Sử dụng Ethanol cho canh tác lúa và lúa mì đối phó với hạn hán

Việc bổ sung etanol vào đất giúp bảo vệ cây trồng khỏi tỷ lệ hạn hán ngày càng tăng, hiện đã tăng gần 1/3 trên toàn cầu kể từ năm 2000. Nguồn: Shaifulzamri Masri/EyeEm/Getty; Thiết kế Alice/Dự án The Noun.

Mùa hè ở Bắc bán cầu năm 2022 là một mùa hè nóng khủng khiếp - Trung Quốc hứng chịu đợt nắng nóng nghiêm trọng nhất trong sáu thập kỷ, nước ở sông Rhine ở Tây Âu hạ thấp đến mức tàu lớn không thể đi qua và vùng Sừng châu Phi có lượng mưa thấp trong một thời gian dài ở mùa thứ tư liên tiếp. Các sự kiện xảy ra sau một cảnh báo rõ ràng do Liên hợp quốc đưa ra vào tháng 5: thế giới đã trải qua sự gia tăng 29% về thời gian và tần suất hạn hán kể từ năm 2000. Bây giờ, họ thúc giục, sử dụng “mọi công cụ có thể” để ngăn chặn sự gia tăng của nó. Hạn hán gây ra thảm họa ở nhiều cấp độ - không chỉ là thảm họa thiên nhiên nguy hiểm nhất (giết chết hơn 650.000 người từ năm 1970 đến năm 2019), mà còn là mối đe dọa lớn đối với sản xuất lương thực của chúng ta.

Motoaki Seki, nhà khoa học thực vật tại Trung tâm Khoa học Tài nguyên Bền vững RIKEN cho biết: “Khan hiếm nước là một vấn đề nông nghiệp nghiêm trọng gây ra thiệt hại đáng kể cho năng suất và chất lượng cây trồng. Bởi vì hạn hán đang xảy ra thường xuyên hơn, chúng ta cần tìm cách ngăn chặn thực vật chết khi trời cực kỳ khô hạn”.

Theo quan điểm của Seki, “Hiện tại, phương pháp chính liên quan đến thực vật biến đổi gen để đảm bảo khí khổng của chúng - các lỗ nhỏ trên lá và thân - vẫn đóng, do đó giảm thiểu sự mất nước. Nhưng kỹ thuật này tốn thời gian, tốn kém và không được chấp nhận rộng rãi ở nhiều quốc gia”. Thay vào đó, ông và nhóm của mình, cùng với các cộng tác viên trong nước và quốc tế, đề xuất một giải pháp mới thay thế: bón etanol vào đất để bảo vệ thực vật khỏi hạn hán. Họ đã quan sát thấy phương pháp này trong một nghiên cứu gần đây, giúp thực vật—bao gồm các loại cây trồng phổ biến, gạo và lúa mì - sống sót trong điều kiện thiếu nước. “Ethanol là một hợp chất đơn giản và rẻ tiền, đã được sử dụng rộng rãi làm chất khử trùng trong đại dịch COVID-19”.

Ethanol- chất bảo vệ

Seki và nhóm của anh ấy đến với ethanol một cách khá tình cờ. Ông nhớ lại: “Khi tìm kiếm các hợp chất giúp thực vật chống lại căng thẳng, chúng tôi đã khám phá các dung môi hữu cơ dễ tiếp cận thường được sử dụng để hòa tan các hợp chất trong các thí nghiệm.

Ethanol dường như là một lựa chọn tốt, vì một số loại cây tự nhiên tạo ra chất lỏng không màu trong thời gian căng thẳng. Chẳng hạn, cây thông được biết là tổng hợp ethanol khi bị hư hại do cháy rừng, cho phép chúng tiếp tục phân hủy đường để tạo ra năng lượng. Mặt khác, người ta đã quan sát thấy cây lúa sản sinh ra etanol khi tiếp xúc với nhiệt độ lạnh, giúp cải thiện khả năng chịu lạnh và có thể làm giảm tổn thương màng.

Nhóm của Seki bắt đầu thử nghiệm với ethanol, và vào năm 2017, họ phát hiện ra hợp chất này, trong điều kiện độ mặn cao, giúp bảo vệ lúa và Arabidopsis thaliana, một loài thực vật có hoa nhỏ được sử dụng rộng rãi làm sinh vật mẫu trong sinh học thực vật. Họ tự hỏi liệu ethanol có thể làm được điều tương tự trong điều kiện hạn hán không?

Để kiểm tra giả thuyết của họ, trước tiên các nhà nghiên cứu đã trồng lúa và lúa mì với lượng nước dồi dào trong hai tuần. Tiếp theo, họ bổ sung ethanol vào đất trong 3 ngày, trước khi rút nước trong 4 ngày và 2 tuần cuối cùng đối với lúa và lúa mì. Kết quả rất rõ ràng: khoảng 75% cây trồng được xử lý bằng ethanol sống sót sau khi tưới nước lại sau hạn hán. Để so sánh, ít hơn 5% thực vật không được điều trị vẫn sống.

Cả thực vật biến đổi gen và áp dụng phương pháp xử lý bằng etanol cho đất trồng chúng đều giúp đảm bảo rằng các khí khổng của thực vật—các lỗ nhỏ trên lá và thân - vẫn đóng lại, giảm thiểu sự mất nước. Nguồn: Micro Discovery / Getty.

Mồi hóa học

Để xác định lý do tại sao lại như vậy, Seki và nhóm của ông đã kiểm tra các thuộc tính vật lý và biểu hiện gen của thực vật thay đổi như thế nào theo thời gian, sử dụng cây mẫu A. thaliana.

“Thực vật được xử lý bằng ethanol, dường như có hai giai đoạn phản ứng với căng thẳng do hạn hán. Trong giai đoạn đầu, các gen liên quan đến khả năng chịu hạn được điều chỉnh tăng cường - ngay cả trước khi tình trạng thiếu nước bắt đầu, giúp cây trồng có khởi đầu thuận lợi để đối phó với điều kiện khô hạn phía trước. Nhiệt độ của lá cũng tăng lên, cho thấy các khí khổng trên bề mặt đang đóng lại. Khí khổng bị thu hẹp hoặc đóng lại giúp giảm tốc độ thoát hơi nước, quá trình mà thực vật lấy nước ở dạng lỏng từ đất và giải phóng nước dưới dạng hơi nước từ lá vào không khí. Giảm thoát hơi nước làm chậm quá trình mất nước. Thật vậy, các cây được xử lý bằng ethanol được quan sát thấy có mức nước trong lá cao hơn sau 11 ngày thiếu nước so với các cây không được xử lý. Tất cả điều này chỉ ra rằng ethanol tạo môi trường tế bào để cây trồng được chuẩn bị tốt hơn để chống chọi với áp lực hạn hán. Trong các giai đoạn sau của hạn hán, các gen gây hạn hán bắt đầu bị điều hòa giảm. Đồng thời, những thứ liên quan đến quang hợp cũng như chuyển hóa đường và tinh bột được đẩy mạnh. Vậy kết quả là gì? Thực vật được xử lý bằng ethanol bắt đầu tích lũy đường, bao gồm một số loại được tạo ra từ lượng ethanol dư thừa, cung cấp thêm năng lượng cho cây trồng để duy trì sự phát triển của chúng.

Seki kết luận: “Chúng tôi thấy rằng việc sử dụng ethanol bên ngoài giúp tăng cường khả năng chịu hạn ở tất cả các loài thực vật được thử nghiệm - Arabidopsis, lúa và lúa mì. Ethanol là nguyên liệu rẻ tiền và dễ tìm thấy trên thị trường, nó giúp tăng năng suất cây trồng ngay cả khi nguồn nước bị hạn chế mà không cần biến đổi gen”.

Tiếp theo, nhóm của ông có kế hoạch kiểm tra các cơ chế phân tử của khả năng chịu đựng căng thẳng qua trung gian ethanol một cách chi tiết hơn, với hy vọng “phát hiện ra những người chơi chưa được khám phá” trong các lộ trình liên quan. Mục đích tổng thể là “Phát triển các loại cây chịu được áp lực bằng cách sử dụng các hợp chất hóa học. Thông qua nghiên cứu về khả năng thích ứng và chống lại căng thẳng, chúng tôi muốn góp phần giải quyết cuộc khủng hoảng lương thực toàn cầu do biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu gây ra giúp đạt được các Mục tiêu Phát triển Bền vững”.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Trung tâm RIKEN.