Hạt giống mù tạc không có vị mù tạc: thu hoạch hạt dầu thô có thể chống lại việc trái đất nóng lên.

Trường đại học Copenhagen và công ty toàn cầu Bayer CropScience thành công khi phát triển việc thu hoạch hạt dầu non nhiều hơn để chống lại nhiệt độ, hạn hán và bệnh hơn hạt cây cải dầu. Khả năng vỡ kế hoạch rất lớn cho thấy từ bài viết về cây cải dầu trên tạp chí Kỹ thuật sinh y sinh tự nhiên đăng tải vào tháng Tư, đây là tạp chí uy tín nhất trong giới nghiên cứu kỹ thuật y sinh.

Việc những bông hoa vàng nở rộ khắp cánh đồng đánh đấu sự bắt đầu mùa hè tại Bắc Âu. Tuy nhiên, nếu tình trạng trái đất nóng lên vẫn tiếp diễn, hình ảnh những cánh đồng hoa vàng dưới bầu trời xanh mùa hè sẽ sớm trở thành những ký ức. Tuy nhiên, vẫn còn hi vọng vào việc thu hoạch những hạt dầu thô non để chống lại sự thay đổi khí hậu.

Thay đổi khí hậu đe dọa đến việc thu hoạch hạt dầu

Tiến sĩ Barbara Ann Halkier, trưởng trung tâm DynaMo của đại học Copenhagen, một trong những nhà khoa học phát triển việc thu hoạch hạt dầu non với tính trạng tốt hơn. Cô giải thích ‘Hạt dầu non không phát triển ở những khu vực ấm và khô hạn. Chúng tôi rất vui mừng khi thành công trong việc trồng cây mù tạc theo kỹ thuật tách vườn, nó có liên hệ với việc làm cây cải dầu. Kết quả thu hoạch hạt dầu với những đặc trưng nông học phát triển là cách để giảm việc trái đất nóng lên. Thu hoạch sớm giúp việc trồng trọt trên các vùng ngày nay không còn phù hợp với việc thu hoạch hạt dầu, như vùng phía Tây Canada, vùng Đông Âu, Úc, và Ấn Độ’

Những hỗn hợp chất đắng không phù hợp làm thức ăn động vật

Cây mù tạc cũng giống như hạt cây cải dầu. Nó trông như cây cây cải dầu và dầu của nó có những đặc tính hấp dẫn với hàm lượng cao mono- và a-xít-béo như ô-mê-ga 3 và 6 thêm các vi-ta-min và chất chống ô-xy hóa. Tuy nhiên, nó cũng cho ra nhiều hạt thô khi trồng trong điều kiện a-xít. Vì vậy mù tạc là loại có thể thay thế hạt dầu cây cải dầu.

‘Đến nay nó là thách thức khó khăn vì hạt mù tạc có chứa chất đắng và tạo nên mùi vị của nó. Kết quả cho thấy rằng hàm lượng pro-tê-in cao  trong hạt sau khi ép dầu từ hạt sẽ không được dùng để sản xuất thức ăn động vật’ Barbara Ann Halkier giải thích.

Việc hợp tác với Bayer CropScience- một trong những công ty lớn toàn cầu trong lĩnh vực công nghệ y sinh và nuôi trồng- cô và những nhà khoa học từ trung tâm DynaMo đã tìm ra giải pháp cho vấn đề này.

Từ cây mẫu đến thu hoạch hạt dầu

Những nhà khoa học từ Trung tâm DynaMo đã chế tạo kỹ thuật loại bỏ chất đắng ra khỏi hạt trong khi duy trì chúng ở vùng đất khác để tránh khỏi những động vật ăn cỏ và mầm bệnh.

Những nhà khoa học Đan Mạch cho thấy kỹ thuật có lợi cho cây mẫu trong khi những nhà khoa học từ Bayer CropScience thực hiện kỹ thuật này trên những cánh đồng và cho thấy kết quả ở vùng đất mẫu trồng thử bằng việc tập trung vào cây mù tạc.

Tiến sĩ Svend Roesen Madsen từ Trung tâm DynaMo và là tác giả đầu tiên của quyển sách Kỹ thuật y sinh tự nhiên cho biết:

‘Những vùng đất mẫu chúng tôi có một lịch trình dài cho chúng. Tôi cho rằng chúng tôi có hơn ¾ đất thu hoạch hạt dầu thô rất hấp dẫn cho nông dân. Điều này là kết quả đáng kinh ngạc’

Tìm kiếm lâu dài cho thu hoạch hạt dầu

Những nhà khoa học và gây giống tìm kiếm loại hạt dầu cây cải dầu khác trong nhiều năm. Cây cải dầu là một trong những nguồn chính để lấy dầu thực vật, và đạm cho thức ăn động vật. Tuy nhiên, nó chỉ lớn trong khí hậu mát mẻ và mỗi năm nông dân giảm việc thu hoạch bởi vì cây cải dầu không chịu nổi sâu bệnh.

‘Vào những năm 1970, nông dân Ba Lan tìm được cây cải dầu với hàm lượng chất đắng thấp trở thành thu hoạch hạt dầu mang tính kinh tế cao’, tác giả đầu tiên của Hiệp hội tiến sĩ  Hussam H.Nour-Eldin – cũng là thành viên của Trung tâm DynaMo. Ông nói tiếp: ‘Từ những năm 70, nông dân và nhà khoa học cố gắng cải tạo nhiều giống cây mù tạc khác nhau. Chúng tôi tự hào rằng chúng tôi đã phát minh ra kỹ thuật giúp đạt hiệu quả lâu dài’. Trong vài năm tới, những nhà khoa học từ trường đại học Copenhagen và Bayer CropScience sẽ nghiên cứu để giảm lượng chất đắng trong cây mù tạc nhiều hơn. Họ hi vọng sẽ tạo nên cây mù tạc không còn chất đắng ở hạt trong vòng từ 2-3 năm tới.

 

Thực vật giúp thay đổi khí hậu, nhưng hiện nay nó tùy thuộc vào chúng ta

Những bằng chứng khẳng định những dự tính trong hội nghị đa quốc gia trong mô hình thay đổi khí hậu.

Thực vật hiện nay loại bỏ nhiều CO2 từ môi trường hơn 200 năm về trước, dựa trên công việc mới từ Carnegie’s Joe Berry và được dẫn bởi J. Elliott Campbell của UC Merced. Bằng chứng của nhóm được đăng tải trong tạp chí Tự nhiên, khẳng định bằng chứng dùng trong các mô hình từ hội nghị đa quốc gia về sự thay đổi khí hậu.

Thực vật nhận CO2 như một phần của quá trình quang hợp – một chuỗi phản ứng của tế bào thông qua những chuyển hóa năng lượng Mặt trời thành năng lượng hóa học cho thực phẩm. Cuộc nghiên cứu này từ Campbell, Berry và đồng nghiệp của họ xây dựng một lịch sử mới về sự thay đổi toàn cầu trong hoạt động quang hợp.

Chỉ những loài thực vật được trồng trong nhà kính phát triển nhanh hơn và mạnh hơn khi cung cấp hàm lượng cao khí CO2, những loài thực vật trong hệ thống sinh học tự nhiên được hi vọng tăng trưởng nhanh hơn khi lượng CO2 trong không khí toàn cầu tăng lên. Theo góc nhìn toàn cầu, hiệu ứng này có thể được kì vọng nhiều về việc ổn định hệ thống khí hậu bằng việc chống lại việc tăng lượng khí CO2 từ con người.

Tầm quan trọng của hiệu ứng này dưới cuộc tranh luận. Nó có thể mở rộng phạm vi toàn cầu thay vì thí nghiệm trong phạm vi nhà kính có được hay không? Hoặc những yếu tố khác giới hạn phản ứng hệ thống toàn cầu tăng hiệu ứng nhà kính do khí thải? Theo như việc ghi chép trong thời gian dài, chúng ta có lượng CO2 và nhiệt độ cần thiết để gửi đến các đề án về thay đổi khí hậu.

‘Chúng ta hoàn thành vài việc mới tại nơi đây’ Campell cho biết. ‘Đo lường độ quang hợp chính xác của từng loại lá. Tuy nhiên bạn không thể có bức tranh toàn cảnh và chúng ta cần biết rằng Trái Đất đang chuyển động và nó phản ứng lại qua thời gian’

Nhóm thực hiện những công việc trước đó để cho thấy về việc tập trung của các-bon-sun-phíc trong không khí có thể cho thấy mức độ quang hợp toàn cầu. Họ tái lập lại lịch sử bằng cách dùng không khí của băng và khối tuyết tại Nam Cực trong nhiều thế kỉ, quang phổ tia hồng ngoại tồn tại từ những thập niên 1970, và dữ liệu từ Quản lí Đại Dương và Khí Tượng cho biết mạng lưới mẫu khí ga các-bon-sun-phíc tại nhà kính bắt đầu được quản lí từ cuối thập niên 1990.

Kết quả cho thấy rằng sự quang hợp trên toàn cầu ổn định suốt hàng trăm năm qua trước khi có cuộc các mạng công nghiệp hóa, nhưng sau đó chúng phát triển quá nhanh suốt thế kỉ 20. Việc tăng cường quang hợp có mối liên hệ với việc tăng lượng CO2 trong không khí do việc đốt cháy nhiên liệu.

‘Hiện tượng cây thải ra CO2 vào không khí cũng là nguyên nhân của việc thay đổi khí hậu trong nhiều năm nay’ Berry giải thích, ‘nhưng điều đó thực sự khó khăn để biết sức mạnh của việc ảnh hưởng trong khía cạnh thực tế. Kết quả mới của chúng tôi cho rằng hàng loại những mô hình được dùng trong bài kiểm định IPCC, trong thực tế, bao gồm những ước lượng thực tế về quang hợp toàn cầu và CO2’

‘Nó có thể hấp dẫn trong việc truyền tải những kết quả và là bằng chứng về chức năng của Trái Đất cũng là phản hồi về sự tập trung ổn định CO2 và khí hậu’ Berry cho biết. ‘Nhưng khi nhu cầu thực sự tăng lên trong khi đó quang hợp không nhiều đủ để bù đắp cho việc đốt cháy nhiên liệu. Việc làm ngược lại với tự nhiên không còn là công việc nên ngày nay chúng ta sẽ phải tập trung giải quyết việc giảm lượng CO2 trong không khí’

 

 

Thực vật hạt kín hai lá mầm giúp ngăn sức nóng toàn cầu ảnh hưởng đến thu hoạch.

Chắc chắn rằng loài thực vật thuộc họ Phiên hạnh có thể trở thành vũ khí tuyệt vời trong cuộc chiến chống lại thay đổi khí hậu, điều này gây hại đến các khu vực dùng nhiên liệu sinh học trong quá trình thu hoạch. Nhà sinh hóa và sinh học phân tử John Cushman tại đại học Nevada, Reno sẽ vẽ gen mô phỏng của loài thực vật thuộc họ Phiên hạnh. Điều này giúp tìm ra phương pháp tốt hơn cho phép năng lượng sinh học trong việc giải quyết vấn đề nồng độ muối trong đất và hạn hán.

Phòng thí nghiệm của Sushma đang nghiên cứu về chức năng của gen về quá trình trao đổi chất axit crassulacean hoặc CAM, cách giữ nước khi quang hợp giúp cây sống theo mùa trong khí hậu khô cằn hoặc cung cấp nước không liên tục. Viện ghép gen đã chọn nghiên cứu của Cushman với loài thực vật Phiên hạnh như một trong 37 dự án trong chương trình Khoa học cộng đồng. Viện tổ chức cuộc thi Khoa học cộng đồng giữa các nhà nghiên cứu nhằm khám phá các cách giải quyết về các thách thức năng lượng và môi trường. Mục tiêu của chương trình gen thực vật là tạo ra những hình ảnh mô tả về gen cho những đợt thu hoạch điều này quan trọng đối với nguồn năng lượng sinh học dự trữ’ Cushman cho biết. ‘Tuy nhiên những loài được chọn cũng bao gồm những mẫu thực vật phát triển nhanh chóng và dễ dàng nghiên cứu để cải tiến việc hiểu rõ về chức năng gen’.

Mục tiêu của việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Cushman là hiểu áp lực của môi trường và kiểm soát đồng hồ sinh học đối với quang hợp CAM như thế nào. Những thành viên của phòng thí nghiệm thực hiện việc tương tác transcriptome, proteome và metabolome sử dụng để phân tích các cây thuộc họ Phiên Hạnh, điều này giúp nó có thể sống sót ở môi trường khắc nghiệt.

‘Nó thực sự đơn giản’Cushman cho biết. ‘Chúng ta thở ra khí CO2 và các khí nhà kính khác vào không khí và nhiệt độ trung bình xung quanh tăng lên. Nhiều hơi nóng sẽ dẫn đến khả năng đất khô cằn tăng lên và mất nước nên không khí nên lạnh để giảm khả năng hạn hán. Vậy nên một trong những dự đoán về việc trái đất nóng dần lên là do sức nóng này. Chúng ta sẽ cần phát triển nhiều loài thực vật có khả năng chịu hạn hán trong tương lai’.

Họ phiên hạnh, bắt nguồn từ vùng Namibia sa mạc tại châu Phi, quan trọng hơn là những loài thực vật đầu tiên được báo cáo có thể chuyển từ quang hợp C3 (xảy ra suốt ngày) sang quang hợp CAM (xảy ra vào buổi tối) theo lượng muối hoặc xử lí quá trình thiếu nước. Những cây có quá trình quang hợp CAM cần lượng nước gấp 5-6 lần so với loại quang hợp C3.

‘Chúng ta sẽ lên danh sách những mẫu gen để biết chính xác những gen nào quan trọng đối với quá trình quang hợp CAM, và tại sao loài phiên hạnh là  loài thực vật quan trọng mà DOE quan tâm’ Cushman cho biết. ‘Vì vậy hiện nay chúng ta có thể mang gen của họ phiên hạnh nghiên cứu lại và so sánh chúng với việc quang hợp C3 của giống lúa và lúa mì hoặc năng lượng sinh học rừng, điều này giúp chúng ta sử dụng nước một cách hiệu quả.’

Dự án của Cusman đang tiến hành, ông cho biết nó mất khoảng vài năm để hiểu hoàn toàn những loài thực vật chống lại hạn hán và nhiệt độ như thế nào, và nghiên cứu có thể cải tiến xăng sinh học và an toàn trong việc thu hoạch cây trồng. Việc hợp tác trong dự án với Viện ghép Gen sẽ cung cấp việc tiếp cận các nguồn lực và những cơ sở vật chất cho phòng thí nghiệm của ông để tiếp tục quá trình nghiên cứu.

Những dự án CSP mới được chọn thông qua quá trình xem sơ lược, những thí nghiệm, khả năng phân tích của JGI và xây dựng hồ sơ của họ trong những lĩnh vực chủ chốt bao gồm việc sản xuất năng lượng sinh học, mô thực vật và thực địa’ Susannah Tringe, Bộ phận chương trình người dùng JGI DOE, cho biết trong hồ sơ Khoa học cộng đồng 2017.

‘Dự án của chúng tôi và dự án CSP của cộng sự chúng tôi tại phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và trường đại học Liverpool, và Newcastle tại Anh trên mẫu thực vật CAM được gọi là Kalanchoe, còn được biết đến với tên CAM’ Cushman cho biết. ‘CAM tồn tại trên hơn 60% các loài thực vật thuộc 36 họ thực vật, nó gần như là tập tính sinh học để thích nghi môi trường.’

Cushman nhận bằng đại học từ cao đẳng Ursinus tại Collegeville, Pennsylvania, và bằng Thạc sĩ và Tiến sĩ từ đại học Rutgers, New Brunswick, New Jersey. Ông dạy học tại đại học Nevada từ 2000, và lập quỹ giáo sư tại trường Nông nghiệp, công nghệ sinh học và nguồn tự nhiên, và được biết đến với vai trò giám đốc chường trình Thạc sĩ Hóa sinh. Ông được ghi tên vào những nhà nghiên cứu của năm bởi hệ thống giáo dục cao học Nevada.

Cushman đang hướng đến Nông nghiệp tại những vùng đất khô cằn của các trường cao đẳng để sản xuất thu hoạch trong điều kiện đất khô hạn bằng việc phát triển hệ thống sản xuất nông nghiệp, cải thiện hiệu quả những nguồn không tái tạo được và tương tác nơi phù hợp, vòng sinh học tự nhiên và kiểm soát khí hậu và sản xuất – liên quan đến những thách thức thực phẩm và chất xơ đảm bảo an toàn cho những thế hệ tương lai.