Các nhà khoa học tại Đại học California, Davis (Mỹ) mới đây đã phát triển một giống lúa mì có thể kích thích quá trình tạo phân bón tự nhiên ngay trong đất.

Giống lúa mì mới do nhóm của giáo sư Eduardo Blumwald tạo ra bằng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR. Bằng cách tăng cường khả năng sản sinh một hợp chất tự nhiên của cây, nhóm nghiên cứu đã giúp rễ lúa mì tiết hợp chất này xuống đất, qua đó hỗ trợ các vi khuẩn chuyển đổi nitơ trong không khí thành dạng mà cây có thể hấp thụ. Quá trình được gọi là cố định nitơ hay cố định đạm.

Theo giáo sư Blumwald, kỹ thuật mới đặc biệt hữu ích với các vùng đang phát triển. “Ở châu Phi, người dân không dùng phân bón vì không có tiền và ruộng rất nhỏ, chỉ khoảng 6 - 8 mẫu. Hãy tưởng tượng bạn trồng được những loại cây có thể tự kích hoạt vi khuẩn trong đất tạo ra lượng phân bón mà cây cần”, ông nói.

Nghiên cứu này kế thừa những kết quả trước đây của nhóm trên cây lúa, đồng thời đang được mở rộng sang các loại ngũ cốc khác.

Lúa mì hiện là ngũ cốc quan trọng thứ hai thế giới và chiếm khoảng 18% tổng lượng phân đạm sử dụng toàn cầu. Theo Tổ chức Lương Nông Liên hợp quốc (FAO), năm 2020 thế giới sản xuất hơn 800 triệu tấn phân bón, nhưng cây trồng chỉ hấp thụ được 30 - 50% lượng phân bón. Lượng dư thừa còn lại chảy ra sông biển gây hình thành các vùng “chết” thiếu oxy hoặc tạo khí nitrous oxide, một trong những khí nhà kính mạnh nhất.

Khác với cây họ đậu có nốt sần rễ tạo môi trường ít oxy cho vi khuẩn cố định đạm, lúa mì và phần lớn cây trồng khác không có cấu trúc này, buộc nông dân phải phụ thuộc vào phân bón tổng hợp.

“Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tìm cách tạo nốt sần cho cây ngũ cốc hoặc đưa vi khuẩn cố định đạm vào rễ nhưng đều không thành công. Chúng tôi chọn hướng tiếp cận khác”, giáo sư Blumwald cho biết. “Vị trí của vi khuẩn không quan trọng, miễn là lượng nitơ được cố định có thể đến được cây”.

Nhóm đã sàng lọc 2.800 hợp chất tự nhiên của thực vật và xác định 20 hợp chất có khả năng hỗ trợ vi khuẩn hình thành màng sinh học. Đây là lớp bảo vệ tạo môi trường ít oxy cần thiết cho enzyme nitrogenase hoạt động.

Sau khi xác định các gene then chốt, nhóm sử dụng CRISPR để tăng cường sản xuất hợp chất flavone đặc biệt gọi là apigenin. Khi lúa mì tiết apigenin dư thừa xuống đất, vi khuẩn tạo màng sinh học bảo vệ, giúp nitrogenase hoạt động hiệu quả và cố định nitơ thành dạng cây có thể sử dụng.

Kết quả cho thấy trong điều kiện bón phân rất thấp, giống lúa mì chỉnh sửa gene vẫn cho năng suất cao hơn giống đối chứng.

Theo Bộ Nông nghiệp Mỹ, nông dân nước này đã chi gần 36 tỷ USD cho phân bón trong năm 2023. Giáo sư Blumwald cho biết, “Mỹ có khoảng 500 triệu mẫu đất trồng ngũ cốc. Chỉ cần giảm 10% lượng phân bón trên diện tích đó, mức tiết kiệm thận trọng cũng đã hơn 1 tỷ USD mỗi năm”.

Công trình đã được công bố trên Plant Biotechnology Journal. Đồng thời, Đại học California cũng đã nộp đơn đăng ký bằng sáng chế cho giống lúa mì mới.