Nghiên cứu cho thấy rễ `dốc thẳng đứng, nhiều và sâu` giúp cây ngô đối phó với hạn hán
Thực vật biểu hiện kiểu hình rễ tiết kiệm thực sự mọc ít rễ hơn, đảm bảo rằng số ít rễ được tạo ra có đủ khả năng để phát triển sâu vào đất, điều này đặc biệt quan trọng trong điều kiện hạn hán. Hình trên cho thấy các rễ mô phỏng ở các địa điểm trồng ngô ở Boone County, Iowa, Hoa Kỳ và Tepatitlán, Jalisco, Mexico. Nguồn: Penn State, Tổ chức phi lợi nhuận.
Rất hiếm khi xuất hiện trong tự nhiên nhưng hóa ra nhiều hơn so với chúng ta nghĩ. Nhưng đó là trường hợp khi đề cập đến rễ ngô đối phó với điều kiện khô hạn, theo một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế do Penn State dẫn đầu, là người đã phát hiện ra bằng chứng về lợi ích của kiểu hình rễ "tiết kiệm" trong một nghiên cứu mới.
Parsimonius - được định nghĩa là "không muốn sử dụng tài nguyên, keo kiệt hoặc tiết kiệm" - là từ mô tả hoàn hảo cho các đặc điểm được xác định về mặt di truyền cho phép thực vật đạt được sự tăng trưởng sinh dưỡng được cải thiện, theo tác giả chính của nghiên cứu, Jonathan Lynch, giáo sư khoa học thực vật nổi tiếng ở Đại học Khoa học Nông nghiệp. Ông đã chỉ ra chiến lược tiết kiệm rễ bao gồm các loại cây phát triển "rễ dốc thẳng đứng, tiết kiệm và sâu".
"Dốc đứng" đề cập đến các đặc điểm kiến trúc như góc tăng trưởng làm cho rễ hướng xuống dưới ở một góc sắc nét hơn, tìm kiếm sâu hơn để lấy nguồn nước và chất dinh dưỡng khan hiếm. “Tiết kiệm” đề cập đến chi phí trao đổi chất đối với cây ngô và bao gồm các đặc điểm như tạo ra ít rễ hơn và tạo ra rễ có khoảng không khí bên trong (mô khí) để giảm số lượng tế bào sống.
Lynch đã giải thích rằng thực vật biểu hiện kiểu hình rễ tiết kiệm thực sự phát triển ít rễ hơn. Điều này đảm bảo rằng một số ít rễ được tạo ra có đủ khả năng để phát triển sâu vào đất, điều này đặc biệt quan trọng trong điều kiện hạn hán. Vì thế, đặc tính của rễ là tiết kiệm, dốc thẳng đứng và sâu.
Lynch đã lưu ý rằng như một phần thưởng bổ sung, kiểu hình rễ tiết kiệm cho phép thực vật lưu trữ hoặc cô lập nhiều carbon khí quyển sâu hơn trong đất, nơi nó sẽ tồn tại trong thời gian dài.
Ông nói: “Đó là một cân nhắc quan trọng với biến đổi khí hậu dự kiến sẽ làm tăng tần suất và mức độ bất lợi nghiêm trọng của hạn hán trong tương lai. Chúng tôi tin rằng cây trồng có thể được tạo ra để chống chịu hạn hán tốt hơn và có khả năng cô lập carbon khí quyển trong đất tốt hơn bằng cách chọn các kiểu hình rễ thích hợp”.
Để kiểm tra các giả thuyết của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một mô hình mô phỏng đất/thực vật cấu trúc chức năng mã nguồn mở có tên là OpenSimRoot - một công cụ mạnh mẽ được phát triển tại Penn State trong ba thập kỷ qua - cho phép họ mô phỏng rõ ràng hình dạng của rễ và các đặc tính của đất trong không gian ba chiều theo thời gian.
Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã thử nghiệm khả năng của một số biến thể của kiểu mẫu dốc đứng, tiết kiệm và sâu so với kiểu hình rễ tham chiếu của ngô trong điều kiện hạn hán và mưa trong ba môi trường sản xuất ngô riêng biệt. Để mô phỏng chính xác hệ thống nông nghiệp trồng ngô nhờ nước trời, các bộ dữ liệu khí hậu và đất thực tế cho ba địa điểm trồng ngô khác nhau đã được sử dụng: Boone County, Iowa, Hoa Kỳ; Zaria Kaduna, Nigeria; và Tepatitlán, Jalisco, Mexico.
Trong các phát hiện được công bố gần đây trên tạp chí Frontiers in Plant Science, các nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng trong tất cả các môi trường nơi thực vật bị hạn hán, kiểu hình dốc đứng, tiết kiệm và sâu dẫn đến sinh khối chồi lớn hơn sau 42 ngày tăng trưởng. Như một lợi thế bổ sung, họ đã phát hiện ra lượng carbon lắng đọng dưới 2 feet (0,66m) trong đất đối với kiểu hình dốc đứng, tiết kiệm và sâu gấp đôi so với kiểu hình tham chiếu trong năm trên sáu môi trường mô phỏng.
Trong điều kiện khô hạn được mô phỏng, các kiểu hình dốc đứng, tiết kiệm và sâu khác so với kiểu hình tham chiếu theo một số cách quan trọng giúp tăng hiệu suất và khả năng sống sót của cây. Các kiểu hình "dốc đứng, tiết kiệm và sâu" tạo ra khoảng một nửa số lượng rễ trục nông, các góc của tất cả các rễ trung bình dốc hơn 20 độ so với các kiểu hình tham chiếu, mật độ phân nhánh của rễ bên (thước đo khả năng chịu hạn càng thấp càng tốt) giảm 50% và thể tích khí mô (mô rễ chứa không gian khí mở rộng để vận chuyển nước và chất dinh dưỡng) đã tăng từ 20% lên 40%.
Do ngô là cây trồng chính ở Hoa Kỳ và là cây trồng đảm bảo an ninh lương thực quan trọng ở Châu Phi và Châu Mỹ Latinh và vì hạn hán đã là một hạn chế lớn đối với sản xuất cây trồng toàn cầu và đang gia tăng do hậu quả của biến đổi khí hậu toàn cầu, nên những phát hiện của nghiên cứu này rất quan trọng, Lynch gợi ý, đồng thời nói thêm rằng những phát hiện này chỉ ra con đường hướng tới sự phát triển của các loại cây trồng có khả năng phục hồi tốt hơn.
Lynch cho biết: “Chúng tôi tin rằng có thể cải thiện sự tăng trưởng của cây trồng và khả năng hấp thụ carbon trong đất sâu bằng cách nhân giống những cây ngô có ít rễ cọc hơn, giảm mật độ phân nhánh của rễ bên và hình thành mô khí nhiều hơn. Nghiên cứu này mang lại thông tin mà các nhà lai tạo ngô có thể sử dụng để phát triển khả năng chịu hạn tốt hơn bằng cách chọn những cây có kiểu hình rễ sâu, dốc thẳng đứng và tiết kiệm, với ít rễ thực hơn”.
