Những phát hiện này là bằng chứng đầu tiên đã được bình duyệt cho thấy vi các vi sinh vật được sửa gen cung cấp một tỷ lệ đáng kể nitơ cho nông dân trồng ngô thương phẩm
BERKELEY, California, ngày 15 tháng 11 năm 2024 /PRNewswire/ — Nghiên cứu được bình duyệt khoa học công bố hôm nay trên Scientific Reports trình bày về một công nghệ mới có thể cách mạng hóa phương pháp cung cấp nitơ cho cây trồng đã có từ hàng thế kỷ nay. Công trình này là kết quả của sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Wisconsin-Madison, Đại học Purdue và Pivot Bio, công ty chuyên về phát triển nông nghiệp bền vững hàng đầu thế giới, trong đó trình bày những bằng chứng đầu tiên cho thấy việc chỉnh sửa gen giúp vi sinh vật tăng khả năng cố định nitơ trong khí quyển và chuyển sang cây ngũ cốc.
Sử dụng nitơ được gắn nhãn đồng vị, các nhà nghiên cứu đã theo dõi hành trình nitơ trong không khí đến chất diệp lục của lá ngô, từ đó cung cấp bằng chứng cho thấy nitơ đã được cố định từ không khí bởi vi sinh vật được chỉnh sửa gen. Các nghiên cứu thực địa cũng cho thấy những vi sinh vật này có thể cố định và cung cấp nitơ tương đương với 40 pound (18,144 kg) phân đạm tổng hợp cho năng suất tương tự.
Cải thiện hiệu quả của phân bón nitơ từ lâu đã là một thách thức. “Vấn đề cốt lõi”, Tiến sĩ Bruno Basso, giáo sư khoa học môi trường tại Đại học bang Michigan, người không tham gia nghiên cứu, giải thích, “đó là hệ đất-thực vật-khí quyển là một hệ thống cực kỳ phức tạp”. Thời tiết khó dự đoán khiến việc cung cấp chất dinh dưỡng phù hợp với nhu cầu của cây trồng, xác định chính xác lượng nitơ mà cây cần và liệu chất dinh dưỡng có còn trong đất hay không trở nên khó khăn. “Phòng nghiên cứu của tôi đã dành nhiều năm hỗ trợ người nông dân, sử dụng công nghệ cảm biến tiên tiến và các mô hình máy tính để giúp họ hiểu rõ hơn về cánh đồng của mình và sử dụng phân đạm hiệu quả hơn, từ đó tăng lợi nhuận và giảm tác động đối với môi trường, ví dụ như thất thoát chất dinh dưỡng vào nguồn nước ngầm và phát thải khí nhà kính vào khí quyển.”
Diazotroph, một loại vi khuẩn đặc biệt có trong tự nhiên, có khả năng độc đáo là biến khí nitơ trong khí quyển thành amoni, thành phần cấu tạo nên axit amin và protein. Quá trình này, thường được gọi là cố định đạm sinh học (BNF), là loại dinh dưỡng nitơ chính cho cây trồng trong hàng ngàn năm trước khi phân đạm tổng hợp được phát minh.
“Các vi khuẩn diazotroph bản địa trong đất mất khả năng thực hiện BNF khi tiếp xúc với nồng độ nitơ cao trong đất trong thời gian dài. Đây là phản ứng tiến hóa để bảo tồn năng lượng vì BNF là một quá trình tiêu tốn rất nhiều năng lượng”, Tiến sĩ Jean-Michel Ané, giáo sư khoa vi khuẩn học và khoa học thực vật và hệ sinh thái nông nghiệp tại Đại học Wisconsin-Madison, đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích. “Chúng ta cần thuyết phục những vi khuẩn này duy trì mức BNF cao trong những môi trường có nhiều nitơ, chẳng hạn như đất được bón phân tổng hợp.“
Các nhà nghiên cứu tại Pivot Bio đã phát triển các vi sinh vật được chỉnh sửa gen bằng các phương pháp không chuyển gen để cho phép vi khuẩn diazotroph tiếp tục cung cấp nitơ cho cây trồng ngay cả trong điều kiện hàm lượng nitơ ở mức cao. Tiến sĩ Karsten Temme, Giám đốc đổi mới sáng tạo kiêm đồng sáng lập Pivot Bio và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Với việc chỉnh sửa gen, chúng ta làm cho vi khuẩn không nhận thấy sự hiện diện của nitơ trong môi trường xung quanh, vì vậy chúng tiếp tục cố định amoni, đưa trực tiếp amoni vào hệ rễ“. “Chúng tôi cũng đưa vào các hình thức chỉnh sửa khác để đảm bảo vi khuẩn có thể chuyển nitơ cố định sang cây trồng thay vì giữ lại cho chính nó.“
Công trình nghiên cứu trình bày bằng chứng về quá trình này diễn ra trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực địa. Đây cũng là công trình đầu tiên được bình duyệt khoa học trong đó nghiên cứu về PROVEN® 40, sản phẩm thương mại thế hệ thứ hai của Pivot Bio dành cho ngô có chứa vi sinh vật cố định đạm đã được chỉnh sửa gen.
“Phân đạm có thể được coi là phát minh quan trọng nhất của thế kỷ trước và sẽ giữ vai trò thiết yếu đối với sự phát triển và an ninh lương thực của thế giới trong tương lai gần. Tuy nhiên, chúng ta tin rằng nó có thể được sử dụng tốt hơn”, Tiến sĩ Temme cho biết. “Mục tiêu của Pivot Bio là cải thiện năng suất nông nghiệp bằng cách tăng hiệu quả sử dụng nitơ nhờ vi sinh vật được chỉnh sửa gen và giảm thiểu thất thoát phân bón tổng hợp ra môi trường.”
Đối với thực địa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều thí nghiệm đồng vị khác nhau để một lần nữa chứng minh quá trình cố định đạm, lần này là trong điều kiện thực tế, và định lượng nồng độ nitơ trong cây. Họ cũng thu thập hàng trăm mẫu từ những người nông dân đã giảm lượng phân đạm từ 35 đến 40 pound đạm trên một mẫu Anh, thay thế bằng phân bón PROVEN 40 của Pivot Bio. Trung bình, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng những cây được bón phân PROVEN 40 có mức nitơ cao hơn vào đầu vụ và không ảnh hưởng đến năng suất, mặc dù chúng được bón ít phân bón tổng hợp hơn.
“Rất khó để theo dõi lượng nitơ khi nó di chuyển từ không khí đến vi sinh vật rồi đến cây trồng. Tiến sĩ Ané giải thích: “Chúng tôi dựa vào dấu hiệu đồng vị của các nguyên tử nitơ có trong không khí so với trong đất”. Với các phép đo này, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra nitơ được đánh dấu đồng vị có trong chất diệp lục của lá ngô trong phòng thí nghiệm, một dấu hiệu cho thấy vi sinh vật đã cung cấp nitơ cho cây.
“Nghiên cứu sâu rộng này hứa hẹn đem đến nhiều kết quả tích cực vì nó đồng nghĩa với việc nông dân có thể bắt đầu giảm phân đạm mà không bị ảnh hưởng về năng suất: một giải pháp đôi bên cùng có lợi cho cả người nông dân và môi trường”, Tiến sĩ Temme cho biết. “Đây là một điều rất đáng mừng vì công nghệ này có khả năng nhân rộng cao. Sản phẩm của chúng ta đã được sử dụng trên hơn 13 triệu mẫu Anh tại Hoa Kỳ kể từ khi ra mắt thị trường cách đây 5 năm và đã tạo ra những tác động thực sự.”
Tiến sĩ Basso đồng tình. “Nếu công nghệ này tiếp tục được cải tiến và cung cấp nhiều nitơ hơn cho cây trồng, và họ chứng minh được điều này sẽ giúp giảm ô nhiễm môi trường và lượng khí thải carbon trong nông nghiệp nói chung, thì nó có thể là bước ngoặt đối với việc sử dụng và quản lý nitơ. Chúng ta càng thay thế phân bón tổng hợp bằng nguồn nitơ hiệu quả và bền vững hơn để hỗ trợ năng suất cây trồng thì càng tốt hơn cho người nông dân, cho cộng đồng và cho môi trường.”
Bạn có thể tìm thấy toàn bộ bài báo tại tạp chí Scientific Reports. Được thành lập vào năm 2011, Scientific Reports là một tạp chí truy cập mở thuộc Nature Portfolio, chuyên xuất bản các nghiên cứu gốc đáng chú ý trong lĩnh vực khoa học tự nhiên và lâm sàng và được biết đến với quy trình bình duyệt khoa học nghiêm ngặt.
Giới thiệu về Pivot Bio
Pivot Bio là công ty phát triển nông nghiệp bền vững hàng đầu thế giới chuyên cung cấp cho người nông dân các công nghệ dinh dưỡng cây trồng được cấp bằng sáng chế, khai thác sức mạnh của thiên nhiên để trồng một cách đáng tin cậy và hiệu quả các loại thực phẩm mà thế giới cần trước tình hình biến động ngày càng gia tăng. Hiện có mặt tại Bắc Mỹ và sắp có mặt tại Brazil, các sản phẩm của công ty là những sáng tạo công nghệ mang tính đột phá. Chúng nằm trong số những giải pháp khí hậu triển vọng nhất của ngành. Nitơ của công ty có khả năng chống chịu thời tiết, an toàn hơn khi xử lý và không bị rò rỉ hay góp phần tạo ra khí thải nitơ oxit. Pivot Bio đã ba lần được tạp chí Time vinh danh trong danh sách những phát minh hiệu quả nhất hàng năm, được Fast Company vinh danh trong danh sách Ý tưởng thay đổi thế giới và 50 công ty đổi mới sáng tạo nhất thế giới, được CNBC vinh danh trong danh sách Disruptor dành cho 50 công ty tư nhân hàng đầu, được Fortune vinh danh trong danh sách Impact 20 các công ty khởi nghiệp thúc đẩy lợi ích xã hội và được MIT Tech Review vinh danh là một trong 15 công ty công nghệ khí hậu đáng chú ý. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập PivotBio.com.
SOURCE Pivot Bio, Inc
