về hiệu suất của nó và cách áp dụng nó, thì chúng ta sẽ đưa nó đến Đại học Florida để nghiên cứu về cây trồng trong nhà kính".

Nhóm nghiên cứu đang phát triển một cơ sở của "gia đình" VOC đậu phộng có thể được xác định trong buồng môi trường. Mỗi tác nhân gây stress/căng thẳng đậu phộng cũng có thể được liên kết với một họ VOC riêng biệt. Chẳng hạn, các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng một đợt hạn hán trong buồng để nghiên cứu các VOC liên quan. Nhưng có thể có các họ VOC nền tảng cạnh tranh hoặc nhầm lẫn giữa một thử nghiệm khô hạn.

Sabo, nhà khoa học nghiên cứu của GTRI cho biết: "Chúng ta cần hiểu cách cây đậu phộng phản ứng với cả điều kiện lúc cây khỏe và khi stress/căng thẳng để có thể sử dụng đầy đủ VOC nhằm phát hiện hạn hán".

Song, một kỹ sư nghiên cứu chính của GTRI cho biết: "Chúng tôi đang nghiên cứu làm thế nào các khí giao thoa cạnh tranh không gian trên vật liệu hấp thụ". "Thí nghiệm trong buồng môi trường sẽ có thể giúp chúng tôi hiểu được cách thức các loại khí nhiễu và các VOC dựa trên căng thẳng này tương tác và can thiệp lẫn nhau. Với kiến thức này, chúng tôi sẽ có thể thực hiện các phép đo chính xác và có ý nghĩa".

Một khi các nhà nghiên cứu hiểu được sự phức tạp của môi trường xung quanh của một cánh đồng lạc ngoài trời, họ có thể phát triển và hoàn thiện một thử nghiệm khí chuyên dụng cho các chỉ số căng thẳng hạn hán, có thể giúp nông dân cải thiện lịch trình tưới hoặc ngăn chặn aflatoxin, là những chất gây ung thư tiềm năng.

"Bạn hầu như có thể phát triển và trang bị cho lĩnh vực này bằng các cảm biến nhỏ gọn đáng tin cậy cho phép thu thập và đánh giá VOC nhanh chóng và thuận tiện". Daley nói. "Hoặc chúng ta có thể hình dung robot tự lấy mẫu".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org