Nghiên cứu các giải pháp cây trồng chịu mặn giải quyết khủng hoảng thiếu đất canh tác

Vi sinh vật nổi tiếng là những kẻ gây rắc rối. Vô hình với mắt thường, chúng gây ra bệnh dịch, làm hỏng thực phẩm, đe dọa tới mùa màng, cây trồng trong nhà và vườn tược của chúng ta. Từ rất lâu trước khi vi sinh vật được phát hiện, các tác động tiêu cực của chúng tới sức khỏe thực vật đã được ghi nhận bởi những người như học giả người Hy Lạp cổ đại Marcus Terentius Varro. Ông đã cảnh báo việc sống gần các đầm lầy bởi những loài sinh vật vô hình ở đó có thể gây ra bệnh dịch. Năm 1675, Antonie van Leeuwenhoek đã quan sát được vi sinh vật dưới kính hiển vi và cung cấp bằng chứng khoa học xác nhận những nghi ngờ của Varro.

Cây trồng chịu hạn

Tuy nhiên, không phải tất cả vi sinh vật đều mang đến cái chết và dịch bệnh. Các chủng khác nhau của vi khuẩn Lactococci và Streptococci giúp tạo nên hương vị và kết cấu đặc trưng của pho mát. Vi khuẩn Symbiotic rhizobia cư trú tại rễ của các loại cây họ đậu như đậu nành, tạo ra khí ni tơ mà cây trồng cần để phát triển. Ruột của chúng ta cũng chứa hàng nghìn loại vi khuẩn khác nhau giúp chúng ta tiêu hóa thức ăn và chống lại các mầm bệnh.

Ngày càng có nhiều nghiên cứu bắt đầu xem xét hệ vi sinh – cộng đồng vi sinh vật sống tại các môi trường cụ thể – cũng như vai trò của chúng trong sự phát triển và sức khỏe của thực vật, động vật và con người. Gần đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Brigham Young (BYU) đã nghiên cứu cách thức các hệ vi sinh liên kết với một số loại thực vật cụ thể để giúp chúng tồn tại được trên đất mặn. Nghiên cứu này giúp chúng ta tiến một bước gần hơn tới việc canh tác cây trồng tại các vùng đất trước đây cằn cỗi, và từ đó sản xuất đủ thực phẩm để nuôi sống dân số thế giới đang ngày càng phát triển và thịnh vượng.

Vấn đề của đất mặn

Đất mặn (hay đất nhiễm mặn) chứa các loại muối hòa tan gây ức chế sự phát triển của thực vật. Hiện tượng này thường xảy ra khi nước chứa các loại muối hòa tan bốc hơi khỏi đất để lại muối. Đất nhiễm mặn diễn ra một cách tự nhiên khi dòng nước dồn đọng lại tại một lưu vực không có cửa thoát, hoặc thông qua các hoạt động như tưới tiêu, đặc biệt tại các vùng ven biển. Gần đây tại Mỹ cũng đã có một số báo cáo về xâm nhập mặn của nước biển, nơi nước ngầm bị nhiễm mặn do mực nước biển dâng cao.

Ước tính có khoảng 20% đất được tưới tiêu trên toàn cầu bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn, dẫn đến sự sụt giảm về năng suất cây trồng được canh tác trên các vùng đất này. Ví dụ, sau khi so sánh đất bị nhiễm mặn và đất thông thường tại Ấn Độ, các nhà nghiên cứu phát hiện đất nông nghiệp bị nhiễm mặn có thể làm giảm năng suất bông và ngô trung bình lần lượt 63% và 39%. Một số chiến lược đã được đưa ra để đảo ngược tình trạng đất nhiễm mặn, như cải thiện hệ thống thoát nước, giảm thiểu sự bay hơi và rửa lũa muối dưới mức rễ thông qua việc sử dụng nước có độ mặn thấp. Tuy nhiên, những giải pháp này có thể gây tốn kém và không khả thi trong nhiều tình huống.

Thúc đẩy phát triển trên đất nhiễm mặn

May mắn là có một phương án khả thi hơn đã xuất hiện: Đó là cây trồng chịu mặn. Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã cố gắng gây giống để tạo ra các giống với khả năng chịu mặn tốt hơn của những cây trồng thông thường. Và mặc dù đã có một số thành công, như lúa mỳ và gạo, sự tiến triển vẫn diễn ra chậm. Thay vì gây giống để tạo ra tính trạng chịu mặn, nhóm nghiên cứu tại BYU bắt đầu tìm kiếm nhận dạng vi khuẩn từ bầu rễ (khu vực đất bao quanh rễ cây) của các cây ưa mặn mà có thể giúp đạt được mục tiêu tương tự. Cây ưa mặn là các giống cây chịu mặn tự nhiên sinh trưởng tại sa mạc, vùng đầm lầy và dọc khu vực bờ biển. Có lẽ ví dụ nổi tiếng nhất của cây ưa mặn là cây đước: Các cây và bụi cây nhiệt đới sinh trưởng tại một số đầm lầy và ven biển.

Để thực hiện dự án này (đã được đăng tải trên tạp chí Frontiers in Microbiology), nhóm nghiên cứu BYU đã lấy mẫu đất và mô rễ từ ba loại cây ưa mặn có nguồn gốc từ Utah: Salicornia rubra, Sarcocornia utahensis và Allenrolfea occidentalis (các loài thực vật có hoa thuộc họ Dền). Các mẫu thử sau đó được nuôi cấy trên đĩa Petri và tìm thấy 41 phân lập vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu sau đó đã thử nghiệm trên mỗi phân lập vi khuẩn về khả năng chịu mặn, và phát hiện rằng có một số phân lập có thể chịu phơi nhiễm với muối ở mức độ thường thấy trong đại dương.

Một đánh giá từ năm 2018 (cũng đã được đăng trên tạp chí Frontiers in Microbiology) giải thích cây ưa mặn có thể sống sót trong điều kiện khắc nghiệt bởi chúng có các cơ chế nội tại giúp chống chịu được sự phơi nhiễm muối cao, đồng thời đã tiến hóa để tận dụng được các lợi ích mang lại bởi vi sinh vật sống trong và xung quanh rễ của chúng. Tính chất của mối quan hệ này thay đổi tùy thuộc loại vi sinh vật và bản thân loài thực vật. Trong một số trường hợp, các vi sinh vật giảm thiểu sự hấp thu muối của thực vật bằng cách giải phóng exopolysaccharide (các phân tử polysaccharide trọng lượng phân tử cao) giúp liên kết các ion muối. Trong một số trường hợp khác, các vi sinh vật có thể giúp thực vật kích thích sản xuất ra các chất chống ôxi hóa và do đó giảm thiểu hậu quả từ độc tố của muối.

Nhiều loại rhizobia (vi khuẩn đốt rễ) thúc đẩy tăng trưởng giúp đỡ thực vật liên kết của chúng bằng cách sản sinh ra nội tiết tố thực vật, các enzym phá vỡ hormone ethylen gây stress trên thực vật và (hoặc) làm tăng sự hiện diện của các khoáng chất như phốt pho và sắt. Nói cách khác, các vi sinh vật giúp cải thiện dinh dưỡng thực vật và sản xuất các hợp chất thúc đẩy sự tăng trưởng đồng thời giúp phá vỡ các tác nhân gây ức chế tăng trưởng.

Lấy lại những gì đã mất

Sử dụng vi sinh vật để tăng khả năng chịu mặn của cây trồng có thể giúp chúng ta lấy lại những khu vực đất không còn phù hợp cho nông nghiệp. Với dân số thế giới được dự đoán sẽ đạt 9.8 tỷ người vào năm 2050, mỗi inch đất có thể canh tác đều cần thiết để sản xuất đủ lương thực nuôi sống con người – và chúng ta đã canh tác một nửa số đất có thể trồng trọt trên hành tinh này. Mặc dù hành động tốt nhất sẽ là đảo ngược những thiệt hại gây ra cho đất, trong một số trường hợp điều này có thể không khả thi. Việc phát minh ra các cách thức mới để tận dụng được đất nhiễm mặn có thể là lựa chọn hứa hẹn nhất cho chúng ta.