Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Materials Letters, các nhà nghiên cứu thuộc Trường Kỹ thuật Jacobs, Đại học California San Diego (UC San Diego) đã giới thiệu một loại polyme tổng hợp có thể hoạt động như một “áo giáp” dạng xịt cho cây trồng.

Nghiên cứu sinh tiến sĩ Luis Palomino phun lớp phủ polyme kháng khuẩn lên lá cây Nicotiana benthamiana.

Giống như con người, thực vật cũng dễ bị tổn thương trước các tác nhân gây bệnh, đặc biệt là vi khuẩn. Tuy nhiên, khi những loài thực vật đó là cây lương thực, sự lây lan của bệnh tật không chỉ gây thiệt hại mùa màng mà còn đe dọa trực tiếp đến an ninh lương thực toàn cầu.

Các bệnh do vi khuẩn phổ biến trên cây trồng bao gồm bệnh đốm khuẩn ở cà chua, bệnh loét trên cây ăn quả như táo và đào, hay bệnh bạc lá, héo rũ gây thối rữa ở dưa, bí, ớt, cà tím, đậu và nhiều loại cây khác. Đáng chú ý, tình trạng biến đổi khí hậu đang tạo điều kiện cho các vi khuẩn này lan rộng sang những khu vực mà trước đây nhiệt độ thấp từng ngăn cản sự tồn tại của chúng.

Để đối phó với thách thức này, các nhà khoa học thuộc khoa Kỹ thuật Hóa học và Nano Aiiso Yufeng Li của UC San Diego, phối hợp cùng Trung tâm Nghiên cứu và Kỹ thuật Khoa học Vật liệu (MRSEC), đã phát triển một loại polyme tổng hợp mang điện tích dương.

Bằng cách điều chỉnh quy trình tổng hợp để thực hiện trong môi trường nước, nhóm nghiên cứu tạo ra polynorbornene – một polyme thấm khí, không gây hại cho thực vật nhưng có khả năng làm suy yếu màng tế bào của nhiều loại vi khuẩn gây bệnh.

“Thông thường, các polyme được tổng hợp bằng dung môi hữu cơ có độc tính đối với thực vật”, nghiên cứu sinh tiến sĩ Luis Palomino, đồng tác giả của công trình, cho biết. “Điều khác biệt ở đây là chúng tôi tạo ra polyme trong môi trường đệm nước. Điều này cho phép tạo ra một công thức dạng xịt có tính tương thích sinh học hơn với thực vật”.

Một lợi ích bất ngờ là lớp phủ này không cần phải bao phủ toàn bộ cây hay cả bề mặt lá. Chỉ cần xịt lên một phần nhỏ của lá cũng đủ để kích hoạt cơ chế bảo vệ cho toàn bộ cây. Theo ông Patrick Opdensteinen, tác giả chính của nghiên cứu, kết quả này vượt ngoài mong đợi và cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ.

Các nhà nghiên cứu cho rằng hiệu quả bảo vệ có thể đến từ phản ứng căng thẳng của cây trồng. Khi được xịt polyme, lá cây có thể tạo ra một lượng nhỏ hydrogen peroxide tạm thời và vô hại, qua đó kích hoạt các cơ chế phòng vệ tự nhiên khác trong toàn bộ cây.

Vi khuẩn được đưa vào lá cây Nicotiana benthamiana như một phần của nghiên cứu.

Lợi ích kép cho nông nghiệp

Không chỉ giúp cây trồng chống lại vi khuẩn, “áo giáp” dạng xịt còn cho thấy khả năng cải thiện tính chịu hạn rõ rệt. Trong thí nghiệm, sau bốn ngày không được tưới nước, những cây không xử lý polyme héo úa rõ rệt, trong khi các cây đã được xịt vẫn duy trì trạng thái khỏe mạnh. Các nhà khoa học cho rằng polyme giúp giảm mất nước, đồng thời cải thiện phản ứng căng thẳng ở cấp độ phân tử tương tự như một lớp bảo vệ giữ ẩm cho thực vật.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự định tăng cường khả năng phân hủy sinh học của polyme và đánh giá kỹ hơn về mức độ an toàn lâu dài đối với môi trường.

“Mục tiêu của chúng tôi là đưa công nghệ này ra đồng ruộng, phục vụ trực tiếp cho nông nghiệp”, Opdensteinen chia sẻ. “Đây mới chỉ là bước khởi đầu, nhưng tiềm năng bảo vệ cây trồng là rất lớn”.