Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Trong nỗ lực tăng năng suất cây trồng, các nhà khoa học đang nghiên cứu các cộng đồng vi khuẩn và nấm trong đất để hiểu vi khuẩn đang tác động đến cây trồng nông nghiệp như thế nào. Họ tin rằng những tiến bộ công nghệ trong khoa học microbiome cuối cùng sẽ giúp nông dân trên toàn thế giới trồng nhiều thực phẩm hơn với chi phí thấp hơn.
Nhu cầu và tiêu thụ toàn cầu của cây trồng nông nghiệp đang tăng với tốc độ nhanh. Theo Báo cáo năng suất nông nghiệp toàn cầu năm 2019, năng suất toàn cầu cần tăng với tốc độ trung bình hàng năm là 1,73% để sản xuất lương thực, thức ăn, chất xơ và năng lượng sinh học bền vững cho 10 tỷ người vào năm 2050. Tuy nhiên ở Mỹ, năng suất nông nghiệp đang phải vật lộn theo kịp tốc độ tăng dân số, nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu về thực tiễn truyền thống cũng như những phương thức mới.
Trong nỗ lực tăng năng suất cây trồng, các nhà khoa học tại Viện mầm bệnh và vi sinh vật (PMI) của Đại học Bắc Arizona đang hợp tác với các nhà nghiên cứu của Đại học Purdue để nghiên cứu các cộng đồng vi khuẩn và nấm trong đất để hiểu vi khuẩn ảnh hưởng đến cây trồng nông nghiệp như thế nào. Họ tin rằng những tiến bộ công nghệ trong khoa học microbiome cuối cùng sẽ giúp nông dân trên toàn thế giới trồng nhiều thực phẩm hơn với chi phí thấp hơn.
Nicholas Bokulich, giáo sư trợ lý nghiên cứu PMI, và Greg Caporaso, phó giáo sư khoa học sinh học và giám đốc Trung tâm khoa học vi sinh ứng dụng (CAM) của PMI đã thử nghiệm niềm tin nông nghiệp từ lâu rằng phylogenetic – nghiên cứu về tiến hóa mối quan hệ giữa các sinh vật – nên được sử dụng để xác định lịch trình luân canh cây trồng.
Nhóm nghiên cứu gần đây đã công bố những phát hiện liên quan đến nghiên cứu microbiome trong sản xuất thực phẩm nông nghiệp trong Ứng dụng tiến hóa (Evolutionary Applications) . Bài báo có tiêu đề, “Nông nghiệp phát sinh gen: Lịch sử tiến hóa có thể dự đoán luân canh cây trồng thông qua hệ vi sinh vật đất?”
Cụ thể, cách tiếp cận truyền thống là luân canh các loại cây trồng có liên quan xa nhau trong các năm khác nhau để tối đa hóa năng suất cây trồng. Một giả thuyết cho lý do tại sao điều này có thể hữu ích là mầm bệnh thực vật chỉ dành riêng cho một vật chủ hoặc các vật chủ liên quan rất chặt chẽ. Nếu chúng ta trồng các loại cây trồng liên quan chặt chẽ trong những năm liền kề, có nhiều khả năng mầm bệnh có thể nằm chờ chúng chủ nhà trong năm thứ hai. Nhưng giả thuyết này chưa được thử nghiệm trực tiếp.
Thí nghiệm của nhóm, được hỗ trợ bởi một khoản trợ cấp từ Viện Nông nghiệp và Thực phẩm Quốc gia USDA kéo dài hai mùa phát triển ngoài trời. Trong năm đầu tiên, các nhà khoa học của Purdue, Kathryn Ingerslew và Ian Kaplan đã trồng 36 loại cây trồng và cỏ dại khác nhau về sự khác biệt tiến hóa từ cà chua. Các ô thí nghiệm trải dài từ cà chua (cùng loài) đến cà tím (cùng chi với cà chua, nhưng là một loài khác nhau) và ớt ngọt (cùng họ với cà chua, nhưng trong một chi và loài khác) thông qua ngô, lúa mì và lúa mạch đen, đó là họ hàng xa của cà chua.
Trong mùa thứ hai, các nhà nghiên cứu chỉ trồng cà chua trên tất cả các lô. Họ phát hiện ra rằng trong những mảnh đất trồng cà chua trong mùa đầu tiên, năng suất cà chua hai năm thấp hơn so với năm đầu tiên, như họ mong đợi. Tuy nhiên, không có sự giảm đáng kể năng suất cà chua trên bất kỳ lô nào khác. Kết quả này cho thấy rằng trong khi luân canh cây trồng thực sự quan trọng đối với năng suất, thì hiệu quả có thể không vượt quá mức loài.
Kaplan, giáo sư côn trùng học cho biết: “Kết quả này rất đáng ngạc nhiên bởi vì ý tưởng rằng các nhà máy liên quan chặt chẽ nên tránh trong luân canh là một quy tắc được áp dụng rộng rãi trên toàn phổ từ làm vườn quy mô nhỏ đến nông nghiệp quy mô lớn. Việc chúng tôi không thể phát hiện bất kỳ dấu hiệu nào liên quan đến năng suất cây trồng – ngoài tác động tiêu cực của độc canh loài đơn (hoặc cà chua sau cà chua) – cho thấy các yếu tố khác cần được xem xét trong việc thiết kế các chương trình luân canh cây trồng trong các hệ thống canh tác bền vững. “
Trước khi trồng vào năm hai, Caporaso và Bokulich đã sử dụng các phương pháp giải trình tự microbiome để xác định thành phần của cộng đồng vi khuẩn và nấm trong đất. Họ phát hiện ra rằng một di sản microbiome của các loại cây trồng một năm vẫn sống, mặc dù cả cộng đồng vi khuẩn và nấm đất khác nhau đáng kể giữa các lô của các loại cây khác nhau.
Bây giờ chúng ta có thể khám phá vai trò của vi khuẩn và thành phần của hệ vi sinh vật trong các hệ thống nông nghiệp ở độ sâu và độ phân giải lớn hơn nhiều so với trước đây. Những công nghệ đó chắc chắn có thể giúp nhóm của Caporaso tối ưu hóa các hệ thống nông nghiệp để liên tục làm giàu, thay vì cạn kiệt, đất theo thời gian.
Caporaso cho biết mục tiêu dài hạn của ông với hướng nghiên cứu này là hợp tác với các nông dân hữu cơ đang thực hành các kỹ thuật nông nghiệp tái tạo. “Chúng ta có thể tìm hiểu làm thế nào họ có thể sử dụng những tiến bộ trong khoa học microbiome. Tôi tin rằng điều này có thể giúp giảm chi phí phân bón và sử dụng nước, và xây dựng khả năng phục hồi và an ninh lương thực trong cộng đồng của chúng ta.”
Nhà nghiên cứu đại học sẽ tiến hành chương trình phân trùn để theo dõi microbiome của chất thải thực phẩm
Trong một dự án liên quan được tài trợ bởi Quỹ xanh NAU cũng như thông qua phòng thí nghiệm của Caporaso, tập trung vào công nghệ phần mềm hỗ trợ nghiên cứu microbiome, nhà nghiên cứu sinh viên khoa học môi trường Christina Osterink dự định tạo ra một chương trình phân bón tại nơi làm việc vào mùa hè này. Dự án của cô sẽ liên quan đến việc hợp tác với khoảng 10 văn phòng trong khuôn viên trường để thu thập phế liệu thực phẩm và giao chúng cho Roots Micro Farm có trụ sở tại trung tâm Flagstaff.
Trong khi chuyển chất thải thực phẩm từ bãi rác sang trang trại đô thị, Osterink và nhóm của cô cũng sẽ theo dõi hệ vi sinh vật của chất thải thực phẩm được thu gom thông qua chuyển đổi thông qua phân trùn quế, phương pháp ủ phân giun, thành đất chất lượng cao. Điều này sẽ giúp các nhà khoa học phát triển sự hiểu biết chính xác hơn về vai trò của vi khuẩn trong quá trình ủ phân khi họ tập hợp các nỗ lực từ khắp khuôn viên của NAU cũng như nông dân địa phương để cải thiện tính bền vững của NAU và tính toàn vẹn của đất Flagstaff.
Caporaso hy vọng những phát hiện từ nghiên cứu của Osterink có thể được áp dụng để tối ưu hóa các hệ thống ủ phân và giảm chi phí cho nông dân.
Áp dụng nghiên cứu microbiome vào khoa học nông nghiệp, một hướng đi mới cho Expedia
Caporaso lưu ý rằng dự án phân trùn quế thể hiện một hướng nghiên cứu mới cho phòng thí nghiệm của ông. “Hầu hết các công việc của chúng tôi tại Expedia đều liên quan đến sức khỏe con người”, ông nói, “nhưng có ít nhất nhiều cơ hội để áp dụng nghiên cứu microbiome trong các lĩnh vực khác, như khoa học nông nghiệp.”
Trong khi đó, bước tiếp theo trong nghiên cứu luân canh cây trồng sẽ là xác định các yếu tố quan trọng đối với năng suất cây trồng, đặc biệt là nếu loại trừ sự liên quan đến tiến hóa của các loài.
Chúng ta có muốn luân canh cây trồng phát triển mạnh với các vi sinh vật đất tương tự, để các vi khuẩn và nấm có lợi đã sẵn sàng để hỗ trợ cho mùa sinh trưởng tiếp theo? Đó sẽ là thông tin có giá trị cho cả trang trại đô thị nhỏ và hoạt động công nghiệp lớn.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Bắc Arizona . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :