Khoa học nông nghiệp

Biến đổi vi khuẩn để sản xuất phân bón từ không khí (02/08/2018)

Trong tương lai, cây sẽ có thể tự sản xuất phân bón. Người nông dân sẽ không cần phải mua phân bón cho cây trồng. Và sản lượng lương thực tăng sẽ mang lại lợi ích cho hàng tỷ người trên khắp thế giới.

Nghiên cứu mới của trường Đại học Washington chứng minh khả năng biến đổi cây trồng để tạo ra loại phân bón riêng. Phát hiện này có thể tác động mạnh đến ngành nông nghiệp và hiện trạng của hành tinh.

Sản xuất phân bón là quy trình tiêu tốn năng lượng và phát thải kính nhà kính gây biến đổi khí hậu. Quy trình này không hiệu quả. Bón phân là hệ thống phân phối nitơ, mà thực vật sử dụng để tạo ra chất diệp lục cho quá trình quang hợp, nhưng cây trồng sử dụng chưa đến 40% nitơ trong phân bón thương mại. 

Sau khi cây được bón phân, một vấn đề khác nảy sinh là dòng chảy. Khi trời mưa, phân bón đổ xuống sông, suối, vịnh và hồ, có thể khiến tảo phát triển ngoài tầm kiểm soát, ngăn chặn ánh nắng mặt trời và tiêu diệt các loài động, thực vật sinh sống bên dưới.

Tuy nhiên, có một nguồn nitơ phong phú khác xung quanh chúng ta. Trong bầu khí quyển của Trái đất, nitơ chiếm khoảng 78%. Nhóm nghiên cứu đã biến đổi một loại vi khuẩn có thể sử dụng khí nitơ trong khí quyển trong quá trình được gọi là "cố định" đạm - một bước quan trọng hướng tới loại cây trồng biến đổi có khả năng thực hiện nhiệm vụ tương tự.

Nghiên cứu này bắt nguồn từ thực tế là dù không có cây trồng nào có thể cố định đạm từ không khí, nhưng một tập con của vi khuẩn lam (vi khuẩn quang hợp giống như thực vật) lại làm được điều này. Vi khuẩn lam có thể cố định đạm, dù oxy, sản phẩm phụ của quá trình quang hợp, cản trở quá trình này. Vi khuẩn Cyanothece với khả năng cố định đạm được sử dụng trong nghiên cứu. Himadri Pakrasi, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: "Vi khuẩn lam là vi khuẩn duy nhất có nhịp sinh học". Thật thú vị, Cyanothece quang hợp trong ngày, chuyển đổi ánh nắng mặt trời thành năng lượng hóa học được vi khuẩn sử dụng làm nhiên liệu và cố định đạm vào ban đêm, sau khi loại bỏ hầu hết oxy sinh ra trong quá trình quang hợp thông qua hô hấp.

Nhóm nghiên cứu mong muốn tách các gen của Cyanothece đảm nhiệm cơ chế đêm - ngày và cấy vào Synechocystis - một loại vi khuẩn lam khác để thu hút vi khuẩn này cố định đạm từ không khí. Để xác định đúng trình tự của các gen, nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm tín hiệu nhịp sinh học. Các nhà khoa học đã loại bỏ oxy khỏi Synechocystis và bổ sung các gen từ Cyanothece. Kết quả là Synechocystis đã cố định đạm bằng 2% mức của Cyanothece. Tuy nhiên, điều thú vị xuất hiện khi Liu, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ và là đồng tác giả nghiên cứu bắt đầu loại bỏ một số gen đó; chỉ với 24 gen Cyanothece, Synechocystis đã cố định đạm với tỷ lệ bằng hơn 30% Cyanothece.

Tỷ lệ cố định đạm giảm đáng kể với khi bổ sung thêm một ít oxy (1%), nhưng tăng trở lại khi được bổ sung một nhóm gen khác từ Cyanothece, dù nó không đạt tỷ lệ cao mà không có sự hiện diện của oxy. Bước tiếp theo, các nhà khoa học sẽ nghiên cứu chi tiết quy trình để thu hẹp hơn nữa các tập hợp con của các gen cần để cố định đạm.

Nguồn: N.T.T (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 24/7/2018