Lúa mì chỉnh sửa gen có khả năng “tự tạo” phân bón

Giống lúa mì mới được nhóm của giáo sư Eduardo Blumwald tạo ra bằng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR. Nhóm nghiên cứu tăng cường khả năng sản sinh một hợp chất tự nhiên của cây. Khi được rễ tiết xuống đất, hợp chất này hỗ trợ các vi khuẩn có khả năng chuyển urani trong không khí thành dạng nitơ mà cây trồng có thể hấp thụ – quá trình cố định đạm. Công trình đăng trên Plant Biotechnology Journal.

Blumwald cho rằng kỹ thuật này đặc biệt hữu ích với các khu vực đang phát triển. Ông nói: “Ở châu Phi, người dân không dùng phân bón vì không có tiền và ruộng rất nhỏ, chỉ khoảng 6-8 mẫu. Hãy tưởng tượng bạn trồng những cây có thể kích thích vi khuẩn trong đất tự tạo ra lượng phân bón mà cây cần”.

Phát hiện này kế thừa thành công trước đó của nhóm trên cây lúa, và đang được mở rộng sang các loại ngũ cốc khác.

Lúa mì hiện là ngũ cốc đứng thứ hai thế giới và chiếm khoảng 18% lượng phân đạm sử dụng toàn cầu. Theo Tổ chức Lương Nông Liên hợp quốc, năm 2020 thế giới sản xuất hơn 800 triệu tấn phân bón. Tuy nhiên, cây trồng chỉ hấp thụ được 30–50% lượng phân được bón; phần còn lại trôi ra sông biển gây vùng “chết” thiếu oxy hoặc tạo ra khí nitrous oxide – một khí nhà kính mạnh.

Khác với cây họ đậu có nốt sần rễ để tạo môi trường ít oxy cho vi khuẩn cố định đạm, lúa mì và hầu hết cây trồng khác không có cấu trúc này nên phụ thuộc vào phân bón tổng hợp. “Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng tạo nốt sần cho cây ngũ cốc hoặc cố gắng đưa vi khuẩn cố định đạm vào rễ nhưng không thành công. Chúng tôi chọn cách khác,” ông Blumwald nói. “Chúng tôi cho rằng vị trí của vi khuẩn không quan trọng, miễn là nitơ được cố định có thể đến được cây để cây sử dụng”.

Nhóm nghiên cứu sàng lọc 2.800 hợp chất tự nhiên của thực vật và tìm ra 20 hợp chất giúp vi khuẩn tạo lớp màng sinh học – một lớp bọc giúp duy trì môi trường ít oxy cho enzyme nitrogenase hoạt động. Sau khi xác định các gen liên quan, nhóm dùng CRISPR để tăng sản xuất một hợp chất flavone đặc biệt gọi là apigenin. Khi lúa mì tạo ra dư apigenin và tiết xuống đất, vi khuẩn sẽ hình thành màng sinh học bảo vệ, tạo điều kiện để nitrogenase cố định nitơ thành dạng cây hấp thụ được. Trong điều kiện bón phân rất thấp, giống lúa mì chỉnh sửa gen cũng cho năng suất cao hơn so với giống đối chứng.

Theo Bộ Nông nghiệp Mỹ, nông dân nước này đã chi gần 36 tỷ USD cho phân bón trong năm 2023. Blumwald cho biết Mỹ có khoảng 500 triệu mẫu đất trồng ngũ cốc. Ông nhấn mạnh: “Hãy tưởng tượng nếu có thể giảm 10% lượng phân bón trên diện tích đó. Tính toán thận trọng thì tiết kiệm cũng hơn một tỷ USD mỗi năm”.

Đại học California đã nộp đơn đăng ký bằng sáng chế về giống lúa mì này.