Các nhà khoa học tại Đại học California, Davis (UC Davis, Mỹ) vừa công bố một bước tiến đáng chú ý trong công nghệ sinh học cây trồng: phát triển giống lúa mì có khả năng kích thích vi khuẩn trong đất tự cố định nitơ từ không khí. Công nghệ này được kỳ vọng giúp giảm phụ thuộc vào phân bón hóa học, qua đó cắt giảm ô nhiễm môi trường và chi phí sản xuất cho nông dân.

Nghiên cứu do Giáo sư danh dự Eduardo Blumwald (Khoa Khoa học Thực vật, UC Davis) dẫn đầu, đã được công bố trên tạp chí Plant Biotechnology Journal . Nhóm sử dụng công cụ chỉnh sửa gen CRISPR để tăng cường khả năng cây lúa mì sản sinh một hợp chất sinh học tự nhiên, từ đó thúc đẩy hoạt động của vi khuẩn cố định đạm trong đất.

Khác với cây họ đậu – vốn có nốt sần rễ để nuôi vi khuẩn cố định đạm – lúa mì và phần lớn cây ngũ cốc không có cơ chế này, nên phải phụ thuộc vào phân bón chứa nitơ. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tìm cách tạo nốt sần nhân tạo cho ngũ cốc nhưng chưa đạt kết quả như mong muốn.

Nhóm của Blumwald chọn hướng tiếp cận khác: thay vì thay đổi cấu trúc rễ, họ tìm cách hỗ trợ vi khuẩn cố định đạm hoạt động hiệu quả hơn ngay trong đất. Sau khi rà soát khoảng 2.800 hợp chất tự nhiên do thực vật tạo ra, nhóm xác định được 20 chất có khả năng kích thích vi khuẩn hình thành màng sinh học – lớp bảo vệ giúp duy trì môi trường ít oxy, điều kiện cần để enzyme nitrogenase thực hiện quá trình cố định nitơ.

Các nhà khoa học đã chỉnh sửa gen để lúa mì tạo ra nhiều hơn một flavone có tên apigenin . Phần apigenin dư thừa được rễ tiết vào đất, kích thích vi khuẩn hình thành màng sinh học và tăng cường chuyển hóa nitơ từ không khí thành dạng cây có thể hấp thụ. Thử nghiệm cho thấy lúa mì biến đổi vẫn đạt năng suất cao hơn cây đối chứng ngay cả khi được trồng với lượng phân bón nitơ rất thấp.

Trên toàn cầu, lúa mì là cây ngũ cốc có sản lượng lớn thứ hai và tiêu thụ khoảng 18% tổng lượng phân bón nitơ. Tuy nhiên, cây trồng chỉ hấp thụ khoảng 30–50% lượng nitơ được bón, phần còn lại bị rửa trôi ra sông hồ hoặc bay hơi vào khí quyển.

Lượng nitơ dư thừa trong nước gây hiện tượng phú dưỡng, tạo ra các “vùng chết” thiếu oxy, đe dọa sinh vật thủy sinh. Trong đất, nitơ có thể chuyển hóa thành oxit nitơ (N₂O) – một loại khí nhà kính có tác động làm nóng lên toàn cầu mạnh hơn nhiều so với CO₂. Công nghệ mới, bằng cách giúp cây tiếp cận nguồn nitơ sinh học tự nhiên, có thể góp phần giảm đáng kể các tác động tiêu cực này.

Lợi ích kinh tế cũng được đánh giá là rất đáng kể. Theo Bộ Nông nghiệp Mỹ, nông dân nước này đã chi gần 36 tỷ USD cho phân bón trong năm 2023. Với khoảng 500 triệu mẫu Anh trồng ngũ cốc, chỉ cần giảm 10% lượng phân bón sử dụng cũng có thể giúp tiết kiệm hơn 1 tỷ USD mỗi năm, theo ước tính của nhóm nghiên cứu.

Ở các nước đang phát triển, nơi nhiều nông dân quy mô nhỏ không đủ khả năng mua phân bón, giống cây có khả năng hỗ trợ cố định đạm tự nhiên có thể góp phần cải thiện năng suất và an ninh lương thực.

Công trình về lúa mì được phát triển dựa trên nghiên cứu trước đó của nhóm với cây lúa gạo, và hiện đang được mở rộng sang các loại ngũ cốc khác. Đại học California đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ này và đang chờ xét duyệt. Nghiên cứu nhận được tài trợ từ Bayer Crop Science và Quỹ Will Lester của UC Davis.

Nếu được thương mại hóa, đây có thể trở thành một hướng đi quan trọng trong phát triển nông nghiệp bền vững, giảm phụ thuộc vào phân bón hóa học trong khi vẫn đảm bảo năng suất cây trồng.