Cây trồng chịu hạn và chịu nhiệt: Nuôi dưỡng khả năng phục hồi trong một thế giới đang thay đổi

Biến đổi khí hậu đặt ra những thách thức chưa từng có đối với an ninh lương thực toàn cầu. Nhiệt độ tăng, thay đổi kiểu hình mưa và tần suất các hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán và sóng nhiệt ngày càng gia tăng đang tác động đáng kể đến năng suất cây trồng và năng suất nông nghiệp trên toàn thế giới. Để ứng phó với những thách thức này, việc phát triển và ứng dụng rộng rãi các loại cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu, đặc biệt là những loại thể hiện khả năng chịu hạn và chịu nhiệt, ngày càng trở nên quan trọng. Bài đăng trên blog này khám phá tầm quan trọng của những loại cây trồng này, những tiến bộ khoa học thúc đẩy sự phát triển của chúng và những nỗ lực toàn cầu nhằm đảm bảo nguồn cung cấp lương thực bền vững cho các thế hệ tương lai.

Nhu cầu cấp thiết về cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu

Nông nghiệp đặc biệt dễ bị tổn thương trước biến đổi khí hậu. Tình trạng thiếu nước, căng thẳng do nhiệt và sự thay đổi mùa vụ đe dọa năng suất của các loại cây trồng chủ lực như lúa mì, gạo, ngô và đậu tương. Những tổn thương này có những hậu quả sâu rộng, bao gồm:

• Giảm năng suất cây trồng: Hạn hán và sóng nhiệt có thể làm giảm đáng kể năng suất cây trồng, dẫn đến tình trạng thiếu lương thực và biến động giá cả.
• Gia tăng tình trạng mất an ninh lương thực: Biến đổi khí hậu ảnh hưởng không cân xứng đến các quần thể dễ bị tổn thương, làm trầm trọng thêm tình trạng mất an ninh lương thực ở các khu vực đã phải vật lộn với tình trạng suy dinh dưỡng.
• Tác động kinh tế: Mất mùa có thể tàn phá nền kinh tế nông nghiệp, ảnh hưởng đến sinh kế và sự ổn định khu vực.
• Suy thoái môi trường: Tưới tiêu thâm canh để ứng phó với hạn hán có thể làm cạn kiệt tài nguyên nước và góp phần làm suy thoái đất.

Do đó, việc phát triển các loại cây trồng có thể chịu được những căng thẳng này là điều cần thiết để giảm thiểu những tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu đến sản xuất lương thực.

Tìm hiểu về khả năng chịu hạn và chịu nhiệt

Khả năng chịu hạn và chịu nhiệt là những đặc điểm phức tạp do nhiều gen quy định. Cây trồng sử dụng nhiều cơ chế khác nhau để sống sót và phát triển mạnh trong những điều kiện căng thẳng này:

Cơ chế chịu hạn:

• Thoát hạn: Một số loài thực vật hoàn thành vòng đời của chúng trước khi hạn hán nghiêm trọng bắt đầu. Chiến lược này thường liên quan đến việc ra hoa sớm và trưởng thành nhanh chóng.
• Tránh hạn: Những cây này giảm thiểu mất nước. Ví dụ bao gồm:
• Hệ thống rễ sâu và rộng để tiếp cận các nguồn nước sâu hơn.
• Sử dụng nước hiệu quả, chẳng hạn như kiểm soát khí khổng để giảm sự thoát hơi nước.
• Các biến đổi lá, chẳng hạn như lớp biểu bì dày hơn hoặc giảm diện tích bề mặt lá, để giảm thiểu mất nước.
• Khả năng chịu hạn (chịu mất nước): Những cây này có thể chịu được tình trạng mất nước tế bào. Cơ chế bao gồm:
• Tích lũy các chất bảo vệ thẩm thấu (ví dụ: proline, glycine betaine) để duy trì sức trương tế bào.
• Sản xuất các protein bảo vệ (ví dụ: protein sốc nhiệt) để ổn định cấu trúc tế bào.

Cơ chế chịu nhiệt:

• Protein sốc nhiệt (HSPs): Những protein này bảo vệ cấu trúc tế bào khỏi tổn thương do nhiệt.
• Hệ thống chống oxy hóa: Căng thẳng do nhiệt có thể dẫn đến việc sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS), gây tổn thương tế bào. Các enzyme và hợp chất chống oxy hóa trung hòa các phân tử có hại này.
• Tính ổn định của màng: Duy trì tính toàn vẹn của màng ở nhiệt độ cao là rất quan trọng. Cây có lipid màng ổn định hơn thể hiện khả năng chịu nhiệt lớn hơn.

Chiến lược nhân giống để phục hồi khí hậu

Phát triển cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu bao gồm sự kết hợp giữa các phương pháp nhân giống truyền thống và các công nghệ tiên tiến:

Nhân giống truyền thống:

Điều này liên quan đến việc chọn lọc và lai tạo các cây có các đặc điểm mong muốn trong nhiều thế hệ. Các bước chính bao gồm:

• Kiểu hình: Đánh giá cây trồng về khả năng chịu hạn và chịu nhiệt trong điều kiện kiểm soát hoặc ngoài đồng. Điều này có thể liên quan đến việc đo các đặc điểm như năng suất dưới điều kiện căng thẳng, hiệu quả sử dụng nước và nhiệt độ lá.
• Chọn lọc: Xác định và chọn lọc các cây có hiệu suất vượt trội trong điều kiện căng thẳng.
• Lai tạo: Lai tạo các cây đã chọn để kết hợp các đặc điểm mong muốn.
• Lai trở lại: Lai các thế hệ con với cây bố mẹ để tinh chỉnh các đặc điểm cụ thể.

Công nghệ nhân giống hiện đại:

Các công nghệ tiên tiến đang đẩy nhanh sự phát triển của cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu:

• Chọn lọc với sự hỗ trợ của dấu chuẩn (MAS): Kỹ thuật này sử dụng các dấu chuẩn DNA liên kết với các gen mong muốn để xác định các cây có các gen đó hiệu quả hơn.
• Chọn lọc bộ gen (GS): GS sử dụng dữ liệu bộ gen để dự đoán hiệu suất của các dòng nhân giống. Điều này cải thiện độ chính xác và hiệu quả của quá trình chọn lọc.
• Kỹ thuật di truyền (GE): GE liên quan đến việc sửa đổi trực tiếp gen của cây để tăng cường các đặc điểm. Ví dụ bao gồm việc đưa vào các gen chịu hạn hoặc chịu nhiệt từ các sinh vật khác.
• Chỉnh sửa bộ gen: Các công nghệ như CRISPR-Cas9 cho phép sửa đổi chính xác các gen của cây với hiệu quả và độ chính xác cao hơn so với kỹ thuật di truyền truyền thống.

Ví dụ về cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu đang được ứng dụng

Nhiều sáng kiến trên khắp thế giới đang phát triển và triển khai các loại cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu:

Ngô chịu hạn

Các nhà nghiên cứu và nhà nhân giống đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển các giống ngô chịu hạn. Ví dụ, một số công ty giống cung cấp các giống lai ngô chịu hạn có thể duy trì năng suất chấp nhận được ngay cả trong điều kiện thiếu nước. Những giống này đặc biệt quan trọng ở các khu vực như Châu Phi cận Sahara, nơi ngô là cây trồng chủ lực và tình trạng thiếu nước là một thách thức lớn.

Gạo chịu nhiệt

Gạo là nguồn lương thực quan trọng đối với hàng tỷ người. Việc phát triển các giống lúa chịu nhiệt là điều cần thiết để đảm bảo năng suất trong điều kiện nhiệt độ tăng cao. Các nhà khoa học đang xác định và kết hợp các gen chịu nhiệt vào các giống lúa. Ví dụ, IRRI (Viện Nghiên cứu Lúa quốc tế) và các hệ thống nghiên cứu nông nghiệp quốc gia đang nghiên cứu các giống lúa chịu nhiệt phù hợp với các môi trường trồng trọt khác nhau, bao gồm Nam Á và Đông Nam Á. Việc phát triển và phân phối các giống này giúp ích rất nhiều cho các khu vực mà việc trồng lúa là rất quan trọng.

Lúa mì chịu hạn

Lúa mì là một loại cây lương thực quan trọng khác dễ bị hạn hán. Các chương trình nhân giống đang tập trung vào việc phát triển các giống lúa mì có thể chịu được tình trạng thiếu nước. Những nỗ lực này bao gồm việc xác định các dòng lúa mì địa phương có các đặc điểm chịu hạn vượt trội và sử dụng chọn lọc với sự hỗ trợ của dấu chuẩn để đẩy nhanh quá trình nhân giống. Các giống có chiều sâu rễ tăng lên và sử dụng nước hiệu quả đang được triển khai, đặc biệt là ở các khu vực như Úc, Hoa Kỳ và Ấn Độ, nơi sản xuất lúa mì phải đối mặt với tình trạng thiếu nước đáng kể.

Các loại cây trồng khác

Ngoài ngô, gạo và lúa mì, còn có những nỗ lực đang diễn ra để phát triển các giống cây trồng quan trọng khác có khả năng phục hồi khí hậu, bao gồm:

• Các loại đậu (đậu, đậu lăng, đậu gà): Các loại đậu chịu hạn đang được phát triển để cải thiện an ninh lương thực và cung cấp một nguồn cố định đạm trong các hệ thống canh tác bền vững, đặc biệt là ở các khu vực có khí hậu khô hạn.
• Cao lương và kê: Những loại cây trồng này vốn đã chịu hạn tốt hơn nhiều loại cây trồng khác và đang được cải thiện hơn nữa thông qua các chương trình nhân giống, cung cấp các nguồn lương thực quan trọng ở các vùng khô cằn và bán khô cằn của Châu Phi và Châu Á.
• Rau và trái cây: Các chương trình nhân giống đang nỗ lực tăng cường khả năng phục hồi của các loại rau và trái cây như cà chua, ớt và xoài để chịu được căng thẳng do nhiệt và sự thay đổi lượng nước.

Các sáng kiến và tổ chức toàn cầu

Một số tổ chức và sáng kiến quốc tế đang đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển và phổ biến cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu:

• CGIAR (Tập đoàn Tư vấn về Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc tế): Các trung tâm CGIAR, chẳng hạn như Trung tâm Cải thiện Ngô và Lúa mì Quốc tế (CIMMYT) và Viện Nghiên cứu Lúa quốc tế (IRRI), tiến hành các chương trình nghiên cứu và nhân giống tập trung vào việc phát triển cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu cho nông dân nghèo về tài nguyên ở các nước đang phát triển.
• Quỹ Đa dạng Cây trồng Toàn cầu: Tổ chức này hỗ trợ việc bảo tồn và cung cấp đa dạng cây trồng, điều này rất cần thiết cho việc nhân giống cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu.
• Hệ thống Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc gia (NARS): NARS ở nhiều quốc gia khác nhau đang tích cực tham gia vào việc nhân giống cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu và cung cấp các dịch vụ khuyến nông cho nông dân.
• Các công ty giống quốc tế: Nhiều công ty giống đầu tư vào nghiên cứu và phát triển cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu, cung cấp chúng cho nông dân trên toàn cầu.

Thách thức và định hướng tương lai

Mặc dù đã đạt được những tiến bộ đáng kể, nhưng vẫn còn một số thách thức:

• Sự phức tạp của các đặc điểm: Khả năng chịu hạn và chịu nhiệt là những đặc điểm phức tạp do nhiều gen kiểm soát, khiến việc nhân giống trở nên đầy thách thức.
• Tương tác môi trường: Hiệu suất cây trồng bị ảnh hưởng bởi sự tương tác giữa gen và môi trường, khiến việc dự đoán hành vi của cây trồng trong những điều kiện cụ thể trở nên khó khăn.
• Rào cản pháp lý: Quy trình phê duyệt theo quy định đối với cây trồng biến đổi gen có thể tốn thời gian và tốn kém, điều này có thể làm chậm việc cung cấp các loại cây trồng đó.
• Công bằng và tiếp cận: Đảm bảo rằng cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu có thể tiếp cận được với nông dân quy mô nhỏ, đặc biệt là ở các nước đang phát triển, là điều cần thiết để đạt được an ninh lương thực.

Nỗ lực nghiên cứu và phát triển trong tương lai nên tập trung vào:

• Công nghệ nhân giống tiên tiến: Đẩy nhanh việc sử dụng chọn lọc bộ gen, chỉnh sửa gen và các công nghệ nhân giống tiên tiến khác để tăng tốc tiến độ nhân giống.
• Tìm hiểu về Tương tác giữa thực vật và môi trường: Cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về các tương tác phức tạp giữa thực vật và môi trường để dự đoán tốt hơn hiệu suất cây trồng.
• Phát triển các Chiến lược Nông nghiệp thông minh thích ứng với khí hậu: Tích hợp cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu vào các hệ thống nông nghiệp rộng lớn hơn nhằm thúc đẩy quản lý đất bền vững, bảo tồn nước và quản lý dịch hại tổng hợp.
• Nâng cao dịch vụ giáo dục và khuyến nông cho nông dân: Cung cấp cho nông dân kiến thức và nguồn lực họ cần để áp dụng và sử dụng hiệu quả cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu.

Thông tin chi tiết có thể hành động trong tương lai

Để đảm bảo sự thành công của cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu, một số hành động là rất quan trọng:

• Đầu tư vào Nghiên cứu và Phát triển: Chính phủ và các tổ chức tư nhân phải đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để phát triển và triển khai cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu. Điều này bao gồm tài trợ các chương trình nhân giống, hỗ trợ nghiên cứu cơ bản và đầu tư vào cơ sở hạ tầng và công nghệ.
• Thúc đẩy hợp tác quốc tế: Hợp tác quốc tế là điều cần thiết để chia sẻ kiến thức, tài nguyên và vật liệu nhân giống. Điều này bao gồm việc hỗ trợ các dự án nghiên cứu hợp tác, tạo điều kiện cho việc trao đổi vật liệu mầm và điều phối các khuôn khổ pháp lý.
• Thúc đẩy các thực hành nông nghiệp bền vững: Cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu có hiệu quả nhất khi được tích hợp vào các hệ thống nông nghiệp bền vững thúc đẩy sức khỏe đất, bảo tồn nước và quản lý dịch hại tổng hợp.
• Hỗ trợ nông dân quy mô nhỏ: Cung cấp cho nông dân quy mô nhỏ khả năng tiếp cận cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu, đào tạo và hỗ trợ tài chính. Điều này bao gồm việc cung cấp hạt giống và đầu vào nông nghiệp dễ tiếp cận và cung cấp các dịch vụ khuyến nông để giúp nông dân áp dụng các thực hành tốt nhất.
• Nâng cao nhận thức của công chúng: Giáo dục công chúng về tầm quan trọng của cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu và vai trò của chúng trong việc đảm bảo an ninh lương thực. Điều này bao gồm việc nâng cao nhận thức về lợi ích của những loại cây trồng này và xua tan những quan niệm sai lầm.

Kết luận

Cây trồng có khả năng phục hồi khí hậu là điều cần thiết để đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu trước biến đổi khí hậu. Bằng cách đầu tư vào nghiên cứu và phát triển, thúc đẩy hợp tác quốc tế, thúc đẩy các thực hành nông nghiệp bền vững, hỗ trợ nông dân quy mô nhỏ và nâng cao nhận thức của công chúng, chúng ta có thể xây dựng một hệ thống lương thực bền vững và công bằng hơn cho các thế hệ tương lai. Việc phát triển và ứng dụng rộng rãi cây trồng chịu hạn và chịu nhiệt không chỉ là một yêu cầu cấp thiết về nông nghiệp; đó là một bước cơ bản để xây dựng một thế giới bền vững và công bằng hơn.