Nghiên cứu cho thấy thành phần phân bón phổ biến có lợi cho cây trồng như thế nào

Lanthanide là một nhóm các nguyên tố đất hiếm được bổ sung vào phân bón ở nhiều quốc gia dưới dạng vi chất dinh dưỡng để kích thích cây trồng tăng trưởng. Tuy nhiên, người ta vẫn chưa biết nhiều về cách cây trồng hấp thụ chúng hoặc ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, khiến những lợi ích của chúng có thể chưa được khai thác.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã làm sáng tỏ cách lanthanide di chuyển và hoạt động trong thực vật. Những hiểu biết này có thể giúp nông dân tối ưu hóa việc sử dụng chúng để trồng một số loại cây trồng phổ biến nhất thế giới.

Được công bố hôm nay trên Journal of the American Chemical Society, nghiên cứu cho thấy chỉ cần một liều lượng nhỏ lanthanide ở cấp độ nano được áp dụng cho hạt giống có thể giúp một số loại cây trồng phổ biến nhất thế giới chống chịu tốt hơn với tia UV. Các nhà nghiên cứu cũng khám phá ra các quá trình hóa học mà lanthanide tương tác với sắc tố diệp lục thúc đẩy quá trình quang hợp, cho thấy các nguyên tố lanthanide khác nhau tăng cường diệp lục bằng cách thay thế magie ở trung tâm của nó.

Phó Giáo sư Benedetto Marelli, người đã thực hiện nghiên cứu cùng với tiến sỹ Giorgio Rizzo, cho biết: “Đây là bước đầu tiên để hiểu rõ hơn về cách các nguyên tố này hoạt động trong thực vật và cung cấp một ví dụ về cách chúng có thể được đưa vào cây trồng tốt hơn so với việc chỉ bón chúng vào đất. Đây là ví dụ đầu tiên về một nghiên cứu chuyên sâu cho thấy tác động của nhóm lanthanide lên diệp lục cũng như lợi ích của chúng trong việc bảo vệ thực vật khỏi tác động của tia UV”.

Kết nối bên trong cây

Một số nguyên tố nhóm lanthanide được sử dụng làm chất cản quang trong MRI và cho các ứng dụng bao gồm điốt phát quang, pin mặt trời và laser. Trong 50 năm qua, lanthanide ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp để tăng năng suất cây trồng. Riêng Trung Quốc đã bón phân gốc lanthanide cho gần 4 triệu ha đất mỗi năm.

Rizzo, tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: "Từ lâu, các nguyên tố nhóm lanthanide đã được coi là không liên quan đến mặt sinh học, nhưng điều đó đã thay đổi trong nông nghiệp, đặc biệt là ở Trung Quốc. Tuy nhiên, chúng ta phần lớn vẫn chưa biết lanthanide hoạt động như thế nào để mang lại lợi ích cho cây trồng - cũng như chưa hiểu rõ cơ chế hấp thụ của chúng từ mô thực vật".

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng nồng độ lanthanide thấp có thể thúc đẩy sự phát triển của cây, kéo dài rễ, tổng hợp hormone và khả năng chịu hạn, nhưng liều lượng cao hơn có thể gây hại cho cây. Việc đạt được sự cân bằng phù hợp gặp nhiều khó khăn do chúng ta chưa hiểu rõ về cách cây hấp thụ lanthanide hoặc cách chúng tương tác với đất, rễ.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tận dụng công nghệ phủ và xử lý hạt giống mà họ đã phát triển trước đây để tìm hiểu cách thức sắc tố diệp lục thực vật tương tác với lanthanide cả bên trong và bên ngoài cây. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa chắc chắn liệu diệp lục có tương tác với các ion lanthanide hay không.

Diệp lục thúc đẩy quá trình quang hợp nhưng các sắc tố sẽ mất khả năng hấp thụ ánh sáng hiệu quả khi ion Magie ở lõi bị loại bỏ. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các nguyên tố nhóm lanthanide có thể lấp đầy khoảng trống đó, giúp các sắc tố diệp lục phục hồi một phần các đặc tính quang học của chúng trong một quá trình được gọi là tái tạo màu xanh.

Marelli nói: “Chúng tôi phát hiện ra rằng lanthanide có thể cải thiện một số thông số sức khỏe của cây trồng. Chúng chủ yếu tích tụ trong rễ nhưng một lượng nhỏ cũng đi đến lá và một số phân tử diệp lục mới được tạo ra trong lá có chứa lanthanide trong cấu trúc của chúng”.

Nghiên cứu này cũng cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy lanthanide có thể tăng khả năng phục hồi của thực vật trước tác động của tia UV, một điều mà các nhà nghiên cứu cho là hoàn toàn bất ngờ.

Rizzo nói: “Diệp lục là sắc tố rất nhạy cảm. Chúng có thể chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng trong thực vật, nhưng khi bị cô lập khỏi cấu trúc tế bào, chúng nhanh chóng bị thủy phân và phân hủy. Tuy nhiên, ở dạng có lanthanide làm trung tâm, chúng khá ổn định, ngay cả sau khi chiết xuất từ tế bào thực vật”.

Các nhà nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật quang phổ khác nhau, đã phát hiện ra những lợi ích có trong nhiều loại cây lương thực, bao gồm đậu gà, lúa mạch, ngô và đậu nành.

Những phát hiện này có thể được sử dụng để tăng năng suất cây trồng và tăng khả năng phục hồi của một số loại cây trồng phổ biến nhất thế giới trước thời tiết khắc nghiệt.

Marelli cho biết: “Khi chúng ta chuyển sang một môi trường mà nhiệt độ cực cao và các hiện tượng khí hậu cực đoan ngày càng phổ biến, đặc biệt là khi chúng ta có thể tiếp xúc với ánh nắng mặt trời kéo dài trên đồng ruộng, chúng tôi muốn tìm ra những phương pháp mới để bảo vệ cây trồng. Hiện có những loại hóa chất nông nghiệp có thể được sử dụng để bảo vệ cây trồng khỏi các tác nhân gây ức chế như tia UV, nhưng chúng có thể độc hại, làm tăng lượng vi nhựa và cần phải sử dụng nhiều lần. Đây có thể là một giải pháp bổ sung để bảo vệ cây trồng khỏi ức chế do tia UV gây ra”.

Xác định các ứng dụng mới

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các nguyên tố lanthanide lớn hơn như lanthanum có hiệu quả hơn trong việc tăng cường sắc tố diệp lục so với các nguyên tố nhỏ hơn. Lanthanum được coi là một sản phẩm phụ có giá trị thấp của quá trình khai thác đất hiếm và có thể trở thành gánh nặng cho chuỗi cung ứng nguyên tố đất hiếm (REE) do nhu cầu tách nó khỏi các nguyên tố đất hiếm có giá trị cao hơn. Các nhà khoa học cho rằng việc tăng nhu cầu lanthanum có thể đa dạng hóa nền kinh tế của REE và cải thiện tính ổn định của chuỗi cung ứng.

Marelli nói: "Nghiên cứu này cho thấy những gì chúng ta có thể làm với những kim loại có giá trị thấp này. Chúng tôi biết lanthanide cực kỳ hữu ích trong điện tử, nam châm và năng lượng. Tại Hoa Kỳ, việc tái chế chúng đang được thúc đẩy mạnh mẽ. Đó là lý do tại sao trong các nghiên cứu về thực vật, chúng tôi tập trung vào lanthanum, là ion lanthanide phổ biến nhất và rẻ nhất".

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có kế hoạch khám phá cách lanthanide hoạt động với các phân tử sinh học khác, bao gồm cả protein trong cơ thể con người.

Trong nông nghiệp, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ mở rộng quy mô nghiên cứu để bao gồm các nghiên cứu đồng ruộng và nhà kính nhằm tiếp tục kiểm tra kết quả khả năng chống chịu tia UV trên các loại cây trồng khác nhau và trong điều kiện trang trại thử nghiệm.

Rizzo nói: "Các nguyên tố nhóm Lanthanide đã được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp. Chúng tôi hy vọng nghiên cứu này cung cấp bằng chứng cho phép sử dụng chúng một cách có ý thức hơn, đồng thời mở ra một cách mới để áp dụng chúng thông qua xử lý hạt giống".

Cao Thị Hải Yến theo Viện Công nghệ Massachusetts.