Nông nghiệp đang đối mặt với một trong những thách thức lớn nhất trong lịch sử.Để sản xuất đủ lương thực cho dân số sẽ đạt gần 9.700 tỷ người chỉ trong vài thập kỷ nữa, trên một hành tinh ấm hơn, khô hơn với các hiện tượng thời tiết ngày càng khắc nghiệt. Trong bối cảnh này, Cà chua chịu mặn Chúng không còn là hiện tượng khoa học kỳ thú mà trở thành nhu cầu thiết yếu ở nhiều vùng nông nghiệp trên thế giới.
Đồng thời Công nghệ sinh học thực vật, cải tiến di truyền cổ điển và sử dụng vi sinh vật có lợi. Họ đang phát triển một loạt các giải pháp để đảm bảo các loại cây trồng quan trọng như cà chua, ngũ cốc và các loại rau họ cải vẫn có lợi nhuận trong đất có độ mặn cao và thiếu nước. Các phòng thí nghiệm ở Tây Ban Nha, Chile và các trung tâm quốc tế đã và đang nghiên cứu cà chua dại, gốc ghép, vi khuẩn vùng rễ và protein bảo vệ để "bảo vệ" cây trồng khỏi những tác động bất lợi từ môi trường.
Vì sao độ mặn trở thành một vấn đề cấp bách
Sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu, tình trạng hạn hán ngày càng nghiêm trọng và việc tiếp tục sử dụng nước tưới có hàm lượng muối cao. Chúng đang gây ra sự gia tăng độ mặn trong nhiều loại đất nông nghiệp. Hiện tượng này đã được ghi nhận rõ rệt nhất ở các vùng khô hạn và bán khô hạn, chẳng hạn như miền trung và bắc Chile, nhưng nó cũng ảnh hưởng đến các khu vực Địa Trung Hải của Tây Ban Nha và các nơi khác trên thế giới, nơi nguồn nước ngày càng khan hiếm và chất lượng ngày càng kém.
Độ mặn của đất là một trong những tác nhân gây hại phi sinh học nghiêm trọng nhất đối với năng suất nông nghiệp.Ở các loại cây trồng như cà chua, khi nồng độ muối tăng cao, các quá trình quan trọng bị gián đoạn: sự nảy mầm của hạt, sức sống của cây con, sự phát triển thân lá, ra hoa và hình thành quả. Tất cả những điều này dẫn đến năng suất thấp hơn trên mỗi hecta và chất lượng thương mại của cà chua giảm sút.
Ví dụ, tại Chile, người ta ước tính có khoảng... 1.500 hecta bị ảnh hưởng bởi vấn đề nhiễm mặn nghiêm trọng và hàm lượng cacbonat cao.đặc biệt là ở các vùng khí hậu khô hạn, nơi việc tưới tiêu được thực hiện bằng nước mặn và các ứng dụng khác. phân bón được sử dụng không đúng cáchThung lũng Lluta là một trường hợp điển hình: tại đó, người ta đã đo được độ dẫn điện lên tới 11,5 dS/m trong các vườn cà chua, những giá trị mà bất kỳ tài liệu hướng dẫn nào cũng coi là cực đoan đối với một loại cây trồng làm vườn.
Tác động của muối đối với thực vật không chỉ dừng lại ở việc "làm cháy" rễ hoặc lá.Lượng natri và các ion khác dư thừa làm rối loạn cân bằng nước và gây ra stress thẩm thấu, đồng thời tạo ra stress oxy hóa mạnh mẽ trong tế bào thực vật. Do đó, cây phản ứng bằng cách kích hoạt các cơ chế phòng vệ, điều chỉnh quá trình thoát hơi nước, thay đổi sự phát triển của rễ và tái cấu trúc lượng dự trữ các ion như natri và kali.
Đối mặt với tình hình này, Việc tìm kiếm các giống cà chua có thể phát triển tốt trong đất mặn không phải là một thử nghiệm ngẫu nhiên trong phòng thí nghiệm.mà đúng hơn là cam kết tiếp tục canh tác trên những vùng đất hiện đang ở giới hạn hoặc bị loại trừ hoàn toàn khỏi diện tích canh tác thâm canh.
Nghiên cứu tại Tây Ban Nha: protein kháng bệnh và cà chua biến đổi gen
Tại Tây Ban Nha, một trong những tổ chức hàng đầu trong lĩnh vực này là... Trung tâm Công nghệ Sinh học và Hệ gen Thực vật (CBGP)Nơi đây có một nhóm lớn các nhà nghiên cứu nghiên cứu về cách thực vật phát triển, cách chúng tương tác với vi sinh vật và cách chúng thích nghi với biến đổi khí hậu và các điều kiện môi trường bất lợi.
Mục tiêu của CBGP là phát triển các giải pháp công nghệ sinh học nhằm giải quyết các vấn đề có tác động xã hội đáng kể.Giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu đến nông nghiệp, tạo ra các loại cây trồng có giá trị dinh dưỡng cao hơn, tăng sinh khối sẵn có cho thực phẩm và năng lượng, và tất nhiên, thu được các loại cây trồng có khả năng chịu hạn, chịu mặn và chịu nắng nóng tốt hơn.
Các phòng thí nghiệm của họ nghiên cứu cách thực vật cảm nhận và thích nghi. Nhiệt độ tăng cao, thời kỳ hạn hán kéo dài và đất có nồng độ muối cao.Từ đó, các cơ chế phân tử và protein phòng vệ cho phép một số loại thực vật chống chịu tốt hơn với các tác động môi trường được xác định. Sau khi phát hiện, các nhà khoa học tiến hành các thí nghiệm "chứng minh khái niệm" bằng cách tạo ra các cây chuyển gen tích lũy các protein này hoặc kích hoạt các cơ chế này một cách mạnh mẽ hơn.
Kết quả nổi bật nhất cho đến nay là việc phát triển giống cà chua có khả năng chịu mặn.Những cây trồng thử nghiệm này, mà bằng sáng chế châu Âu đã được nộp đơn xin cấp, không chỉ sống sót trong môi trường mặn mà còn duy trì năng suất và sự phát triển thực vật ở mức chấp nhận được, điều mà các giống cà chua khác không thể làm được.
Các nhà nghiên cứu của CBGP tin chắc rằng Công nghệ tương tự có thể được áp dụng cho các loại cây trồng khác nhạy cảm với muối hơn cà chua.Ví dụ như đậu Hà Lan, đậu, ngô, dâu tây hoặc các loại rau họ cải (bắp cải, bông cải xanh…). Những loại rau này rất cần thiết trong chế độ ăn hàng ngày và việc giảm năng suất do nhiễm mặn sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với an ninh lương thực, do đó việc thích nghi với điều kiện canh tác đối với chúng cũng rất được quan tâm.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu các protein bảo vệ không hề đơn giản từ góc độ an toàn thực phẩm.Nhiều loại protein này thuộc các họ cũng chứa các protein gây dị ứng. Do đó, trong chính CBGP, có một nhóm chuyên trách về chất gây dị ứng, nhóm này phân tích tỉ mỉ các đặc điểm khiến một loại protein trở nên gây dị ứng và đánh giá xem các biến thể mới có gây rủi ro cho người tiêu dùng hay không.
Mục tiêu là để đảm bảo rằng bất kỳ giải pháp công nghệ sinh học nào, dù hứa hẹn đến đâu về khả năng chống chịu stress, đều không hiệu quả.Nó phải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và không gây ra dị ứng thực phẩm mới. Phần này, ít hào nhoáng hơn so với việc tạo ra các giống cây trồng biến đổi gen "siêu sao", lại là yếu tố then chốt để những tiến bộ này có thể được ứng dụng thực tiễn và đưa ra thị trường.
Nhà kính công nghệ cao và phân tích kiểu hình kỹ thuật số
Để phát triển các dự án này, CBGP không chỉ có các phòng thí nghiệm sinh học phân tử và di truyền học, mà còn có Cơ sở vật chất hiện đại để trồng cây trong điều kiện được kiểm soát chặt chẽ.Họ có khoảng 1.900 m2 diện tích được cải tạo để thử nghiệm cây trồng, bao gồm một nhà kính rộng 1.200 m2 được trang bị hệ thống điều khiển khí hậu và chiếu sáng chuyên dụng.
Bên trong những nhà kính này, một cơ sở hạ tầng định hình kiểu hình kỹ thuật số tự độngHai mô-đun loại P2 (mức độ kiểm soát khí hậu) được trang bị hệ thống điều khiển nhiệt độ hoàn chỉnh có thể điều chỉnh nhiệt độ trong phạm vi từ 10 đến 45°C, mô phỏng mọi điều kiện từ đêm lạnh đến những đợt nắng nóng gay gắt. Bên trong các mô-đun này, một hệ thống robot tự động ghi lại sự phát triển của cây, lượng nước tiêu thụ, tình trạng hydrat hóa và mức độ nghiêm trọng của các triệu chứng căng thẳng.
Nhờ các công cụ phân tích kiểu hình tốc độ cao này, các nhà nghiên cứu có thể đo lường chính xác phản ứng của từng cây. do độ mặn, hạn hán hoặc nhiệt độ cực cao. Vấn đề không chỉ là quan sát bằng mắt thường xem cây có héo hay không, mà còn cần có dữ liệu liên tục và có thể so sánh được từ hàng chục hoặc hàng trăm kiểu gen cùng một lúc.
Một yếu tố quan trọng khác của các cơ sở này là Rhizotron, cấu trúc có các tấm trong suốt cho phép quan sát hệ rễ. mà không cần phải nhổ cả cây. Họ nghiên cứu độ dày, độ sâu và sự phân nhánh của rễ, cũng như ảnh hưởng của các mức độ muối hoặc sản phẩm sinh học khác nhau đến sự phát triển của chúng.
Một khía cạnh thú vị là Quyền truy cập vào các nền tảng này không chỉ giới hạn riêng cho các đội CBGP.Họ cũng sẵn sàng tiếp nhận các dự án từ các tổ chức công và tư nhân khác quan tâm đến việc giải quyết những thách thức lớn của nền nông nghiệp tương lai. Điều này thúc đẩy sự hợp tác và đẩy nhanh quá trình chuyển giao kiến thức từ giới học thuật sang lĩnh vực sản xuất.
Các loại ngũ cốc “hấp thụ” nitơ: ít phân bón hơn, bền vững hơn.
Bên cạnh độ mặn, một vấn đề khác cần quan tâm trong CBGP là... giảm thiểu việc sử dụng phân bón nitơ trong nông nghiệp thâm canhMặc dù các loại phân bón này đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được năng suất cao cho các loại ngũ cốc như lúa, lúa mì hoặc ngô, nhưng tác động của chúng đến môi trường là rất lớn: gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và sông ngòi, làm suy thoái đất và phát thải khí nhà kính trong quá trình sản xuất và sử dụng.
Nhà nghiên cứu Luis Rubio đang dẫn đầu một dự án, được Quỹ Gates tài trợ, nhằm mục đích... để thu được các loại ngũ cốc có khả năng trực tiếp sử dụng nitơ từ không khí.Đây là điều mà cho đến nay chỉ một số vi khuẩn mới có thể thực hiện được nhờ enzyme nitrogenase. Thực vật không có enzyme này một cách tự nhiên, vì vậy chúng phụ thuộc vào các nguồn nitơ có sẵn trong đất, phần lớn trong số đó đến từ phân bón hóa học.
Công trình này sử dụng vi khuẩn cố định đạm làm Azotobacter cây nho (Thường liên quan đến hệ vi sinh vật đất và được biết đến trong lĩnh vực công nghệ sinh học) như một mô hình để chuyển các gen chịu trách nhiệm cố định nitơ sang cây ngũ cốc. Mục tiêu cuối cùng là để các loại cây trồng này có thể, theo một cách nào đó, "hít thở" nitơ trong khí quyển và chuyển hóa nó để phát triển.
Nếu hướng nghiên cứu này thành công, nó sẽ mở ra cánh cửa cho một nền nông nghiệp bền vững hơn nhiều.Điều này sẽ làm giảm đáng kể việc sử dụng phân bón hóa học và lượng khí thải carbon của chúng. Hơn nữa, nó sẽ giúp phục hồi đất bị thoái hóa và giảm thiểu ô nhiễm hệ sinh thái thủy sinh, đặc biệt là ở những vùng mà các loại phân bón này đã bị lạm dụng trong nhiều thập kỷ.
Tuy nhiên, chính nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận rằng Đây là một mục tiêu vô cùng tham vọng, đòi hỏi hàng thập kỷ làm việc.Phát triển các loại ngũ cốc tự thụ phấn như lúa, lúa mì hoặc ngô là một trong những khát vọng lớn của công nghệ sinh học hiện đại, đồng thời cũng là một thách thức công nghệ hàng đầu đòi hỏi sự tích hợp giữa di truyền học, sinh lý thực vật, sinh thái vi sinh vật và các yếu tố an toàn môi trường.
Chile: gốc ghép, công thức chống oxy hóa và vi khuẩn vùng rễ
Tại Chile, một số nhóm nghiên cứu đang giải quyết vấn đề độ mặn bằng các phương pháp bổ sung. Một trong những dự án tiên tiến nhất là dự án đang được thúc đẩy bởi Nhóm nghiên cứu Sinh lý thực vật và Sinh học phân tử thuộc INIA La Cruz, tại vùng Valparaíso, cùng với các trường đại học trong nước và quốc tế.
Một mặt, dự án FONDECYT (1180958) đã được khởi động, tập trung vào... sự phát triển của các gốc ghép cà chua chịu mặnĐiều này đạt được thông qua sự lai tạo giữa cà chua trồng trọt (Solanum lycopersicum) và cà chua dại Solanum chilense, một loài địa phương thích nghi với môi trường mặn. Ý tưởng không phải là thay đổi các giống cây ăn quả thương mại, mà là cải thiện "gốc ghép", tức là phần rễ mà phần trên của cây được ghép vào.
Các gốc ghép 100% từ Chile này sẽ cho năng suất và chất lượng trái cây chấp nhận được ngay cả trong đất có nồng độ muối cao.Giữ nguyên các đặc tính thương mại của giống cà chua đã có mặt trên thị trường. Theo Tiến sĩ Juan Pablo Martínez, các giống thu được thể hiện cơ chế chịu đựng thú vị đối với stress mặn, mở ra triển vọng mở rộng diện tích canh tác.
Công trình này được thực hiện với sự hợp tác của các nhóm nghiên cứu từ Đại học Austral của Chile và Đại học Công giáo Louvain (Bỉ), với mục đích nhằm thúc đẩy giao lưu khoa học và hợp tác quốc tế.Theo chính lời ông Martínez, đây là một ví dụ rõ ràng về cách nông học ứng dụng có thể giải quyết các vấn đề thực tế của vùng mà không từ bỏ nghiên cứu cấp cao.
Song song đó, trong khuôn khổ dự án Vòng nghiên cứu Khoa học và Công nghệ “PASSA” (ACT 192073), một liên minh gồm INIA La Cruz, Đại học Chile và Đại học Arturo Prat đang thực hiện các nghiên cứu sau: Phát triển các công thức nhằm tăng khả năng chịu đựng của cà chua đối với tình trạng thiếu nước và nhiễm mặn.Mục tiêu là tiết kiệm nước và duy trì sản xuất bền vững ở những khu vực bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây hại phi sinh học này.
Một trong những công thức này, thường được gọi là "chất điều biến sinh học", kết hợp Các hợp chất tự nhiên có khả năng chống oxy hóa mạnh, chẳng hạn như axit lipoic và một số carotenoid.Cùng với các phân tử hóa học khác đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn trong các thử nghiệm trước đó tại Đại học Chile. Khi được phun lên lá, sản phẩm này nhằm mục đích giảm thiểu căng thẳng oxy hóa do hạn hán và độ mặn gây ra trong tế bào thực vật.
Công thức còn lại dựa trên Vi khuẩn vùng rễ được phân lập từ thực vật sinh trưởng ở sa mạc Atacama.Một môi trường cực kỳ khô hạn và mặn. Các nghiên cứu từ Đại học Arturo Prat đã chỉ ra rằng những vi khuẩn này mang lại khả năng chống chịu mặn cho các loài thực vật mà chúng cộng sinh, cho phép chúng phát triển mạnh trong điều kiện mà hầu hết các loài cây trồng khác không thể sống được.
Ngoài ra, INIA La Cruz đang hợp tác với Các chất kích thích sinh trưởng thực vật (PGPR) thu được từ Ngân hàng Vi sinh vật của họ.Trong các thử nghiệm nhà kính, người ta nhận thấy rằng việc bón các vi khuẩn vùng rễ này cho cây cà chua bị nhiễm mặn giúp cải thiện đáng kể sự sinh trưởng và sức sống của cây.
Một số liên minh đang được thử nghiệm: một liên minh được thành lập bởi các chủng Pseudomonas có nguồn gốc từ môi trường mặn ở phía bắc, được nhóm nghiên cứu của Giáo sư Ricardo Tejos tại Đại học Arturo Prat lựa chọn, và một nhóm khác gồm nhiều chủng khác nhau của chi này. StaphylococcusNgoài ra, còn có một chủng loại Trực khuẩn amyloliquefaciensĐược Ngân hàng Tài nguyên Di truyền Vi sinh vật của INIA Quilamapu xác định là có khả năng chịu mặn.
Trên thực tế, các chất kích thích tăng trưởng dựa trên vi khuẩn Bacillus là những sản phẩm sinh học được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Nhờ tính an toàn đối với con người và hiệu quả trong việc kiểm soát nhiều loại sâu bệnh, tùy thuộc vào chủng loại được sử dụng, chúng được ước tính chiếm khoảng 90% thị trường toàn cầu về các tác nhân kiểm soát sinh học.
Các cuộc thử nghiệm ngoài đồng và trong nhà kính đang được tiến hành ở Chile trên hai loại cà chua: một giống lai thương mại không xác định và một giống địa phương có tên là Poncho NegroĐiển hình cho thung lũng Yuta và khu vực Azapa, thuộc vùng Arica và Parinacota. Trong tất cả các trường hợp, cây đối chứng được so sánh với những cây khác tiếp xúc với lượng muối cao hơn để tạo ra sự căng thẳng rõ rệt, và tác động của các công thức khác nhau được phân tích.
Như Tiến sĩ Martínez đã chỉ ra, Việc sử dụng vi khuẩn vùng rễ và các sản phẩm sinh học từ vi sinh vật có thể làm giảm việc sử dụng một số hóa chất. Trong nông nghiệp, xu hướng đang hướng tới sản xuất sạch hơn và bền vững hơn. Các sản phẩm sinh học này dựa trên các nguồn tài nguyên sinh học tái tạo và nhìn chung có tác động môi trường rất thấp, mặc dù vẫn cần nhiều thông tin hơn về quá trình phát triển và công thức để tối ưu hóa việc sử dụng chúng.
Lĩnh vực công việc này đặc biệt có giá trị bởi vì Các giải pháp được thiết kế dựa trên thực tế của người nông dân Chile.Liều lượng, thời gian sử dụng và sự kết hợp các sản phẩm được thử nghiệm để có thể áp dụng trực tiếp vào thực tiễn hàng ngày, mà không yêu cầu nhà sản xuất phải thay đổi đáng kể cách thức làm việc của họ.
Kho báu di truyền của cà chua dại
Ngoài công nghệ sinh học tiên tiến hoặc các sản phẩm sinh học vi sinh, một nguồn giải pháp cho vấn đề độ mặn nằm ở... những loài họ hàng hoang dã của cà chua trồng trọtCác nhà nghiên cứu tại Viện Boyce Thompson đã nghiên cứu chi tiết về Solanum pimpinellifolium, loài hoang dã có họ hàng gần nhất với cà chua nhà, đặc trưng bởi quả nhỏ giống quả anh đào nhưng lại có sự đa dạng di truyền rất lớn và khả năng chống chịu stress cao.
Công trình này trình bày các dòng khác nhau của S. pimpinellifolium ở các mức độ căng thẳng do muối khác nhauCả trong nhà kính và ngoài đồng ruộng, các kỹ thuật phân tích kiểu hình năng suất cao rất giống với những kỹ thuật được mô tả trong CBGP đã được sử dụng. Phân tích cho thấy sự biến đổi rất lớn về khả năng thích ứng với độ mặn của các cây này, từ những cá thể hầu như không bị ảnh hưởng đến những cá thể khác bị thiệt hại năng suất đáng kể.
Một trong những kết quả nổi bật nhất là: Sức sống tổng thể của cây (khả năng sinh trưởng nhanh và mạnh) là yếu tố quyết định đến khả năng chịu mặn của nó.Những cây có sức sống mạnh mẽ nhất chịu được stress tốt hơn, cho thấy rằng việc chọn lọc dựa trên sức sống mạnh mẽ có thể gián tiếp cải thiện khả năng chịu mặn trong các chương trình lai tạo giống.
Người ta cũng phát hiện ra rằng các đặc điểm như Tốc độ thoát hơi nước, khối lượng chồi trên mặt đất và sự tích tụ các ion (đặc biệt là natri và kali) trong mô. Chúng có mối tương quan với hiệu suất dưới điều kiện căng thẳng do độ mặn. Điều thú vị là, trong khi sự thoát hơi nước là yếu tố chính giải thích hiệu suất trong nhà kính, thì trong điều kiện ngoài đồng, yếu tố liên quan chặt chẽ nhất đến năng suất lại là khối lượng phần thân trên mặt đất của cây.
Có lẽ điều đáng ngạc nhiên nhất là phát hiện ra rằng Tổng lượng muối tích lũy trong lá không ảnh hưởng đến năng suất nhiều như người ta vẫn nghĩ.Phát hiện này thách thức một số quan niệm kinh điển về khả năng chịu mặn, vốn tập trung gần như hoàn toàn vào việc hạn chế sự xâm nhập hoặc tích tụ natri trong mô hô hấp, và mở ra những hướng nghiên cứu mới tập trung vào các cơ chế thích nghi khác.
Nghiên cứu, được xuất bản trong Tạp chí thực vật, được phép xác định Các gen ứng cử viên chưa từng được liên kết với khả năng chịu đựng stress muối trước đâyCác kiểu gen cụ thể này có thể được sử dụng làm nguồn cung cấp alen trong các chương trình lai tạo để đưa khả năng chịu mặn vào cà chua trồng trọt và các cây trồng liên quan khác.
Nhìn chung, nghiên cứu này Điều này củng cố quan điểm rằng các loài hoang dã có họ hàng với cây trồng là một kho tàng giải pháp thực sự. Trước những thách thức của biến đổi khí hậu và điều kiện môi trường mới, sự kết hợp giữa các vật liệu này với các kỹ thuật cải tiến di truyền cổ điển và các công cụ gen học và phân tích kiểu hình hiện đại có thể đẩy nhanh quá trình tạo ra các giống cây trồng nông nghiệp có khả năng chống chịu tốt hơn.
La sự hội tụ của tất cả các lĩnh vực công việc này —Cà chua biến đổi gen chịu mặn, gốc ghép địa phương, sản phẩm sinh học từ vi khuẩn vùng rễ, ngũ cốc tận dụng nitơ trong khí quyển và việc sử dụng rộng rãi sự đa dạng của cà chua dại— cho thấy một một mô hình canh tác bền vững hơn nhiều Trước thách thức của biến đổi khí hậu và suy thoái đất đai. Mặc dù phải mất nhiều năm nữa chúng ta mới thấy những đổi mới này được ứng dụng rộng rãi trong siêu thị hoặc trang trại, nhưng con đường đã được vạch ra rõ ràng: tích hợp công nghệ sinh học, sinh thái vi sinh vật và cải tiến di truyền để tiếp tục thu hoạch những quả cà chua ngon ngọt ở những nơi mà muối và hạn hán dường như đã chiến thắng.
