Đại học Louvain (Bỉ) phát triển công nghệ nhằm tìm giống cây chống hạn hán

Ủy ban Âu châu (EC) đang hỗ trợ nhóm nghiên cứu của UC Louvain phát triển những mô hình tăng trưởng thực vật cho phép nông dân chọn những giống lúa mì tốt nhất để chống hạn hán, bởi hiện tượng nóng lên toàn hành tinh.

Để thực hiện mô hình mô phỏng số, đội ngũ kỹ sư sinh học của UCLouvain đang chuẩn bị trồng hàng ngàn chồi lúa mì trong trang trại chuyên biệt của UCLouvain tại Chaumont-Gistoux cũng như ở Melle, trong một cánh đồng trang bị cảm biến của Viện nghiên cứu nông nghiệp của Flanders (Ilvo). Những cánh đồng và cây sẽ được đo lường tỉ mỉ, trước khi chúng được đào lên để kiểm tra lần nữa, nghiên cứu kỹ dưới kính hiển vi, được chụp ảnh và thậm chí được chụp cắt lớp từ máy IRM để xem xét rễ cây và khả năng hấp thu nước của chúng.

Giáo sư Guillaume Lobet, người đứng đầu nhóm nghiên cứu cho biết: "Vì biến đổi khí hậu, trung bình con người sẽ có ít nước hơn và có thể có biến lớn. Ngay cả tại Bỉ, mùa xuân và mùa hạ cũng đã cằn cỗi hơn. Do đó, con người bắt đầu gặp vấn đề thiếu hụt nước cho các cây lớn, điều này sẽ ảnh hưởng đến sản lượng và trở nên nghiêm trọng hơn. Với nghiên cứu này, chúng tôi muốn góp phần tạo ra các hệ thống nông nghiệp vững mạnh để có thể đối phó với những bất ổn liên quan đến lượng mưa. Một yếu tố mà chúng tôi muốn tránh cũng là việc sử dụng hệ thống tưới tiêu, do cách này xử lý triệu chứng mà không đặt câu hỏi về vấn đề nước. Chiến lược đề ra là cố tạo ra các loại cây cần ít nước hơn”.

Vậy làm sao để cây hút ít nước hơn? Thay vì tập trung vào lá và thân như đã làm, Giáo sư Guillaume Lobet quyết định nhắm vào bộ rễ cây, tức là bề mặt tiếp xúc với đất cho phép cây hút được lượng nước cần thiết. VD, rễ này có thể ăn sâu ít nhiều vì biết rằng chính những lớp bề mặt của đất sẽ khô đi trước. Các nhà khoa học cũng rất quan tâm đến đường kính của rễ, bởi đường kính càng hẹp thì cây trồng càng hút ít nước. Đường kính cũng có thể khác nhau trong hệ thống rễ của cùng một cây, có thể bao gồm rễ nhỏ và rễ lớn. Giáo sư Guillaume Lobet giải thích: “Chúng tôi muốn mô tả đặc điểm hệ thống rễ của cây để hiểu liệu nó có thể hút nước đúng cách hay không. Đặc điểm của hệ thống rễ làm nó có thể chống chịu hay không? Nhưng hệ thống rễ rất dày và rất phức tạp: Trên cây lúa mì, chúng có thể có chiều dài rễ tích lũy hàng trăm mét. Và chúng tôi cũng thiếu các công cụ để mô tả hệ thống gốc nhanh chóng".

Hiện tại, không có thông tin về rễ của cây trồng, điều đó đồng nghĩa người ta biết rất ít về khả năng chống lại quá trình thiếu nước kéo dài của cây.

Vị giáo sư nói thêm: "VD, chúng ta không biết hệ thống rễ của hầu hết các loại lúa mì được sử dụng trong nông nghiệp ra sao. Bởi nó nằm trong lòng đất và cần thời gian để hình thành. Và do những nỗ lực cải tiến cây, cho đến 10 năm trước vẫn tập trung vào việc tăng năng suất trong điều kiện tối ưu, nơi chúng ta cung cấp mọi thứ cây trồng cần: Nước, dưỡng chất, thuốc trừ sâu… Trong những điều kiện này, hệ thống gốc không có vai trò lớn. Thế nhưng giờ đây, chúng ta đang bắt đầu ở trong những tình huống dưới mức tối ưu và vì thế ta phải bắt đầu nghiên cứu những gì đang xảy ra ở cấp độ gốc. Nhưng vẫn chưa nhiều người trong chúng tôi làm được điều đó”.

Để thực hiện nhiệm vụ của mình, phòng thí nghiệm của ông Guillaume Lobet có một lợi thế: chuyên về “cây ảo”. Trên thực tế, phòng thí nghiệm có thể tận dụng những công cụ máy tính được phát triển trong thập kỷ qua để nghiên cứu thực vật. Chúng gồm có phần mềm có thể phân tích những bức hình về hệ thống rễ và mô hình mô phỏng trên máy tính về sự phát triển của cây trồng và lượng nước hút vào. Thông tin thu thập được tại hiện trường và thông qua hình ảnh rễ cây đào lên sẽ cung cấp dữ liệu cho các mô phỏng.

“Để xác định khả năng hút nước của cây trồng, trước hết chúng tôi sẽ xác định một loạt đặc điểm vật lý của hệ thống rễ. Và để làm điều này, chúng tôi sẽ đào rễ cây, làm sạch, chụp ảnh và xử lý những bức hình này bằng phần mềm phân tích ảnh chuyên dụng và sẽ định lượng những đặc điểm của rễ", vị giáo sư giải thích. Sau đó, để có thể chuyển từ các đặc tính vật lý của rễ sang “chức năng” thu nước thực tế, những nhà khoa học sẽ sử dụng những mô hình máy tính về sự phát triển và hoạt động của cây. Công việc cụ thể của họ trong phòng thí nghiệm là thực hiện những mô phỏng sự phát triển của cây và việc hút nước từ những cây này trên đất ảo. Vì thế, họ làm việc với những cây ảo. Tại đây, thông tin về kích thước và sức khỏe của cây, hàm lượng nước trong đất bằng sóng từ, lấy mẫu nước bằng thiết bị đặc biệt ở Melle... thu được ở hiện trường sẽ được nhập vào mô hình, điều này sẽ giúp các chuyên gia dự đoán năng suất thu hoạch của cây.

Chiến dịch lấy mẫu tương tự sẽ được tiếp tục ở Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ, Đức và Pháp để tích hợp tính biến đổi, bởi rễ cây là hệ thống rất dẻo: Cùng một cây trong cùng điều kiện canh tác có thể phát triển một hệ thống rễ khác.

Với tất cả thông tin, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Guillaume Lobet muốn thiết kế một mô phỏng quá trình phát triển của một cánh đồng lúa mì hoàn chỉnh. Và lần này gồm cả hệ thống gốc của nó, hệ thống này chưa từng có cho tới nay. Mô hình về động lực tăng trưởng cây trồng sau đó có thể được kết hợp với những mô hình dự báo khí hậu cho tất cả môi trường trồng lúa mì ở lục địa già. “Mục tiêu của chúng tôi là cung cấp công cụ cho người dân tại hiện trường để họ chọn cây trồng tốt hơn. Họ có thể biết những loại cây nào có thể đối phó với đợt hạn hán này”, Giáo sư Guillaume Lobet nhấn mạnh.

Vì vậy, với những mô hình kết hợp khác nhau, ta sẽ biết xác suất xảy ra hạn hán với từng môi trường địa phương, song song đó biết được loại đất trong môi trường.... Từ đó, ta có thể chứng minh trong trường hợp hạn hán, chẳng hạn, tốt hơn là nên có một loại cây trồng nào đó phát triển chậm ngay từ đầu và vì vậy sẽ cần ít nước và tiết kiệm nước cho giai đoạn tăng trưởng sau này hoặc tốt hơn là nên trồng cây khác.