Phát hiện mới ở rễ có thể giúp cây trồng giảm nhu cầu phân bón

Những cây đậu đỗ có khả năng hạn chế phát triển rễ thứ cấp để thúc đẩy sự phát triển của rễ chính làm tăng khả năng hút phốt pho trong đất. Theo các nhà nghiên cứu bang Penn, những phát hiện gần đây của họ có ý nghĩa đối với các nhà tạo giống cây trồng và giúp cải thiện năng suất cây trồng ở những vùng đất nghèo dinh dưỡng. Sự gia tăng độ dài của rễ được gọi là sự phát triển sơ cấp, trong khi tăng trưởng thứ cấp là sự gia tăng độ dày hoặc chu vi của rễ. Vì sự phát triển của rễ làm tăng hao phí chuyển hóa của cây trồng, cây đậu phát triển trong đất thiếu phốt pho tạo ra các rễ dài hơn, mỏng hơn tăng khả năng tìm được nhiều phốt pho trong đất.

Trưởng nhóm nghiên cứu Christopher Strock, nghiên cứu sinh ngành sinh vật học thuộc Trường Cao đẳng Khoa học Nông nghiệp cho rằng "Đó là một chiến lược tự nhiên của cây trồng để vượt qua stress phốt pho. Điều này rất quan trọng vì hầu hết các loại đất trên thế giới đều thiếu phốt pho và những đặc điểm này của rễ cải thiện việc hấp thu phốt pho không chỉ có thể giúp nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón cho nông dân ở Mỹ mà còn mang lại lợi ích cho nông dân ở các nước đang phát triển không có điều kiện bón phân lân".

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng cây đậu cô ve làm mẫu cho nghiên cứu này vì đây là một trong những cây trồng cơ bản nhất đóng góp cho an ninh lương thực, với lượng lớn con người tiêu thụ trực tiếp hơn bất kỳ loại hạt nào khác. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các nước đang phát triển ở vùng châu Phi hạ Sahara và Trung và Nam Mỹ, nơi mà người dân không có sự tiếp cận rộng với protein động vật. Ở những vùng này, đậu là nguồn cung cấp protein và dinh dưỡng chính. Mặc dù là cây trồng quan trọng, sản lượng đậu cô ve trên thế giới bị hạn chế bởi các loại đất có tính axit và cạn kiệt phốt pho, một trong những chất dinh dưỡng chính cần cho sự phát triển của cây.

Strock cho biết: "Nếu chúng ta có thể xác định các đặc tính của rễ, cải thiện hiệu quả tìm kiếm hấp thu, chúng ta có thể phát triển các giống mới có khả năng hấp thu phốt pho cao hơn và cải thiện năng suất trong những môi trường thiếu hụt phốt pho này.

Để thực hiện nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật lập mô hình máy tính và phát triển các dòng tái tổng hợp tái tổ hợp của cây đậu cô ve để hiểu cách thức cây trồng phân bổ nguồn tài nguyên cho sự phát triển của rễ sơ cấp và thứ cấp dưới áp lực phốt pho. Cây trồng được trồng trong cả điều kiện nhà kính - tại khuôn viên Đại học Penn State - và trong các ruộng trồng chọn lọc tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Russell E. Larson thuộc Rock Springs.

Thông thường, đất ở Pennsylvania có chứa quá nhiều phốt pho để cho phép thực hiện các thí nghiệm thực địa về stress phốt pho, nhưng giáo sư Đại học Distinguished Professor của Khoa học thực vật Jonathan Lynch đã phát triển một kỹ thuật để tạo ra những ô thí nghiệm sao chép các điều kiện cạn kiệt phốt pho của đất oxisol nhiệt đới tại cơ sở Larson. Điều này đã được thực hiện bằng cách bón thêm các viên nhôm oxit vào đất để liên kết phốt pho trong đất, tạo sự thiếu hụt phốt pho cho cây.

Một kỹ thuật khác cho phòng thí nghiệm Lynch là sử dụng chụp cắt lớp laser để cắt và đo giải phẫu rễ. Kỹ thuật tân tiến này, được phát minh bởi phòng thí nghiệm Lynch, không chỉ giúp quan sát, giải phẩu rễ chính xác hơn mà còn giúp các nhà nghiên cứu tăng khả năng nhanh chóng lấy hàng trăm mẫu rễ mỗi ngày – rất nhanh so với thời gian sử dụng phương pháp truyền thống.

Sự khác biệt trong tăng trưởng cây đậu đã được các nhà nghiên cứu quan sát thấy rất ấn tượng. Trong nghiệm thức stress phốt pho, các kiểu gen giảm phát triển lượng rễ thứ cấp thì có chiều dài rễ tăng lên, lấy nhiều photpho hơn, và có những chồi lớn hơn các kiểu gen có tăng lượng rễ thứ cấp. Strock cho biết: "Tất cả các kiểu gen chúng tôi đã xem xét đều có hạn chế sự phát triển của rễ thứ cấp dưới áp lực phốt pho, nhưng một số cây cho thấy phản ứng này mạnh mẽ hơn nhiều so với những cây khác. Và những cây này có biểu hiện tốt hơn dưới áp lực phốt pho vì chúng có thể tập trung các nguồn lực mà thay vì sẽ được đưa vào tăng trưởng rễ thứ cấp thì chúng tăng chiều dài của rễ để tăng khả năng hấp thu phốt ph".

Lynch gợi ý rằng nhóm nghiên cứu của ông hợp tác trực tiếp với các nhà tạo giống cây trồng tại Sở Nông nghiệp Hoa Kỳ và các trung tâm nông nghiệp ở Columbia, Honduras, Mozambique, Zambia và Malawi. Các nhà nhân giống hiện đang kết hợp các phát hiện khác từ phòng thí nghiệm của mình và phát triển một số giống đậu mới với những đặc tính rễ cải tiến để hấp thu được phốt pho cho nông dân ở Mozambique và Zambia.

"Mục tiêu của chúng tôi trong phòng thí nghiệm này là xác định những đặc điểm như sự giảm phát triển rễ thứ cấp mà chúng ta có thể truyền cho các nhà lai tạo để họ có thể kết hợp chúng vào các chương trình nhân giống của họ", Lynch nói. "Sự hợp tác với các nhà tạo giống, có thể phát triển các giống đậu cô ve có khả năng giảm sự phát triển của rễ thứ cấp và do đó chúng sẽ cho sản lượng tốt hơn ở những vùng đất nghèo dình dưỡng, điều này sẽ đem lại lợi ích to lớn cho người nông dân dựa vào đậu để tìm kiếm lương thực và thu nhập"