Nghiên cứu của Tokizawa cho thấy rễ cây Arabidopsis phát triển trong môi trường đủ nitrat (trái) và thiếu nitrat (phải) với ít rễ bên, vì rễ bên rất quan trọng để giúp cây thu được nhiều nitrat hơn trong môi trường tăng trưởng giàu nitrat. Nguồn: Đại học Saskatchewan.

Tiến sỹ Mutsutomo Tokizawa tại Viện An ninh lương thực toàn cầu (GIFS), là tác giả chính của một nghiên cứu cùng với tiến sỹ Leon Kochian, Chủ tịch nghiên cứu về An ninh lương thực toàn cầu tại USask và là trưởng nhóm nghiên cứu tại GIFS. Các nhà nghiên cứu đã xác định được một cơ chế điều hòa mới giúp rễ cây bảo tồn tài nguyên trong môi trường đất thiếu nitơ và sử dụng chúng để tăng cường sự phát triển của rễ cái, giúp rễ cây có thể phát triển sâu hơn trong đất để tìm kiếm những khu vực có nồng độ chất dinh dưỡng cao hơn.

Những phát hiện này hỗ trợ các kế hoạch dài hạn nhằm phát triển các giống cây trồng mới có đặc điểm liên quan đến rễ, giúp các nhà sản xuất nông nghiệp tối ưu hóa việc sử dụng phân bón.

Tokizawa cho biết:  “Nitơ là chất dinh dưỡng quan trọng nhất cho sự phát triển của cây trồng và việc thu nhận nitrat từ rễ có ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng cây trồng. Cấu trúc rễ bị thay đổi đáng kể theo những thay đổi về nồng độ nitrat trong đất và một trong những mục tiêu của chúng tôi tại GIFS là phát triển bộ rễ tốt hơn góp phần đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu”.

Thực vật hấp thụ nhiều nitơ hơn bất kỳ chất dinh dưỡng nào khác, đó là lý do tại sao các sản phẩm có nguồn gốc từ nitơ chiếm phần lớn trong số hơn 200 triệu tấn phân bón nitơ, phốt pho và kali được các nhà sản xuất nông nghiệp trên khắp thế giới mua hàng năm.

Nghiên cứu của Tokizawa, được công bố gần đây trên Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), xem xét cách cây trồng phản ứng khi nitrat - dạng chính  cây thu được từ phân bón gốc nitơ như amoniac hoặc urê - không có sẵn ngay lập tức.

Dự án ra đời trong thời kỳ đại dịch: Không thể tiến hành công việc trong phòng thí nghiệm vào đầu năm 2020, Tokizawa bắt đầu xem lại dữ liệu thu thập được từ  kết quả của các sinh viên thực tập tốt nghiệp tại Đại học Gifu Nhật Bản, ban đầu xác định được một loại protein thú vị có tên là STOP1  có liên quan với phản ứng của thực vật với phốt pho và kali.

Trong bài báo, Tokizawa đã làm việc với các cộng tác viên tại Đại học Gifu và các đồng nghiệp khác trong nhóm nghiên cứu tương tác rễ - đất - vi khuẩn tại GIFS để tiến hành một loạt thí nghiệm trên cây Arabidopsis cho thấy STOP1 ức chế sự phát triển của rễ phụ được sinh ra  từ rễ cái khi thiếu hụt nitrat.

Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên chỉ ra rằng STOP1 có liên quan đến phản ứng của thực vật với cả ba thành phần dinh dưỡng chính trong phân bón - đạm, phốt pho và kali - cần thiết cho sự phát triển của cây trồng.

Tokizawa, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Thật ngạc nhiên khi thấy STOP1 là protein tham gia vào một số tương tác này, nhưng khi chúng tôi tìm hiểu thêm về thực vật, chúng tôi nhận thấy chúng phức tạp như thế nào, đặc biệt là liên quan đến phản ứng của thực vật trước căng thẳng”.

Tokizawa cho biết khám phá của nhóm đã đặt ra một số câu hỏi cho các nghiên cứu trong tương lai. Ông giải thích, mạng lưới các cơ quan điều hòa thúc đẩy các tương tác này cực kỳ phức tạp và cần phải nghiên cứu thêm để hiểu chính xác cách thực vật cảm nhận được một khu vực có lượng nitrat thấp sẵn có.

Chương trình của Kochian tại GIFS kiểm tra sự tương tác giữa rễ với rễ, giữa rễ, đất và các vi sinh vật trong đất có ảnh hưởng đáng kể đến độ phì nhiêu của đất và sức khỏe cây trồng. Hiểu được những tương tác này là rất quan trọng để tăng năng suất và thúc đẩy các hệ thống nông nghiệp bền vững trong môi trường đầy thách thức và đang thay đổi.

Kochian cho biết: “Rõ ràng là rễ vẫn là lĩnh vực tương đối mới chưa được khám phá trong nhân giống cây trồng và cải tiến cây trồng, nhưng chúng có vai trò quan trọng trong việc cải thiện phản ứng của cây trồng với biến đổi khí hậu, đặc biệt là hạn hán và lũ lụt”.

"Rễ lớn hơn cũng có thể giữ được nhiều carbon hơn trong đất. Từ tất cả các nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi thấy rằng có thể tăng kích thước hệ thống rễ mà không cần sử dụng quá nhiều carbon thực vật và cũng cần thiết cho việc cải thiện năng suất hạt giống và điều này làm tăng khả năng hấp thu nitơ, phốt pho và kali. Kết quả là tối ưu hóa lượng phân bón đầu vào và chi phí cho nông dân, cũng như giảm tác động đến môi trường và chi phí xử lý dòng chảy nitơ và phốt pho".

Theo iasvn.org