Phun lớp phủ kháng khuẩn cung cấp bảo vệ mới cho cây trồng chống lại bệnh và hạn hán

Nhà nghiên cứu của Đại học UC San Diego phun một lớp phủ polymer kháng khuẩn lên lá cây Nicotiana benthamiana. Nguồn: David Baillot/Trường Kỹ thuật Jacobs, Đại học UC San Diego.

Các kỹ sư tại Đại học California San Diego đã phát triển một lớp phủ polymer dạng phun có thể giúp cây trồng chống lại các bệnh do vi khuẩn gây hại và sống sót qua hạn hán. Phát hiện này, được công bố trên tạp chí ACS Materials Letters, có thể giúp tăng cường an ninh lương thực toàn cầu khi các áp lực môi trường ngày càng gia tăng làm trầm trọng thêm tình trạng dịch bệnh ở cây trồng.

Bệnh truyền nhiễm do vi khuẩn đang trở thành mối đe dọa ngày càng lớn đối với nông nghiệp vì chúng gây ra thiệt hại mùa màng nghiêm trọng trên toàn thế giới. Những bệnh nhiễm trùng này, do cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương gây ra, dẫn đến các bệnh gây hại trên cây trồng như héo rũ, bạc lá, đốm và loét thân. Nhiệt độ tăng cao cũng tạo điều kiện cho mầm bệnh lan rộng sang các vùng mới. Kết quả là, cây trồng ngày càng dễ bị nhiễm nhiều loại bệnh khác nhau.

Cơ chế hoạt động của lớp phủ kháng khuẩn

Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu từ phòng thí nghiệm của Jon Pokorski và Nicole Steinmetz, cả hai đều là giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Nano Aiiso Yufeng Li Family thuộc Trường Kỹ thuật Jacobs của Đại học UC San Diego, và là thành viên của Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu UC San Diego (MRSEC), đã hợp tác để phát triển một lớp phủ kháng khuẩn có thể phun trực tiếp lên lá cây.

Lớp phủ được làm từ một loại polymer tổng hợp được thiết kế đặc biệt, chứa các nhóm hóa học mang điện tích dương trong cấu trúc của nó, có đặc tính kháng khuẩn. Các nhóm mang điện tích dương này phá vỡ màng tế bào vi khuẩn, giúp chúng có hiệu quả chống lại nhiều loại vi sinh vật gây hại.

Việc tạo ra lớp phủ dạng phun – và làm cho nó thân thiện với thực vật – đã trở nên khả thi nhờ việc điều chỉnh một phương pháp tổng hợp polymer thông thường để nó hoạt động trong điều kiện nhẹ nhàng, dựa trên nước.

“Thông thường, polyme được tổng hợp bằng cách sử dụng dung môi hữu cơ độc hại đối với thực vật”, Luis Palomino, đồng tác giả chính của nghiên cứu, nghiên cứu sinh tiến sỹ ngành hóa học và kỹ thuật nano trong phòng thí nghiệm của Pokorski, đã cho biết. “Điều chúng tôi làm khác biệt ở đây là chúng tôi đã tổng hợp polyme trong điều kiện đệm bằng nước. Điều đó cho phép chúng tôi tạo ra một công thức dạng xịt tương thích sinh học hơn với thực vật. Chúng tôi có thể dễ dàng hòa tan polyme đến nồng độ thích hợp trong nước và phun lên”.

Lá cây được lây nhiễm vi khuẩn để kiểm tra hiệu quả của lớp phủ kháng khuẩn dạng xịt được phát triển tại Đại học California, San Diego. Nguồn: David Baillot/Trường Kỹ thuật Jacobs, Đại học California, San Diego.

Vi khuẩn được đưa vào lá cây Nicotiana benthamiana để kiểm tra hiệu quả của lớp phủ kháng khuẩn dạng xịt. Nguồn: David Baillot/Trường Kỹ thuật Jacobs, Đại học UC San Diego.

Bằng phương pháp cải tiến này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại vật liệu polymer, được gọi là polynorbornene, có khả năng thấm khí. Đặc tính này rất quan trọng để cho phép lá cây tiếp tục hô hấp và phát triển bình thường.

Lớp phủ được phun lên lá của cây Nicotiana benthamiana, một loại cây mẫu phổ biến được sử dụng trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và trong nông nghiệp phân tử, tức là sản xuất các phân tử có giá trị cao trong thực vật. Nó bảo vệ cây sống khỏi sự xâm nhiễm do vi khuẩn Agrobacterium. Khi thử nghiệm trên từng lá riêng lẻ trong đĩa petri, lớp phủ đã ức chế sự phát triển của cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương, chẳng hạn như Escherichia coli và Staphylococcus aureus.

Một phát hiện đáng ngạc nhiên là "việc phun thuốc phủ kín toàn bộ lá không phải lúc nào cũng đạt được hiệu quả bảo vệ", theo lời đồng tác giả chính của nghiên cứu, Patrick Opdensteinen, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Steinmetz. "Chúng ta chỉ cần phun thuốc lên một phần nhỏ của lá, và điều đó đồng nghĩa với việc toàn bộ cây sẽ có khả năng miễn dịch với vi khuẩn. Đó là một kết quả thực sự tuyệt vời".

Khả năng bảo vệ toàn diện cho cây trồng và khả năng chống hạn

Các nhà nghiên cứu tin rằng cơ chế bảo vệ toàn cây này có thể bắt nguồn từ phản ứng với điều kiện bất lợi hệ thống. Lá được xử lý cho thấy sự gia tăng nhẹ lượng hydrogen peroxide, một phân tử tín hiệu tự nhiên mà cây sản sinh ra khi phản ứng với điều kiện bất lợi. Phản ứng này giảm dần theo thời gian, và cây vẫn khỏe mạnh trong suốt nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng tín hiệu với điều kiện bất lợi ngắn hạn này có thể kích hoạt phản ứng phòng vệ rộng hơn trên toàn bộ cây.

Một kết quả khác là cây được phủ lớp bảo vệ cũng cho thấy khả năng chịu hạn tốt hơn. Khi bị ngừng tưới nước trong bốn ngày, cây được phun vẫn khỏe hơn và ít bị héo hơn so với cây không được xử lý. Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng lớp phủ polymer có thể hoạt động như một rào cản vật lý để giảm sự mất nước, cũng như kích hoạt các cơ chế phản ứng bất lợi ở cấp độ phân tử giúp tăng khả năng chống hạn.

Công việc đang tiến hành sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu hơn các cơ chế đằng sau khả năng kháng vi khuẩn toàn cây và khả năng chống hạn. Nhóm nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào việc cải thiện khả năng phân hủy sinh học và đánh giá độc tính để ứng dụng trong thực tế ở tương lai.

"Chúng tôi hy vọng sẽ sử dụng công nghệ này trong thực tế để mang lại lợi ích cho nông nghiệp, và đây là bước đầu tiên", Opdensteinen nói. "Công nghệ này có rất nhiều tiềm năng trong việc bảo vệ cây trồng".

Đỗ Thị Nhạn theo Phys.org