Khai thác đồng hồ sinh học của cây trồng để sản xuất bền vững hơn

Các nhà khoa học thực vật cho biết, các gen đồng hồ sinh học cho phép cây trồng có thể “đo lường” được nhiều thông số quan trọng mà con người chưa khai thác hết.

Nhà khoa học Tsutomu Ishimaru kiểm tra cây lúa mang gen SPIKE. Ảnh: AFP

"Mở cánh cửa mới" của cây trồng 

Theo đó con người nên nắm bắt được khả năng này để nhắm tới các mục tiêu trong nông nghiệp cũng như nhân giống cây trồng để có năng suất cao hơn và canh tác bền vững hơn. Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Science.

Alex Webb, Chủ nhiệm bộ phận nghiên cứu Tín hiệu tế bào tại khoa Khoa học Thực vật thuộc Đại học Cambridge cho biết: “Giống như con người, thực vật có một 'đồng hồ bên trong' để theo dõi nhịp điệu của môi trường sống”.

Ông Webb và các cộng sự của một nghiên cứu vừa được công bố nói rằng, cơ sở di truyền của hệ thống sinh học này đã được hiểu rõ và có những công cụ di truyền được cải tiến để chỉnh sửa nó, và chiếc đồng hồ này nên được khai thác trong nông nghiệp - một quá trình mà họ mô tả là “thời gian sinh học” - để góp phần vào an ninh lương thực toàn cầu.

Giáo sư Alex Webb nói: "Chúng ta đang sống trên một hành tinh đang quay và điều đó có tác động rất lớn đến hệ sinh học của chúng ta cũng như sinh học của thực vật. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng thực vật phát triển tốt hơn nhiều khi chiếc đồng hồ sinh học bên trong của chúng phù hợp với môi trường mà chúng phát triển".

Biểu đồ mô tả sự khác nhau trong quá trình sinh trưởng của cây trồng giữa ngày và đêm.Đồ họa: Science 

Theo các nhà khoa học, cách tiếp cận đơn giản và dễ dàng nhất sẽ là sử dụng kiến ​​thức về đồng hồ sinh học bên trong của cây trồng để áp dụng trong các khâu nước, thuốc diệt cỏ hoặc thuốc trừ sâu vào thời điểm hiệu quả nhất trong ngày hoặc đêm.

Theo đó, đồng hồ sinh học của thực vật đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nhiều chức năng ảnh hưởng đến năng suất cây trồng bao gồm: Thời điểm ra hoa, sự quang hợp và nhu cầu tiêu thụ nước… Các gen kiểm soát nhịp sinh học ở tất cả các loại cây trồng chính đều khá giống nhau - khiến cho chúng trở thành mục tiêu tiềm năng cho các nhà chọn tạo giống cây trồng muốn kiểm soát được nhiều hơn từ các chức năng này.

Ngoài ra, phương pháp canh tác theo thời gian thực cũng có thể được áp dụng bằng cách điều chỉnh các hoạt động trồng trọt theo thời gian tối ưu trong ngày, để giảm thiểu các nguồn lực cần thiết.

Đặc biệt là khi tích hợp với các công nghệ sản xuất mới chi phí thấp như máy bay không người lái và cảm biến, sẽ giúp chúng ta thu thập thông tin liên tục về sự phát triển và sức khỏe của cây trồng. Sau đó, nông dân có thể nhận được những lời khuyên về thời điểm tốt nhất để áp dụng các biện pháp xử lý cho từng loại cây trồng cụ thể, trong từng điều kiện một cách chính xác cả về vị trí lẫn điều kiện thời tiết.

Khả ăng ứng dụng thực tế cao

"Chúng tôi nhận thấy điều này từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm về việc tưới cây hoặc sử dụng thuốc trừ sâu có thể hiệu quả hơn vào những thời điểm nhất định trong ngày. Điều đó có nghĩa là nông dân có thể sử dụng ít hơn những nguồn tài nguyên này. Đây là một bước tiến mới, có thể tiết kiệm được chi phí sản xuất và góp phần vào sự phát triển bền vững trong nông nghiệp, đặc biệt là mục tiêu sử dụng nước hiệu quả hơn", ông Webb nói.

Các nhà nghiên cứu nói rằng, trong quá trình chọn lựa những cây trồng có những đặc điểm cụ thể như cho ra hoa nghịch vụ hoặc muộn để có năng suất cao hơn, các nhà lai tạo cây trồng đã vô tình chọn ra những loại cây có đồng hồ bên trong phù hợp nhất. Sự hiểu biết mới về các gen liên quan đến đồng hồ sinh học có thể làm cho phương pháp sản xuất hướng đến nhiều mục tiêu và hiệu quả hơn.

Nhóm tác giả nghiên cứu cũng cho rằng, phương pháp “canh tác thẳng đứng” trong nhà cũng có thể được cải thiện bằng cách sử dụng điều này bởi hầu hết các loại rau xanh hiện nay đều phát triển cây trồng trong điều kiện ánh sáng và nhiệt độ được kiểm soát cao nhưng cũng có thể rất tốn năng lượng. Với những kiến ​​thức mới về đồng hồ bên trong của thực vật và khả năng thay đổi nó thông qua chỉnh sửa gen, các chu kỳ chiếu sáng và sưởi ấm có thể phù hợp với cây trồng để sự tăng trưởng đạt hiệu quả cao.

Ông Webb cho biết: "Trong canh tác thẳng đứng, phương pháp canh thời gian có thể giúp kiểm soát toàn bộ mùa vụ. Chúng tôi có thể lai tạo các loại cây trồng cụ thể với đồng hồ bên trong phù hợp để trồng trong nhà và tối ưu hóa chu kỳ ánh sáng và nhiệt độ cho chúng".

Một ứng dụng tiềm năng thứ ba của canh tác canh thời gian là sau thu hoạch, khi cây trồng từ từ yếu đi và tiếp tục bị sâu bệnh. “Phản ứng của thực vật đối với sâu bệnh được tối ưu hóa- chúng có khả năng chống lại sâu bệnh tốt nhất vào thời điểm trong ngày mà sâu bệnh hoạt động. Vì vậy, chỉ cần một ánh sáng đơn giản trong chiếc xe tải lạnh bật và tắt để bắt chước chu kỳ ngày/đêm sẽ kích hoạt đồng hồ bên trong của thực vật để giúp cải thiện khả năng tươi lâu và sụt giảm chất lượng", giáo sư Webb cho biết.

Các nhà khoa học tin tưởng rằng, phương pháp này có thể là một phần của giải pháp để nuôi sống dân số ngày càng tăng của nhân loại một cách bền vững hơn do dân số toàn cầu dự kiến ​​gia tăng và sự thay đổi trong chế độ ăn uống khi thu nhập tăng lên.

Được biết một ý tưởng tương tự hiện đang được áp dụng trong y học cho con người khi nhận ra rằng, các loại thuốc sẽ có hiệu quả hơn khi được dùng vào một thời điểm cụ thể trong ngày.