Các nhà nghiên cứu từ Viện Sinh học Tiến hóa Max Planck ở Plön và Đại học Würzburg trình bày một mô hình toán học mới về động lực quần thể và sự phát triển của tính kháng thuốc diệt cỏ ở cỏ dại lâu năm.

Cỏ dại luôn là một vấn đề nghiêm trọng đối với nông nghiệp. Chúng cạnh tranh với cây trồng các nguồn như ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng, điều này có thể dẫn đến tổn thất năng suất nghiêm trọng. Sự ra đời của thuốc diệt cỏ vào nửa sau của thế kỷ trước là một bước đột phá lớn để kiểm soát cỏ dại trong nông nghiệp truyền thống. Thuốc diệt cỏ cho phép loại bỏ cỏ dại hiệu quả với việc sử dụng lao động đặc biệt thấp, đã thay thế phần lớn việc làm cỏ thủ công hoặc hoàn toàn bằng máy móc.

Tuy nhiên, trong những năm qua, một số loài đã phát triển khả năng kháng các loại thuốc diệt cỏ khác nhau, điều này đặt ra thách thức lớn đối với nông nghiệp (trong việc kiểm soát chúng) và cuối cùng có thể đe dọa an ninh lương thực. Kháng thuốc diệt cỏ xảy ra một cách tự phát và có thể đã xuất hiện với tần suất thấp trong quần thể cỏ dại chưa bao giờ được xử lý bằng thuốc diệt cỏ. Khi sử dụng thuốc diệt cỏ, các cây kháng thuốc có lợi thế cạnh tranh và mật độ quần thể của chúng tăng lên nhanh chóng. Một khi tỷ lệ cây kháng bệnh đủ cao, quần thể cỏ dại không còn bị thuốc diệt cỏ ức chế nữa.

Tóm tắt nghiên cứu. Hình minh họa trình bày các giai đoạn sống của cỏ Johnson với việc sử dụng thuốc diệt cỏ để kiểm soát nó. Nguồn: Viện Sinh học Tiến hóa Max Planck.

Cỏ dại lâu năm

Các loại cỏ dại lâu năm như cỏ Johnson (lat. Sorghum halepense) đặc biệt khó kiểm soát và có thể dẫn đến thiệt hại lớn về năng suất. Lý do cho điều này là chúng sinh sản hữu tính thông qua hạt, nhưng cũng có thể sinh sản sinh dưỡng thông qua các trục chồi phát triển theo chiều ngang dưới lòng đất, được gọi là thân rễ. Nguồn cung cấp hạt giống không hoạt động trong đất đảm bảo rằng số lượng cỏ dại sẽ tăng trở lại vào mùa tới. Điều này có thể kiểm soát tốt hơn bằng cách làm đất bổ sung và luân canh cây trồng thích hợp. Tương tự như việc sử dụng thuốc kháng sinh, sự kết hợp của các loại thuốc diệt cỏ khác nhau hoặc luân phiên sử dụng chúng có thể làm chậm lại sự xuất hiện tính kháng thuốc.

Các phương pháp kiểm soát cỏ dại có thể được nghiên cứu trong các nghiên cứu thực địa. Tuy nhiên, chúng đương nhiên bị hạn chế về thời gian và số lượng. Mô hình toán học đã được chứng minh là cực kỳ có giá trị để dự đoán động lực quần thể và sự phát triển của tính kháng thuốc ở cỏ dại. Tuy nhiên, hầu hết các mô hình chỉ xử lý cây hàng năm vì vòng đời của cỏ dại lâu năm rất phức tạp.

Khả năng dự đoán

Các nhà nghiên cứu tại Viện Sinh học Tiến hóa Max Planck ở Plön và Đại học Würzburg đã phát triển một mô hình toán học dự đoán động lực quần thể và sự phát triển của tính kháng thuốc diệt cỏ ở  cỏ Johnson. Mô hình này ghi lại vòng đời phức tạp của cây trồng và ảnh hưởng của thuốc diệt cỏ và việc làm đất. Điều này cũng cho phép điều tra tác động của các đặc điểm cụ thể của vòng đời đối với việc kiểm soát cỏ dại lâu năm và sự xuất hiện tính kháng thuốc. Sử dụng các mô phỏng trên máy tính, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra, giữa những thứ khác nữa, chiến lược kiểm soát nào có hiệu quả trong việc trì hoãn sự phát triển của tính kháng thuốc diệt cỏ và giữ cho quần thể cỏ dại ở mức nhỏ.

Sự kết hợp của một số loại thuốc diệt cỏ với các phương thức hoạt động khác nhau rõ ràng là vượt trội so với luân canh và xử lý đơn độc trong việc kiểm soát quần thể cỏ Johnson và khả năng kháng thuốc diệt cỏ.

Chúng làm giảm nguy cơ kháng thuốc diệt cỏ và thất bại trong việc kiểm soát cỏ dại. Tuy nhiên, trong bối cảnh này, các nhà khoa học cũng thảo luận về khả năng gia tăng tác động môi trường do sử dụng nhiều thuốc diệt cỏ hơn. Mặt khác, việc luân phiên sử dụng thuốc diệt cỏ không thể trì hoãn sự xuất hiện tính kháng thuốc, nhưng chúng làm chậm sự phát triển của các quần thể kháng thuốc. Các kết quả tiếp tục chỉ ra rằng làm đất là một yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát cỏ Johnson, mật độ cỏ dại và do đó giảm nguy cơ thất bại trong kiểm soát cỏ dại.

Mô hình được phát triển góp phần hiểu rõ hơn về sự xuất hiện và lan rộng tính kháng thuốc diệt cỏ trong quần thể cỏ dại. Do đó, nghiên cứu có thể giúp phát triển các chiến lược kiểm soát cỏ dại bền vững. Nghiên cứu gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Plants.