Sử dụng nitơ của cây trồng
Sự cố định đạm sinh học xảy ra ở một số loài thực vật thông qua các hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn sống tự do hoặc cộng sinh. Một loại vi khuẩn cộng sinh phổ biến tham gia vào quá trình cố định đạm được gọi là Rhizobium, xâm nhập và sinh sản ở rễ cây họ đậu để lấy dinh dưỡng. Sau khoảng một tuần nhiễm -trùng, các nốt sần màu trắng hoặc xám hình thành ở rễ. Vi khuẩn thông qua hoạt động của enzyme nitrogenase, chuyển đổi khí nitơ (N₂) thành amoniac (NH₃). Cây 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, cho thấy quá trình cố định đạm đã diễn ra. Màu hồng là do leghemoglobin, dạng protein kiểm soát dòng oxy trong vi khuẩn. Thực vật không hình thành mối liên kết với vi khuẩn phải lấy nitơ từ đất. Tuy nhiên, việc sử dụng đất thường xuyên ở đất nông nghiệp sẽ làm cạn kiệt nitơ. Do đó, phân bón nitơ được bón.

Hình: Các nốt sần chứa vi khuẩn cố định đạm Rhizobium (Ảnh Internet)

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

Kỹ thuật di truyền sử dụng hiệu quả nitơ
Cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ của cây trồng đòi hỏi phải nghiên cứu các gen liên quan đến quá trình hấp thụ, vận chuyển và tái huy động nitơ; chuyển hóa carbon; mục tiêu truyền tín hiệu; và các yếu tố điều hòa. Các gen (Bảng 1) từ các nguồn khác nhau đã được tìm thấy để kiểm soát các quá trình này và đã được nghiên cứu xem liệu việc điều chỉnh/ghép các gen có thể dẫn đến việc sử dụng nitơ tốt hơn ở thực vật hay không.
Các gen được nghiên cứu để cải thiện việc sử dụng nitơ

Các giống cây trồng sử dụng nitơ hiệu quả (NUE)
Cây bắp
Một trong những loại cây trồng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ là cây bắp. Tuy nhiên, giống như hầu hết các loại cây trồng khác, cây bắp chỉ hấp thụ một lượng nhỏ nitơ được bón, dẫn đến các vấn đề kinh tế cho người nông dân. Năm 2008, các nhà khoa học đã thử nghiệm thực địa nhiều lần đối với các giống bắp, mang lại hiệu quả sử dụng nitơ được cải thiện và do đó có thể dẫn đến cải thiện kinh tế trang trại cũng như các tác động tích cực đến môi trường.
Cây lúa mì
Vilmorin và Cie trong việc phát triển lúa mì sử dụng nitơ hiệu quả với mục đích giảm việc sử dụng phân bón nitơ ở Úc. Phát triển lúa mì NUE sẽ tác động đáng kể đến 35% dân số thế giới, nơi lúa mì là cây trồng chính và chiếm 20% tổng lượng protein hấp thụ.
CSIRO đã nộp đơn xin cấp giấy phép kinh doanh liên quan đến 17 dòng lúa mì và 10 dòng lúa mạch đã được 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.
Cây lúa gạo
Lúa gạo là cây trồng lớn thứ hai và là lương thực chính của hơn một nửa dân số toàn cầu. AATF và CIAT đã báo cáo, sau 2 năm thử nghiệm trên đồng ruộng về lúa hiệu quả sử dụng nitơ đã hoàn thành tại Colombia. Các nhà nghiên cứu đã tích hợp công nghệ hiệu quả sử dụng nitơ với các giống Lúa mới cho Châu Phi. Kết quả của các thử nghiệm cho thấy với lượng bón bằng 50% lượng bón thông thường, các dòng lúa chuyển gen đã cho năng suất cao hơn giống lúa thông thường 22% trong năm đầu tiên thử nghiệm và 30% vào năm tiếp theo.
Cây cải dầu
Cây cải dầu là một trong những cây trồng lấy dầu quan trọng nhất thế giới. Hạt chứa 44% dầu, cao gấp đôi hàm lượng dầu của đậu nành. Dầu cải có đặc tính tốt cho tim và cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học vì khả năng chịu thời tiết lạnh đặc biệt của nó. Tính đến năm 2007, AATF đã hoàn thành năm mùa thử nghiệm thực địa về cải dầu. Kết quả của các thử nghiệm cho thấy cây cải dầu có năng suất tương đương với các giống thông thường, nhưng chỉ sử dụng một nửa lượng nitơ cần thiết. Khi sử dụng cùng một lượng nitơ với cây thông thường, năng suất tăng khoảng 15%.
Cây củ cải đường
Các nhà khoa học đã tiến hành 3 năm thử nghiệm thực địa để đánh giá hiệu suất năng suất của các giống củ cải đường NUE. Kết quả cho thấy các giống thử nghiệm cho năng suất cao hơn so với các giống đối chứng dưới nhiều loại phân bón khác nhau trong nhiều năm. Hiện tại, họ đang chuẩn bị dữ liệu quy định sẽ có sẵn cho tất cả các bên được cấp phép công nghệ NUE.
Cây mía đường
Cây mía đường được trồng trên diện tích 25 triệu ha trên toàn thế giới, trở thành cây trồng lấy đường lớn nhất thế giới. Phân đạm là yếu tố quan trọng giúp tăng năng suất mía. Viện nghiên cứu mía Nam Phi và Arcadia Biosciences đã công bố việc sản xuất các giống mía đường năng suất cao chỉ cần một nửa lượng phân đạm cần thiết cho các giống mía thông thường.
Triển vọng tương lai về việc sử dụng nitơ hiệu quả của cây trồng
Một nghiên cứu theo dõi dài hạn cho thấy 30 năm sau khi bón phân đạm vào đất nông nghiệp năm 1982, 12–15% đạm có nguồn gốc từ phân bón vẫn còn tồn tại trong chất hữu cơ của đất, trong khi 8–12% phân bón đã 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 thấm vào nước ngầm dưới dạng nitrat trong ít nhất 50 năm nữa, lâu hơn nhiều so với nhận thức trước đây. Với sự phát triển của các loại cây trồng sử dụng đạm hiệu quả, các mối quan tâm về môi trường như những gì nghiên cứu phát hiện ra sẽ bị xóa bỏ hoặc ít nhất là giảm đi. Đồng thời, nông dân sẽ giảm thiểu tổn thất kinh tế do phân đạm và sử dụng các nguồn lực của họ cho các đầu vào nông nghiệp khác hoặc thậm chí nhiều hạt giống cây trồng hơn để thu hoạch nhiều hơn.

Tú Nguyễn