Ba khí nhà kính chính góp phần vào biến đổi khí hậu toàn cầu là carbon dioxide (CO2), methane (CH4) và nitơ oxit (N2O). Cánh đồng lúa là nguồn phát thải khí nhà kính nông nghiệp quan trọng, đặc biệt là phát thải CH4 và chiếm 12 ~ 26% và N2O chiếm, 7 ~ 11% tổng lượng phát thải từ các cánh đồng nông nghiệp toàn cầu (IPCC, 2023).

Theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp (FAO) của Liên hợp quốc, nhu cầu toàn cầu về nông sản dự kiến sẽ tăng khoảng 70% vào năm 2050. Sản lượng lương thực hàng năm cần tăng từ 2,1 tỷ tấn hiện tại lên xấp xỉ 3 tỷ tấn để nuôi sống dân số thế giới dự đoán (Romero và ctv., 2019).

Điều kiện khí hậu khắc nghiệt như nhiệt nóng, hạn hán, và mặn ngập và các bệnh trên cây lúa, bệnh bạc lá do vi khuẩn hạn chế đáng kể năng suất lúa. Rầy nâu cũng là một thách thức lớn trong sản xuất lúa trên toàn thế giới, gây ra sự mất năng suất nghiêm trọng cho lúa. Trong số tất cả các loại khí góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính, N2O là loại khí có sức tàn phá lớn nhất đối với tầng ôzôn, có sức tàn phá gấp 298 lần so với CO2 theo khối lượng trong khoảng thời gian 100 năm 43 (Tian et al., 2020). Khi nồng độ CO2 tăng lên, tốc độ quang hợp và đồng hóa carbon cũng tăng lên (một hiệu ứng được gọi là bón phân CO2) (Wang và ctv., 2020). Nhiệt độ nóng > 40°C vào lúc thời kỳ lúa trổ được ghi nhận không chỉ ở các nước nhiệt đới (Việt Nam) mà còn xuất hiện tại ôn đới vào mùa hè như Nhật Bản.

Kết quả làm lúa lép nhiều, ít thụ phấn, quá trình làm đầy hạt (grain filling) bị ức chế. Kết quả tương tự cũng đã được ghi nhận trong một nghiên cứu gần đây sử dụng dòng hồi giao  trên giống khô hạn được ghi nhận (Lang và ctv., 2012). Với 230 chỉ thị nằm trên 12 nhiễm sắc thể phản ứng mặn với nông độ 3-4 ‰ và khô hạn 1 tháng (Lang và ctv.2020).

Một chất điều chỉnh tích cực về mật độ khí khổng trong lúa chống chịu mặn và khô hạn (Robert S. Caine và ctv., 2023). Nghiên cứu đánh giá này đã tổng hợp thông tin về các loci tính trạng định lượng (QTL) và các gen liên quan đến các đặc điểm liên quan đến năng suất nông học (kích thước hạt, năng suất hạt, chỉ số thu hoạch, v.v.) dưới áp lực hạn hán. Tầm quan trọng của các kỹ thuật nhân giống hiện đại và các công cụ chọn lọc hỗ trợ đánh dấu (MAS) để đưa các QTL / gen đã biết vào các dòng lúa ưu tú để phát triển các giống lúa chịu hạn.

Các giống lúa chịu hạn có thể mang lại lợi ích cho các nỗ lực giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu, vì có thể giảm phát thải khí nhà kính bằng cách giảm đáng kể việc sử dụng nước. Lúa chịu hạn lần lượt làm giảm lượng khí thải CH4. Do đó, nghiên cứu này sẽ cung cấp một nền tảng vững chắc để hiểu hiện tượng phức tạp của căng thẳng do hạn hán và việc sử dụng giống trong các chương trình phát thải khí nhà kính trong phát triển cây trồng trong tương lai kết hợp với các công cụ thông thường và MAS sẽ giúp các nhà lai tạo tạo ra các giống lúa năng suất cao và chịu hạn và giảm khí thải.

PHƯƠNG PHÁP

Vật liệu: Tổng cộng có mười tổ hợp lai TLR 460/OM7347; OM7347/KhaoDawmali 105; OM4900/ OM8900; OM4900/Pokkali; OMCS2000/OM5629; TLR456/OM3673; TLR395/OM90L; OM6162/OM7364; 30 giống lúa giống thử nghiệm (bảng 1) đã được sàng lọc phát thải khí mê-tan thấp trong điều kiện nhà kính. Phytotron là 14 giờ sáng/10 giờ tối ở 30°C/21°C, với độ ẩm tương đối không đổi là 80% và cường độ ánh sáng là 400 μmol photon m−2·s−1. giống lúa phát thải khí mê-tan thấp "Heijing 5" từ Trung Quốc được chọn làm đối chứng.

Trong tất cả các thí nghiệm, hạt lúa được nảy  mầm trong 4 ngày trên giấy lọc  ngâm nước  và để trong bóng tối ở 28°C và sau đó chuyển vào đất như mô tả của Fei et al. (2020).

Phân tích DNA thực hiện theo (Lang., 2016). Phân tích các tính trạng khô hạn theo (Lang và ctv., 2015). Phân tích năng suất và thành phần năng suất theo IRRI ( 2017)

Thu thập và đo lượng khí thải CH4: N2O giai đoạn trỗ hoa. Mê-tan và N2O đã được thu thập như đã mô tả trước đây (Su et al., 2015). Tóm lại, khí mêtan được thu thập từ cây có hoa bằng cách phủ từng cây lúa bằng một hình trụ nhựa kín (đường kính 15 cm, chiều cao 95 cm) trong 15 phút, bắt đầu từ 14,00 giờ. Các mẫu khí (2 × 50 mL) được lấy từ không gian của mỗi xi lanh nhựa bằng ống tiêm và được gộp trong một lọ kín.

Trong quá trình sàng lọc ban đầu cho các giống cây trồng phát thải khí mê-tan thấp, lượng khí thải mê-tan được đo ở giai đoạn ra hoa. Trong các thử nghiệm sau đó, khí mê-tan, Lượng khí thải mêtan từ cây phát triển trong phytotron được kiểm soát khí hậu được đo vào ngày ra hoa và 15 ngày sau khi ra hoa (DAF) và 25 DAF. Tất cả các mẫu được phân tích bằng sắc ký khí với các tiêu chuẩn mêtan thích hợp. Nồng độ khí mêtan trong không khí là 1,8 ppm được sử dụng làm nền cho các tính toán. Thông lượng khí mêtan và N2O được tính toán như mô tả bởi Su et al. (2015).

Mô hình 100 ha trồng thử nghiệm được thực hiện tại Châu Phú , An Giang , trong điều kiện đất khô hạn.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Trong thời gian gần đây, các phương pháp nhân giống có hỗ trợ đánh dấu đã được sử dụng rộng rãi, tốt hơn nhiều so với các kỹ thuật nhân giống thông thường. Nó bao gồm nhiều kỹ thuật nhân giống, chẳng hạn như xác định và lập bản đồ QTL / gen và chọn lọc trực tiếp / gián tiếp các vật liệu di truyền. Phát triển MAS trong chọn giống chống chịu khô hạn: TLR 460/OM7347; OM7347/KhaoDawmali 105; OM4900/OM8900; OM4900/Pokkali; OMCS2000/OM5629; TLR456/OM3673; TLR395/OM90L; OM6162/OM7364 thành công và quan trọng của các nguồn gen sẵn có (tức là kiểu gen, QTL và các cấu trúc di truyền khác) đã được giải thích liên quan đến các đặc điểm kiểu hình của chúng trong điều kiện khô hạn và năng suất cao.

Vai trò của gen và QTL cần được khám phá thêm vì tiềm năng kiểm soát của chúng trong các phản ứng thích nghi của cây lúa qua các giai đoạn trong quá trình khô hạn. Việc khám phá ra các gen / QTL tiềm năng chịu trách nhiệm cho phản ứng thích nghi với hạn hán là một nhiệm vụ thực sự của các nhà khoa học cây trồng trong thời đại thay đổi khí hậu hiện nay.

Nghiên cứu tập trung vào việc quản lý kiểu gen để chứng minh tác dụng đối với kiểu hình và đưa chúng vào các giống năng suất cao (bảng 1). Đối với gen chịu khô hạn và phẩm chất tốt được đánh giá thông qua tỉ lệ bạc bụng tập trung vào quần thể TLR 460/OM7347, OM7347/KhaoDawmali 105 trên nhiễm sắc thể số 1 và 9. Chọn được hai dòng HATRI 9 và HATRI 10 theo thứ tự.

Nghiên cứu đánh giá kiểu gen thông qua chỉ thị phân tử SSR và kết hợp với gen gs3(Alen GS3 làm giảm phát thải khí mêtan và tăng năng suất trong lúa ( Youngho và ctv.,2023). Gen GS3, thu được thông qua nhân bản locus đặc điểm định lượng như một gen trên nhiễm sắc thể 3 kiểm soát kích thước hạt, điều chỉnh kích thước (Zhang và ctv.,2023). Bởi vì sự xâm nhập của gs3 trong các giống lúa làm tăng năng suất hạt (Yoon, và ctv.,2023). Giống mang alen gs3 sẽ cho thấy sự phân bổ quang hợp thấp hơn cho gốc, dẫn đến sản xuất khí mê-tan thấp bởi vi khuẩn cổ tạo mêtan và phân bổ quang hợp cao hơn cho cơ quan sức chứa góp phần tăng cường kích thước hạt.

 Tạo các quần thể hồi giao của hai tổ hợp lai OM4900/OM8900; OM4900/Pokkali để ổn định đăc tính có  alen gs3 của nguồn nhận nhờ phương pháp hồi giao cải tiến (ABC) có sự trợ giúp của chỉ thị phân tử.

Xây dựng được các quần thể hồi giao cải tiến (BC4F2), có sự tham gia của chỉ thị phân tử nhằm chọn cá thể có gen chống chịu khô hạn, để lai lại với dòng mẹ (dòng tái tục), nhằm ổn định gen kháng ở mức đồng hợp tử nhanh chóng so với phương pháp truyền thống. Dòng (HATRI 60) từ tổ hợp lai OM10252/Jasmine 85//OM10252 và chỉ thị mang gen Gs3 giảm lượng khí thải CH4. Các dòng nầy tiếp tục được đưa ra đánh giá năng suất và thành phần năng suất trong giai đoạn sau (bảng 1). Chồng gen với nhiều thế hệ BC4F4 từ cặp lai OM4900/Pokkali mang gen khô hạn và mặn đã đánh giá nhiều dòng tiềm năng mang gen kháng rầy và có alen gs3 như HATRI 20 (bảng 1).

Bảng 1. Tính trạng phối hợp từ hai đến bốn gen liên kết tính chống khô hạn giảm lượng khí thải CH4

Phát triển giống lúa chịu hạn làm giảm phát thải khí thải nhà kính: Nghiên cứu này đã so sánh năng suất lúa, thành phần năng suất và tính chống chịu khô hạn của 30 giống lúa. Phân tích ANOVA để xác định năng suất và thành phần năng suất của giống lúa do điều khô hạn được ghi nhận (Bảng 2). Thành phần năng suất ghi nhận: hạt chắc/bông ghi nhận 104-134 hạt/bông. Trọng lượng 1.000 hạt dao động từ 23,17 đến 27,78 g (Bảng 2). Điều này rất quan trọng đối với sự lựa chọn của người nông dân một số kích thước lớn như các dòng HATRI 722, HATRI 22, HATRI 25, HATRI 144, OM4900. Cùng trong điều kiện phân bón, khô hạn ghi nhận giống lúa có năng suất cao là giống HATRI 169, HATRI 9, HATRI 22, HATRI 10, HATRI 190, OM4900.

 Bảng 2.  Năng suất và thành phần năng suất của 30 giống lúa khô hạn trong vụ Đông Xuân 2023 -2024

Để xác định một giống lúa có hàm lượng khí mêtan thấp tự nhiên có thể xảy ra, 30 giống lúa và dòng thử nghiệm đã được sàng lọc phát thải khí mê-tan. Khi bắt đầu ra hoa, lượng khí mê-tan từ lúa được trồng trong điều kiện đồng ruộng tại địa điểm Bình Thủy, Cần Thơ, bằng cách sử dụng sắc ký khí để đo. Tốc độ phát thải từ các dòng lúa khác nhau được sàng lọc dao động từ 2,23 đến 22,5 mg·m−2·h−1 (Hình 1). Bước sàng lọc này đã xác định một giống lúa có liên quan đến tỷ lệ phát thải khí mê-tan tương đối thấp như HATRI 25, HATRI 9, HATRI 20, HATRI 22, HATRI 169, HATRI 174, HATRI 31, HATRI 47, OM4900 so với đối chứng là giống Heijing 5.

Hình 1. Mức độ phát thải khí mê-tan từ 30 giống lúa được trồng ngoài đồng và đo CH4 giai đoạn trỗ hoa

Hình 2. Mức độ phát thải khí N2O từ 30 giống lúa được trồng ngoài đồng và đo N2O giai đoạn trỗ hoa

Tốc độ phát thải N2O giai đoạn trỗ hoa từ các dòng lúa khác nhau được sàng lọc dao động từ 0,02 đến 4,58mg·m−2·h−1 (Hình 2). Bước sàng lọc này đã xác định một giống lúa có liên quan đến tỷ lệ phát thải khí N2O tương đối thấp như HATRI 25 (0,03 mg m−2 h−1), HATRI 20 (0,03 mg m−2 h−1), HATRI 169 (0,02 mg m−2 h−1), HATRI 174 (0,03 mg m−2 h−1), HATRI 61 (0,02 mg m−2 h−1), HATRI 377 (0,1 mg m−2 h−1), OM4900 (0,12 mg m−2 h−1) so với đối chứng là Heijing 5 (0,02 mg m−2 h−1).

Mô hình canh tác giống lúa thông minh trong điều kiện biến đổi khí hậu 

Một cách tiếp cận tích hợp gần đây ghi nhận: Sản xuất lúa thông minh với khí hậu: nhu cầu của thời đại nông nghiệp thông minh với khí hậu được thúc đẩy  để tăng năng suất và thu nhập nông nghiệp, bao gồm thông minh về nước ( ngập khô xen kẻ ), chất dinh dưỡng (4 đúng  như đúng thời điểm, đúng tỷ lệ, đúng nguồn của phân bón và bón phân dựa trên điều kiện môi trường nông nghiệp địa phương; bón phân đạm giải phóng chậm bón phân đạm dưới bề mặt; và quản lý chất dinh dưỡng theo thời gian thực và địa điểm cụ thể), carbon thông minh ( kết hợp và lưu giữ cặn, sử dụng than sinh học và xới đất tối thiểu), thông minh về năng lượng (san phẳng  ruộng  bằng laser), thông minh về thời tiết ( dự báo thời tiết và tư vấn nông nghiệp cây trồng dựa trên thời tiết, cây trồng chịu được căng thẳng) và công nghệ thông minh kiến thức ( canh tác chính xác và bảo hiểm cây trồng) (Hình 3).  Mô hình hứa hẹn 100 ha với giống HATRI 10 và HATRI 169, HATRI 25 và Đài Thơm 8  trên ruộng lúa của   Châu Phú ,An Giang sẽ chứng minh điều đó.

THẢO LUẬN

Giống lúa là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phát thải khí nhà kính, với sự khác biệt về phát thải CH4 và N2O giữa các giống lúa khác nhau lần lượt lên tới 6 và 14 lần. Các giống lúa chịu hạn có thể mang lại lợi ích cho các nỗ lực giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu, vì nó có thể giảm phát thải khí nhà kính bằng cách giảm đáng kể việc sử dụng nước tưới (Xu và cộng sự, 2015).

Hệ thống lúa hiếu khí đã tiết kiệm lần lượt 14,6 và 19,3% CF sản lượng lúa so với các hệ thống thâm canh lúa và lúa ở vùng đất thấp nông (Dash và cộng sự, 2022). Bước sàng lọc này đã xác định một giống lúa có liên quan đến tỷ lệ phát thải khí mê-tan tương đối thấp.

Lúa chịu hạn lần lượt làm giảm lượng khí thải CH4, N2O và CO2 21,5, 3,7 và 9,8% so với giống điển hình được trồng trong tưới gián đoạn ngập nước và ướt (Xu và cộng sự, 2015).  Tốc độ phát thải từ các dòng lúa khác nhau được sàng lọc dao động từ 2,23 đến 22,5 mg·m−2·h−1 (Hình 1) và Tốc độ phát thải N2O giai đoạn trỗ hoa từ các dòng lúa khác nhau được sàng lọc dao động từ 0,02 đến 4,58mg·m−2·h−1 (Hình 2) tại ruộng vụ Đông Xuân 2023-2024. Hiện tượng này có thể một phần là do sự khác biệt đáng kể về đặc điểm hình thái, lượng dịch tiết rễ, quần thể vi sinh vật và sự phân hủy chất động thực vật giữa các giống lúa khác nhau (Liechty và cộng sự, 2020).

Tuy nhiên không phải giống lúa chịu hạn nào cũng có khí phát thải thấp. Đây là một số giống chịu hạn đang thực hiện tại Viện HATRI nghiên cứu hạn chế về phát thải CH4: thí dụ như giống HATRI 197, HATRI 605 có tính trạng khô hạn nhưng phát thải phát thải khí mê-tan tương đối cao.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phát thải CH4 có mối tương quan tích cực với chiều cao cây lúa, và lượng phát thải CH4 của các giống cao hơn có chiều cao cây 120 cm cao hơn 2,9 lần so với các giống thấp hơn có chiều cao cây 90 cm (Ding và ctv., 2022).  Điều này đúng khi xét về chiều cao cây lúa mùa (Một Bụi Đỏ có chiều cao cây cao nhất) và lại cho chỉ số phát thải khí CH4 cao (Bảng 2, hình 1).

Phát triển các bông lúa to có lợi cho sản xuất lúa bằng cách tăng năng suất và tạo ra lượng khí thải CH4 thấp vì các giống lúa có bông lớn có thể giảm phát thải CH4 chủ yếu bằng cách kiểm soát sản xuất CH4 (Jiang vàctv., 2016). Số lượng cao thân và lá của cây lúa nhiều càng có tốc độ vận chuyển qua trung gian cây lúa càng lớn, do đó thúc đẩy phát thải CH4.

Hơn nữa, điều kiện canh tác của giống cũng thay đổi như chất hữu cơ, nước, kết hợp rơm rạ, canh tác bảo tồn, giảm sử dụng phân đạm và bổ sung than sinh học và chất ức chế khí mê-tan có thể làm giảm lượng khí thải.

Do đó, thông qua các biện pháp nông học hợp lý, lựa chọn giống và bố trí tối ưu các hệ thống luân canh dựa trên lúa, tỷ lệ trung hòa carbon trong sản xuất lúa có thể được cải thiện để giúp mục tiêu hấp thụ carbon và giảm phát thải.

Nhận thức được rằng mô hình sản xuất giống lúa phải cân bằng năng suất và tính bền vững của môi trường tạ Châu Phú , An Giang cũng chứng minh năng suất giooang lúa cao hơn 10 tấn/ ha , các hoạt động canh tác giống lúa đã xem xét tiềm năng của sản xuất lúa để giảm phát thải khí nhà kính, đặc biệt là CH4 và cô lập carbon đồng thời đảm bảo an ninh lương thực cho nông dân.

KẾT LUẬN

Các dấu hiệu phân tử và vật liệu di truyền cần được nghiên cứu thêm trong tương lai gần để đạt được cơ hội tốt hơn để trồng cây trong môi trường khô hạn và giảm lượng khí thải CH4. Các nghiên cứu liên kết chi tiết trên toàn bộ gen là cần thiết để khắc phục các lỗ hổng trong việc lai tạo có sự hỗ trợ của các điểm chỉ thị phân tử.

Nhà nghiên cứu các kỹ thuật và kỹ năng hiện đại để sử dụng hiệu quả tài nguyên để phát triển các giống thông minh với khí hậu liên kết với tính trạng giảm phát thải khí lượng khí mê-tan từ lúa được trồng trong điều kiện đồng ruộng tại địa điểm Bình Thủy, Cần Thơ, bằng cách sử dụng sắc ký khí, đã xác định một giống lúa có liên quan đến tỷ lệ phát thải khí mê-tan tương đối thấp và liên kết với gen khô hạn như HATRI 25, HATRI 9, HATRI 20, HATRI 22, HATRI 169, HATRI 174, HATRI 31, HATRI 47, OM4900. Sự thuận lợi của các điều kiện sẽ kích thích việc áp dụng cho đo đếm khí carbon dioxide (CO2), methane (CH4) và nitơ oxit (N2O) trong tương lai phục vụ cho biến đổi khí hậu. Mô hình cũng thử nghiệm 100 ha tại Châu Phú , An Giang.