Xanh hơn và Rẻ hơn: Kẽm Có Thể Thay Đổi Nông Nghiệp Mãi Mãi
Cây Trồng Làm Giàu Đất Nông Nghiệp Màu Mỡ
Các loại cây họ đậu phụ thuộc vào kẽm để quản lý quá trình cố định đạm. Một khám phá mới về cảm biến kẽm FUN có thể thay đổi năng suất cây trồng và tính bền vững của đất. Nguồn: Stock
Kẽm, từ lâu bị coi nhẹ như một vi chất dinh dưỡng, hóa ra lại là một yếu tố đột phá trong quá trình cố định đạm ở cây họ đậu.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra một protein cảm biến kẽm mới, FUN, hoạt động như một chất điều hòa chính trong quá trình này—giúp cây trồng giải mã các tín hiệu môi trường và quản lý hiệu quả của nốt sần. Bước đột phá này không chỉ làm sáng tỏ cơ chế sinh hóa phức tạp đằng sau sự cộng sinh giữa cây họ đậu và vi khuẩn cộng sinh, mà còn mở ra cánh cửa cho một nền nông nghiệp thông minh hơn, xanh hơn. Với tín hiệu kẽm tốt hơn, cây trồng có thể cố định đạm đáng tin cậy hơn, giảm thiểu phân bón tổng hợp và mở đường cho nền nông nghiệp bền vững.
Vai trò Tiềm ẩn của Kẽm trong Nông nghiệp Bền vững
Các nhà khoa học đã phát hiện ra một vai trò mới đáng ngạc nhiên của kẽm trong cách cây họ đậu xử lý nitơ. Bên cạnh một protein điều hòa gọi là Cố định dưới Nitrat (FUN), kẽm dường như đóng vai trò chủ chốt trong việc giúp cây họ đậu hấp thụ và sử dụng nitơ hiệu quả hơn. Bước đột phá này có thể mở đường cho việc cải thiện năng suất cây trồng và giảm nhu cầu phân bón hóa học, mở ra một hướng đi bền vững hơn cho ngành nông nghiệp.
Cây họ đậu là một loại cây trồng độc đáo vì chúng có thể hợp tác với vi khuẩn cộng sinh (rhizobia), vi khuẩn này chuyển đổi nitơ từ không khí thành dạng có thể sử dụng được trong các cấu trúc đặc biệt gọi là nốt sần rễ. Tuy nhiên, những nốt sần này rất nhạy cảm với những thay đổi của môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ khắc nghiệt, hạn hán, lũ lụt, đất mặn hoặc hàm lượng nitơ cao đã có sẵn trong đất.
Lotus japonicus
Lotus japonicus. Nguồn: Helene Eriksen
Một đột phá về tín hiệu kẽm
Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Aarhus, hợp tác với các đối tác tại Đại học Bách khoa Madrid và Cơ sở Bức xạ Synchrotron Châu Âu tại Pháp, đã phát hiện ra rằng kẽm hoạt động như một tín hiệu thứ cấp trong cây họ đậu. Tín hiệu này giúp cây hiểu được các tín hiệu môi trường và điều chỉnh hiệu quả cố định nitơ của chúng. Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Nature, cho thấy protein FUN thực chất là một loại cảm biến kẽm chưa từng được biết đến trước đây, có khả năng đọc các tín hiệu kẽm này và điều chỉnh quá trình cố định đạm.
“Thật đáng kinh ngạc khi phát hiện ra vai trò của kẽm như một tín hiệu thứ cấp ở thực vật. Đây là một vi chất dinh dưỡng thiết yếu và chưa từng được coi là một tín hiệu trước đây. Sau khi sàng lọc hơn 150.000 cây, cuối cùng chúng tôi đã xác định được cảm biến kẽm FUN, làm sáng tỏ khía cạnh hấp dẫn này của sinh học thực vật”, Phó Giáo sư Jieshun Lin, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích.
FUN và Công tắc Kiểm soát
Trong nghiên cứu này, nhà nghiên cứu xác định rằng FUN là một yếu tố phiên mã quan trọng kiểm soát sự phân hủy nốt sần khi nồng độ nitơ trong đất cao: “FUN được điều hòa bởi một cơ chế đặc biệt, theo dõi trực tiếp nồng độ kẽm trong tế bào và chúng tôi chứng minh rằng FUN bị kẽm bất hoạt thành các cấu trúc dạng sợi lớn và được giải phóng thành dạng hoạt động khi nồng độ kẽm thấp”, Giáo sư Kasper Røjkjær Andersen giải thích.
Jieshun Lin đang trình bày các nốt sần rễ trên cây sen Nhật Bản. Ảnh: Helene Eriksen
Từ góc độ nông nghiệp, quá trình cố định đạm liên tục có thể là một đặc điểm có lợi giúp tăng khả năng hấp thụ đạm, cho cả cây họ đậu và cây trồng xen canh hoặc cây trồng trong tương lai, vốn phụ thuộc vào lượng đạm còn lại trong đất sau khi cây họ đậu được trồng. Điều này giúp đặt nền móng cho các nghiên cứu trong tương lai, cung cấp những phương pháp mới để chúng ta quản lý hệ thống canh tác, giảm thiểu việc sử dụng phân đạm và giảm tác động của nó đến môi trường.
Một Tương Lai Xanh Hơn Cho Năng Suất Cây Trồng
Ý nghĩa của nghiên cứu này rất quan trọng. Bằng cách hiểu được cách kẽm và FUN điều chỉnh quá trình cố định đạm, các nhà nghiên cứu đang phát triển các chiến lược để tối ưu hóa quá trình này ở cây họ đậu. Điều này có thể dẫn đến việc tăng cường cung cấp đạm, cải thiện năng suất cây trồng và giảm nhu cầu sử dụng phân bón tổng hợp, vốn gây ra chi phí về môi trường và kinh tế.
Tiếp theo: Ứng dụng Khoa học
Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm hiểu cơ chế tạo ra và giải mã tín hiệu kẽm bởi FUN. Họ đang mong muốn áp dụng những khám phá mới này vào các loại cây họ đậu như đậu tằm, đậu tương và đậu đũa.
Nhóm nghiên cứu tập trung tại cơ sở thí nghiệm của Đại học Aarhus. Tín dụng: Helene Eriksen
Tham khảo: “Kẽm làm trung gian kiểm soát quá trình cố định đạm thông qua quá trình tạo sợi của yếu tố phiên mã” của Jieshun Lin, Peter K. Bjørk, Marie V. Kolte, Emil Poulsen, Emil Dedic, Taner Drace, Stig U. Andersen, Marcin Nadzieja, Huijun Liu, Hiram Castillo-Michel, Viviana Escudero, Manuel González-Guerrero, Thomas Boesen, Jan Skov Pedersen, Jens Stougaard, Kasper R. Andersen và Dugald Reid, ngày 26 tháng 6 năm 2024, Nature
DOI: 10.1038/s41586-024-07607-6
Jieshun Lin, Peter K. Bjørk, Jens Stougaard, Kasper R. Andersen và Dugald Reid là những nhà phát minh của một bằng sáng chế đã được nộp, ghi lại những khám phá này.
Công trình này được hỗ trợ bởi dự án "Kích hoạt Cộng sinh Dinh dưỡng trong Nông nghiệp" (ENSA), được tài trợ bởi Bill & Melinda Gates Agricultural Innovations (INV-57461), Quỹ Bill & Melinda Gates và Bộ Ngoại giao, Khối Thịnh vượng chung và Phát triển (INV-55767), khoản tài trợ của Quỹ Carlsberg (CF21-0139) và Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu (ERC) theo chương trình nghiên cứu và đổi mới Horizon 2020 của Liên minh Châu Âu (thỏa thuận tài trợ số 834221).
