Nitơ là một trong những chất dinh dưỡng đa lượng chính mà thực vật cần để tồn tại, ngoài phốt pho và kali. Điều quan trọng đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, đặc biệt là trong các quá trình trao đổi chất như sản xuất axit nucleic, protein và các phân tử trợ giúp khác. Ni tơ là thành phần cơ bản của sắc tố xanh của thực vật được gọi là diệp lục, rất quan trọng cho quá trình quang hợp. Nitơ có nhiều trong khí quyển nhưng cây trồng không không thể hấp thu trực tiếp. Nó có thể được thực vật sử dụng hết khi nó được chuyển hóa thành amoniac do vi khuẩn cố định để tạo ra các phân tử chứa nitơ.

Việc sử dụng nitơ của cây trồng

Quá trình cố định đạm sinh học xảy ra ở một số thực vật thông qua hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn sống tự do hoặc cộng sinh. Vi khuẩn cộng sinh phổ biến liên quan đến quá trình cố định đạm là Rhizobium, chúng xâm nhập và sinh sản trong rễ cây họ đậu để lấy dinh dưỡng. Sau khi xâm nhập vào rễ khoảng một tuần, các nốt sần màu trắng hoặc xám hình thành ở rễ. Vi khuẩn thông qua hoạt động của enzyme để chuyển đổi khí nitơ (N₂) thành amoniac (NH₃). Thực vật sử dụng amoniac để sản xuất axit amin và các phân tử chứa nitơ khác. Sau đó, các nốt sần tăng kích thước và chuyển sang màu hồng, chứng tỏ quá trình cố định đạm đã xảy ra. Màu hồng là do leghemoglobin, một loại protein kiểm soát lượng oxy trong vi khuẩn.Cây trồng không kết hợp với vi khuẩn phải lấy nitơ từ đất. Tuy nhiên, việc cây trồng sử dụng ni tơ trong đất thường xuyên sẽ làm cạn kiệt nitơ. Vì vậy, cần thiết phẩm cung cấp bôt sung đạm cho cây trồng.

Từ khi phát hiện ra phân bón nitơ, việc sử dụng nitơ tổng hợp đã tăng lên dẫn đến năng suất cây trồng tăng đáng kể. Tuy nhiên, chỉ có 30-50% lượng đạm bón được cây trồng hấp thụ và lượng đạm thải ra gây ra những tác động đáng kể đến môi trường. Nó có thể góp phần làm tảo nở hoa và thiếu oxy (giảm oxy trong nước) dẫn đến suy giảm đa dạng của thủy sinh, đồng thời góp phần làm suy giảm tầng ozone và hiện tượng nóng lên toàn cầu. Vì vậy, các nhà khoa học đang tìm kiếm các chiến lược thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí hơn để cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ của cây trồng. Một trong những chiến lược này là việc sử dụng kỹ thuật di truyền.

Kỹ thuật di truyền cây trồng trong sử dụng nitơ hiệu quả

Việc cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ của thực vật đòi hỏi phải điều khiển một số gen liên quan đến sự hấp thu, chuyển vị và tái huy động nitơ; chuyển hóa carbon; mục tiêu báo hiệu; và các yếu tố điều tiết. Một số gen đã được phát hiện trong việc kiểm soát các quá trình này và đã được nghiên.

Cây ngô

Một trong những loại cây trồng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ là ngô. Cây lương thực toàn cầu quan trọng đòi hỏi lượng phân bón thâm canh. Tuy nhiên, giống như hầu hết các loại cây trồng, ngô chỉ hấp thụ một lượng nhỏ nitơ được bón, dẫn đến những vấn đề kinh tế cho người canh tác. Năm 2008, DuPont và Arcadia Biosciences đã báo cáo hoàn thành 5 năm thử nghiệm ở nhiều giống ngô trên đồng ruộng, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ và do đó có thể dẫn đến cải thiện kinh tế trang trại cũng như các tác động tích cực đến môi trường.

Hình: Ngô biến đổi gen sử dụng hiệu quả ni tơ trong đất, cho năng suất cao (ảnh sưu tầm).

Lúa mì

Năm 2012, Trung tâm Di truyền Chức năng Thực vật Úc và Tổ chức Nghiên cứu Công nghiệp và Khoa học Khối thịnh vượng chung (CSIRO) đã công bố sự hợp tác của họ với Vilmorin & Cie trong việc phát triển lúa mì sử dụng nitơ hiệu quả với mục đích giảm sử dụng phân bón nitơ ở Úc. Việc phát triển lúa mì biến đổi gen sẽ tác động đáng kể đến 35% dân số thế giới nơi lúa mì là cây trồng chủ yếu và chiếm 20% tổng lượng protein tiêu thụ.

CSIRO đã nộp đơn xin giấy phép cho các giao dịch liên quan đến 17 dòng lúa mì và 10 dòng lúa mạch biến đổi gen để cải thiện hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng ở quy mô hạn chế và trong điều kiện được kiểm soát.

Lúa gạo

là cây trồng lớn thứ hai và là cây lương thực chính của hơn một nửa dân số toàn cầu. Khoa sinh học Arcadia, Quỹ công nghệ nông nghiệp châu Phi và Trung tâm Nông nghiệp nhiệt đới quốc tế báo cáo (năm 2013), hai năm thử nghiệm thực địa về giống lúa sử dụng nitơ hiệu quả đã được hoàn thành ở Colombia. Các nhà nghiên cứu đã tích hợp công nghệ sử dụng nitơ hiệu quả với các giống lúa mới cho châu Phi do Trung tâm Lúa gạo châu Phi phát triển. Kết quả của các thử nghiệm cho thấy với việc sử dụng 50% lượng phân đạm thông thường, các dòng lúa chuyển gen có năng suất cao hơn giống thông thường 22% trong năm thử nghiệm đầu tiên và 30% vào năm tiếp theo.

Cải dầu

Cải dầu là một trong những cây trồng lấy hạt có dầu quan trọng nhất thế giới. Hạt chứa 44% dầu, cao hơn gấp đôi hàm lượng dầu trong đậu nành. Dầu hạt cải có đặc tính tốt cho tim và cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu sinh học vì hiệu quả vượt trội trong thời tiết lạnh. Tính đến năm 2007, Arcadia Biosciences đã hoàn thành 5 mùa trồng thử nghiệm cải dầu trên đồng ruộng. Kết quả khảo nghiệm cho thấy cây cải dầu có năng suất tương đương với các giống thông thường nhưng chỉ sử dụng một nửa lượng nitơ đầu vào cần thiết. Khi sử dụng cùng một lượng nitơ như các loại cây thông thường, năng suất tăng khoảng 15%.

Cây cải đường

Các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm thực địa trong ba năm để đánh giá hiệu suất năng suất của các giống củ cải đường biên đổi gen. Kết quả cho thấy các giống thí nghiệm cho năng suất cao hơn so với đối chứng khi sử dụng nhiều loại phân bón khác nhau trong nhiều năm.

Mía đường

Cây mía đường được trồng tới 25 triệu ha trên toàn thế giới, trở thành cây trồng đường lớn nhất thế giới. Phân đạm là yếu tố quan trọng trong việc tăng năng suất mía. Viện nghiên cứu mía đường Nam Phi và Arcadia Biosciences đã công bố vào năm 2011 sự hợp tác của họ trong việc sản xuất các giống mía năng suất cao, cần một nửa lượng phân đạm cần thiết cho các giống mía thông thường.

Triển vọng tương lai về việc sử dụng nitơ

Nghiên cứu theo dõi dài hạn cho thấy rằng 30 năm sau khi bón phân đạm vào đất nông nghiệp từ năm 1982, 12–15% nitơ có nguồn gốc từ phân bón vẫn tồn tại trong chất hữu cơ trong đất, trong khi 8–12% lượng phân bón trong đất chưa được hấp thu và bị rò rỉ, thấm vào nước ngầm. Một phần phân đạm còn lại có trong đất được dự đoán sẽ tiếp tục được cây trồng hấp thụ và rò rỉ vào nước ngầm dưới dạng nitrat trong ít nhất 50 năm nữa, lâu hơn nhiều so với nhận định trước đây. Với sự phát triển của các loại cây trồng sử dụng nitơ hiệu quả, những lo ngại về môi trường như những gì nghiên cứu phát hiện ra sẽ khắc phục triệt để hoặc ít nhất là giảm bớt. Đồng thời, nông dân sẽ giảm bớt thiệt hại kinh tế do chi phí mua phân bón nitơ và sử dụng nguồn lực của mình cho các đầu vào trang trại.

Phú Mỹ