Tiến sĩ Eduardo Blumwald (bên phải) và Tiến sĩ Akhilesh Yadav cùng các thành viên khác trong nhóm nghiên cứu của họ tại Đại học California, Davis, đã cải tiến giống lúa để khuyến khích vi khuẩn trong đất sản sinh ra nhiều nitơ hơn mà cây trồng có thể sử dụng. [Trina Kleist/UC Davis]
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ CRISPR để biến đổi gen cây lúa nhằm khuyến khích vi khuẩn trong đất cố định nitơ cần thiết cho sự phát triển của cây. Phát hiện này có thể làm giảm lượng phân bón nitơ cần thiết cho cây trồng, giúp nông dân Mỹ tiết kiệm hàng tỷ đô la mỗi năm và mang lại lợi ích cho môi trường bằng cách giảm ô nhiễm nitơ.
“Thực vật là những nhà máy hóa học đáng kinh ngạc,” Tiến sĩ Eduardo Blumwald, giáo sư danh dự về khoa học thực vật tại Đại học California, Davis, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết. Nhóm của ông đã sử dụng CRISPR để tăng cường quá trình phân giải apigenin trong cây lúa. Họ phát hiện ra rằng apigenin và các hợp chất khác gây ra quá trình cố định nitơ của vi khuẩn.
Công trình nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Plant Biotechnology (“Biến đổi gen quá trình sinh tổng hợp flavonoid ở lúa giúp tăng cường sự hình thành màng sinh học và quá trình cố định nitơ sinh học bởi vi khuẩn cố định nitơ trong đất”).
Nitơ rất cần thiết cho sự phát triển của cây trồng, nhưng cây trồng không thể trực tiếp chuyển hóa nitơ từ không khí thành dạng có thể sử dụng được. Thay vào đó, cây trồng dựa vào việc hấp thụ nitơ vô cơ, chẳng hạn như amoniac, được tạo ra bởi vi khuẩn trong đất. Sản xuất nông nghiệp dựa trên việc sử dụng phân bón chứa nitơ để tăng năng suất cây trồng.
“Nếu thực vật có thể sản sinh ra các chất hóa học cho phép vi khuẩn trong đất cố định nitơ trong khí quyển, chúng ta có thể thiết kế giống cây trồng để chúng sản sinh ra nhiều chất hóa học này hơn,” ông nói. “Những chất hóa học này khuyến khích vi khuẩn trong đất cố định nitơ và cây trồng sử dụng amoni được tạo ra, do đó làm giảm nhu cầu sử dụng phân bón hóa học.”
Nhóm của Broomwald đã sử dụng phân tích hóa học và hệ gen học để xác định các hợp chất trong cây lúa – apigenin và các flavonoid khác – giúp tăng cường hoạt động cố định đạm của vi khuẩn.
Sau đó, họ xác định các con đường sản xuất hóa chất và sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR để tăng cường sản xuất các hợp chất kích thích sự hình thành màng sinh học. Các màng sinh học này chứa vi khuẩn giúp tăng cường quá trình chuyển hóa nitơ. Kết quả là, hoạt động cố định nitơ của vi khuẩn tăng lên và lượng amoni có sẵn cho cây trồng cũng tăng lên.
“Các giống lúa cải tiến cho năng suất hạt tăng lên khi được trồng trong điều kiện đất thiếu nitơ,” các nhà nghiên cứu viết trong bài báo. “Kết quả của chúng tôi ủng hộ việc điều chỉnh con đường sinh tổng hợp flavonoid như một cách để thúc đẩy quá trình cố định nitơ sinh học trong hạt và giảm hàm lượng nitơ vô cơ. Sử dụng phân bón. Chiến lược thực tế.”
Các loại cây khác cũng có thể sử dụng con đường này. Đại học California đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ này và hiện đang chờ xét duyệt. Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Will W. Lester. Ngoài ra, Bayer CropScience cũng hỗ trợ các nghiên cứu sâu hơn về chủ đề này.
“Phân bón nitơ rất, rất đắt tiền,” Blumwald nói. “Bất cứ điều gì có thể loại bỏ những chi phí đó đều quan trọng. Một mặt, đó là vấn đề tiền bạc, nhưng nitơ cũng có tác hại đến môi trường.”
Phần lớn phân bón được sử dụng đều bị thất thoát, ngấm vào đất và nước ngầm. Phát hiện của Blumwald có thể giúp bảo vệ môi trường bằng cách giảm ô nhiễm nitơ. Ông nói: “Điều này có thể cung cấp một phương pháp canh tác thay thế bền vững, giúp giảm việc sử dụng phân bón nitơ dư thừa”.