Những vi sinh vật đất nhỏ bé này có thể giúp cây trồng sống được ở vùng đất nhiễm mặn

Các nhà khoa học khám phá ra vi khuẩn có lợi trong đất có thể giúp cây trồng tăng khả năng chống chịu với đất mặn một cách tự nhiên, mở ra cơ hội cho nền nông nghiệp thích ứng tốt hơn với biến đổi khí hậu. Nguồn: Shutterstock.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một “đồng minh tự nhiên” đầy bất ngờ có thể giúp người nông dân đối phó với một trong những thách thức ngày càng lớn của nông nghiệp: Đất bị nhiễm mặn.

Một nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học từ Đại học East Anglia (UEA), do nhà nghiên cứu Trung Quốc TS. Yanfen Zheng dẫn đầu, đã tìm ra các vi khuẩn tự nhiên tồn tại trong đất có thể cải thiện đáng kể khả năng sống sót của cây trồng trong điều kiện đất mặn.

Nghiên cứu cũng phát hiện ra một cơ chế hoàn toàn mới về cách thức các vi sinh vật này bảo vệ các loại cây trồng như ngô, cà chua và cải dầu (rapeseed) khỏi stress mặn. Khám phá này có thể mở đường cho việc giúp người nông dân trồng trọt trên những vùng đất đã trở nên rất mặn trong nông nghiệp truyền thống.

Độ mặn của đất đe dọa nông nghiệp toàn cầu

Sự tích tụ muối trong đất nông nghiệp đang trở thành vấn đề ngày càng nghiêm trọng do biến đổi khí hậu, các biện pháp tưới tiêu và nước biển dâng cao. Khi muối tích tụ trong đất, nó sẽ kìm hãm cây phát triển, làm rễ tổn thương và làm giảm mạnh năng suất cây trồng.

Giáo sư Jonathan Todd từ Khoa Khoa học Sinh học của UEA và Viện Quadram cho biết: “Sự tích tụ muối trong đất nông nghiệp là vấn đề lớn và ngày càng nghiêm trọng - do biến đổi khí hậu, tưới tiêu và nước biển tăng gây ra”.

Muối làm cây chậm phát triển, gây hại cho rễ và ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn bộ vụ thu hoạch - đe dọa nguồn cung lương thực toàn cầu.

Chúng tôi biết cây trồng phụ thuộc vào cộng đồng vi sinh vật quanh rễ, gọi là hệ vi sinh vùng rễ, giúp cây trồng đối phó với stress môi trường. Nhưng chính xác các mối quan hệ này hoạt động như thế nào và liệu chúng có hoạt động nhất quán giữa các loại cây trồng và loại đất khác nhau hay không, vẫn chưa được hiểu rõ.

Chúng tôi phát hiện cây trồng dường như thu hút các vi khuẩn có lợi trong điều kiện đất mặn và các vi khuẩn này kích hoạt những thay đổi bên trong cây giúp làm tăng cấu trúc vật lý và khả năng chống chịu của cây.

“Nếu các nhà khoa học có thể khai thác được quá trình tự nhiên này, nó có thể đánh dấu sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới cho nền nông nghiệp thích ứng với biến đổi khí hậu”.

Cây trồng chống chịu stress mặn thu hút vi sinh vật vùng rễ

Để hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cây trồng và vi sinh vật, các nhà nghiên cứu đã phân tích hệ vi sinh vùng rễ của nhiều loại cây trồng được trồng trên các loại đất khác nhau.

Họ phát hiện rằng một nhóm vi khuẩn tự nhiên gọi là pseudomonads liên tục tập trung quanh vùng rễ cây khi cây bị stress do mặn. Hiện tượng này xuất hiện ở nhiều loại cây khác nhau, bao gồm ngô, cà chua và cải dầu (rapeseed), cho thấy đây là một phản ứng sinh học phổ biến chứ không chỉ riêng cho một loài cây.

Phân tích di truyền cũng giải thích lý do vì sao các vi khuẩn này hoạt động hiệu quả trong môi trường mặn. Giáo sư Todd cho biết: “So với các vi sinh vật khác, pseudomonads mang những gene chuyên biệt giúp chúng chịu được nồng độ muối cao, bao gồm các hệ thống vận chuyển natri và các cơ chế chống stress khác”.

Rễ khỏe hơn và năng suất cao hơn

Nhóm nghiên cứu sau đó đưa các chủng pseudomonad được tuyển chọn vào cây đậu nành. Trong cả nghiên cứu trong nhà kính và thử nghiệm ngoài đồng ruộng, các vi khuẩn này đã xâm nhập thành công vào rễ và cải thiện đáng kể sự phát triển của cây trong điều kiện đất mặn.

Giáo sư Todd cho biết: “Chúng tôi nhận thấy những cây được xử lý bằng các chủng vi sinh vật này có hệ rễ khỏe hơn, phát triển tốt hơn và cho năng suất cao hơn so với những cây không được xử lý trên đất mặn”.

Cơ chế bảo vệ ngạc nhiên của cây trồng

Các nhà nghiên cứu ngạc nhiên khi phát hiện rằng vi khuẩn này không giúp cây bằng cách làm giảm nồng độ muối bên trong mô của cây. “Điều bất ngờ nhất là cách vi khuẩn giúp cây đối phó với stress mặn”.

Giáo sư Todd giải thích: “Trong nhiều thập kỷ, người ta cho rằng cây trồng sống được trong môi trường mặn bằng cách kiểm soát nồng độ natri - về cơ bản là ngăn muối độc hại xâm nhập. Nhưng chúng tôi không tìm thấy bằng chứng nào cho thấy vi khuẩn ảnh hưởng đến việc vận chuyển natri hay cân bằng ion. Thay vì giúp cây quản lý muối trực tiếp, vi khuẩn lại kích thích cây sản xuất nhiều hơn một chất gọi là lignin.

“Rễ của những cây được xử lý bằng vi khuẩn này cho thấy hàm lượng lignin tăng đáng kể, trong một số trường hợp tăng hơn 30% trong điều kiện stress mặn”.

Lignin giúp tăng cường sức mạnh tự nhiên của cây

Lignin là vật liệu cứng, có tính “gỗ”, tạo thành một phần của thành tế bào thực vật. Nó hoạt động như một hệ thống nâng đỡ tự nhiên, giúp củng cố mô của cây và tăng khả năng chống chịu với stress môi trường.

Các nhà nghiên cứu đã xác định được những gene quan trọng chịu trách nhiệm làm tăng sản xuất lignin. Một cách nhân tạo, khi các gene này được biểu hiện quá mức, cây trồng phát triển tốt hơn nhiều trong đất mặn.

Trái lại, những cây không thể sản xuất lignin không nhận được lợi ích từ vi khuẩn này, cho thấy rằng việc tạo ra lignin là yếu tố thiết yếu trong cơ chế bảo vệ được phát hiện mới này.

Giáo sư Todd cho biết: “Chúng tôi hy vọng khám phá này sẽ mở ra những khả năng mới cho nông nghiệp. Bằng cách khai thác các vi sinh vật tự nhiên như pseudomonads, có thể phát triển các giải pháp sinh học giúp cây trồng phát triển trong đất mặn mà không cần phụ thuộc nhiều vào hóa chất.

“Với diện tích đất nông nghiệp bị nhiễm mặn ngày càng lớn và còn tiếp tục gia tăng, các giải pháp vi sinh có thể trở thành công cụ thiết yếu để duy trì năng suất cây trồng và đảm bảo an ninh lương thực”.

Công trình nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Science Advances.

Nguyễn Tiến Hải theo Sciencedaily.