Cách chúng ta có thể trồng cây mà không cần nước

Khi dân số thế giới tăng và ảnh hưởng của thay đổi khí hậu dẫn đến việc cứu trợ khẩn cấp, chúng ta sẽ phải cung cấp thức ăn cho nhiều người và dùng ít đất trồng. Nhà sinh học phân tử Jill Farrant nghiên cứu một hiện tượng hiếm thấy có thể giúp ích: "cây bất tử" - những cây trồng siêu nhẫn nại có thể quay về từ cõi chết. Chúng có thể giúp gia tăng lượng thức ăn trong thế giới ngày càng nóng và khô cằn của chúng ta hay không?

Tôi tin rằng bí quyết để sản xuất ra những
cây trồng chịu hạn cao,

sẽ giúp đảm bảo
nguồn lương thực trên thế giới,

nằm ở loài cây tự hồi sinh,

như chụp ở đây, trong điều kiện
hạn hán khắc nghiệt.

Có thể bạn nghĩ rằng những cái cây này
có vẻ đã chết rồi,

nhưng không phải vậy.

Tưới nước cho chúng,

chúng sẽ hồi sinh, xanh tươi trở lại,
bắt đầu phát triển, từ 12 đến 48 tiếng.

Thế, tại sao
tôi lại đề xuất

trồng cây chịu hạn sẽ giúp
đảm bảo nguồn lương thực?

Dân số thế giới hiện nay
khoảng 7 tỷ người.

Uớc tính đến đến năm 2050,

chúng ta sẽ có từ 9 đến 10 tỷ người,

với sự tăng trưởng lớn về dân số
diễn ra ở Châu Phi.

Các tổ chức nông lương trên thế giới

đã đề xuất rằng chúng ta cần tăng 70%

tập quán nông nghiệp hiện thời

để đáp ứng nhu cầu đó.

Dựa vào thực vật
là nền tảng của chuỗi thức ăn

phần lớn chuỗi thức ăn
đều bắt nguồn từ thực vật.

Tỷ lệ 70% đó

không xem xét đến tác động tiềm tàng
của biến đổi khí hậu.

Theo một nghiên cứu do Dai
thực hiện, xuất bản năm 2011,

trong đó ông đã xét đến

tất cả ảnh hưởng tiềm tàng
của biến đổi khí hậu

và ông cho rằng -
giữa những thứ khác -

hạn hán gia tăng do ít mưa
hoặc mưa thất thường.

Những vùng đất tô đỏ ở đây,

là những vùng đất,
mà cho đến nay,

được sử dụng hiệu quả
trong nông nghiệp,

nhưng nay không thể sử dụng được
vì thiếu mưa.

Đây là tình huống được dự đoán
sẽ xảy ra vào năm 2050.

Phần lớn Châu Phi, thật ra,
phần lớn 5 Châu,

sẽ gặp rắc rối.

Chúng ta sẽ phải xét đến một vài cách
mau lẹ hơn để sản xuất lương thực.

Và thích hợp hơn cả,
một số cây trồng chịu hạn.

Một điều nữa cần nhớ về Châu Phi là

hầu hết nền công nghiệp của họ
dựa vào nước mưa.

Trên thế giới, trồng các cây chịu hạn
không phải điều dễ dàng.

Và lý do chính là nguồn nước.

Nước cần thiết cho sự sống
trên hành tinh này.

Mọi sinh vật sống, tham gia
quá trình chuyển hóa,

từ vi trùng đến bạn và tôi,

được cấu tạo phần lớn từ nước.

Mọi phản ứng của sự sống
diễn ra trong nước.

Chỉ cần thiếu hụt 1 lượng nước nhỏ
cũng dẫn đến tử vong.

Trong cơ thể chúng ta
65% là nước--

nếu mất đi 1% nước,
chúng ta chết.

Để tránh việc đó,
ta có thể thay đổi hành vi

Thực vật thì không thể.

Thực vật bám vào đất.

Vì thế giai đoạn đầu thực vật chứa
khá nhiều nước so với chúng ta,

khoảng 95% nước,

thực vật có thể mất một lượng nước
nhiều hơn con người,

từ 10 đến khoảng 70%, tùy loài,

nhưng chỉ trong chốc lát.

Phần lớn thực vật sẽ hoặc chống lại
hoặc ngăn chặn việc mất nước.

Những ví dụ về cây chống mất nước
có thể tìm thấy ở cây mọng nước.

Loài cây này thường nhỏ, rất đẹp mắt,

nhưng việc chúng giữ nước
dẫn đến bất lợi lớn

chúng phát triển cực kì chậm.

Ví dụ việc ngăn mất nước
được tìm thấy ở cây gỗ và cây bụi.

Rễ của chúng bám sâu vào đất,

mạch nước dưới lòng đất cung cấp

và cứ liên tục súc rễ cây bằng nước,

và giữ cho chúng ẩm ướt.

Cái cây ở bên phải là cây bao báp.

Nó cũng được gọi là "cây lật ngược",

chỉ vì từ phần rễ đến phần chồi lớn

đến nỗi nó có vẻ được trồng lật ngược.

Và tất nhiên bộ rễ hút nước cho cây.

Và có lẽ chiến lược ngăn chặn sự mất nước
phổ biến nhất thường thấy ở cây hàng năm.

Cây hàng năm chiếm phần lớn
trong nguồn thức ăn thực vật của ta.

Dọc theo bờ biển phía tây nước tôi,

gần như cả năm, bạn không thấy
thực vật phát triển.

Nhưng khi mưa xuân đến, bạn thấy điều này:

hoa nở trên sa mạc.

Chiến lược phát triển cây hàng năm

là trồng vào mùa mưa,

Cuối mùa, chúng cho ra một hạt,

hạt đó khô, chiếm 8 - 10% lượng nước,

nhưng còn sống.

Cây nào bị khô cằn mà vẫn còn sống,

chúng tôi xem là chịu được hạn.

Trong tình trạng khô hạn,

điều giúp hạt sống là nằm im
trong sự cực hạn của môi trường

trong khoảng thời gian dài.

Lần tới, khi mùa mưa đến,

chúng nảy mầm và sinh trưởng,

và toàn bộ chu kỳ lại bắt đầu.

Người ta tin rằng sự tiến hóa
của hạt chịu hạn

đã cho phép sự nảy nở và bức xạ

của thực vật có hoa hay cây hạt kín
lên trên mặt đất.

Nhưng quay lại với cây hàng năm,
nguồn cung cấp thực phẩm chính.

Lúa mì, gạo và ngô chiếm 95%
nguồn cung cấp lương thực.

Đó là một chiến lược tuyệt vời

vì trong khoảng thời gian ngắn
bạn có thể sản xuất nhiều hạt.

Hạt giàu năng lượng
nên có nhiều calo trong thực phẩm

bạn có thể dự trữ hạt lúc đói kém,

nhưng có một bất lợi.

Tế bào thực vật,

rễ và lá của cây hàng năm

không có nhiều đặc điểm

chống chọi hoặc chịu đựng do di truyền.

Chúng không cần đặc điểm đó.

Chúng phát triển vào mùa mưa

và để sống sót, chúng ra hạt
trong thời gian còn lại của năm.

Vì vậy, mặc cho những nỗ lực hết mình
trong nông nghiệp

để tạo ra cây trồng
có cải tiến về tính chất

như sức chống chịu, khiếm khuyết
và chịu đựng

đặc biệt là sức chống chịu
và khiếm khuyết

vì chúng tôi có mô hình khả dĩ
hiểu về cách thức hoạt động

của các tính chất đó
nên sẽ hình dung như sau,

Cánh đồng ngô ở Châu Phi,

trong hai tuần không mưa

và đồng ngô chết.

Có một giải pháp:

loài cây chịu hạn.

Loài cây này có thể mất 95%
lượng nước trong tế bào,

duy trì tình trạng khô và "như-chết - rồi"
nhiều tháng đến nhiều năm.

và khi được tưới nước

chúng xanh tươi
và bắt đầu phát triển trở lại

Giống như hạt cây, chúng chịu được hạn.

Giống như hạt cây, chúng có thể chịu được
điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất.

Và đây là hiện tượng rất hiếm xảy ra.

Chỉ có 135 loài cây có hoa
làm được điều này.

Tôi sẽ cho bạn xem một video

về quá trình hồi sinh của ba loài cây trên

theo thứ tự.

Và ở dưới

có trục thời gian, bạn có thể
thấy nó diễn ra nhanh ra sao.

(Vỗ tay)

Rất đáng ngạc nhiên, đúng không?

Tôi đã dành 21 năm qua cố gắng để hiểu
cách chúng làm được điều này.

Cách nào mà các loài cây này
khô héo mà vẫn sống?

Tôi nghiên cứu nhiều loài
cây chịu hạn khác nhau,

được chiếu ở đây trong tình trạng
khô và ngậm nước,

vì nhiều lý do.

Một trong số đó là mỗi cây này
là một mô hình tượng trưng

cho một cánh đồng chịu hạn
mà tôi muốn gieo trồng.

Ví dụ, ở phía trên cùng bên trái
là một đồng cỏ,

có tên là Ersgrostis nindensis,

Nó có họ hàng gần tên là Eragrostis tef --

nhiều người có thể biết với tên "teff" --

là thức ăn chính ở Ethiopia,

không có gluten,

và chúng tôi muốn làm
cho nó chịu được hạn.

Lý do khác để tìm hiểu
một số loài cây là

ít nhất thì ban đầu,

tôi muốn biết rằng:
chúng có đặc điểm giống nhau?

Chúng có sử dụng cùng cơ chế

có khả năng mất nước mà không chết?

Vì thế tôi thực hiện phương pháp
tiếp cận hệ thống sinh học

để có cách hiểu thấu đáo hơn

về khả năng chịu hạn,

và chúng tôi xét tất cả

từ phân tử cho đến toàn bộ cây,
rồi đến sinh lý môi trường.

Ví dụ, chúng tôi xem xét
các đặc điểm như

các thay đổi ở giải phẫu thực vật
khi khô héo

và cấu trúc siêu vi.

Chúng tôi xem xét hệ phiên mã,
đó là một thuật ngữ công nghệ

ở đó chúng tôi nghiên cứu gen

khởi động và kết thúc
phản ứng theo sự khô héo.

Phần lớn gen sẽ tổng hợp protein,
nên chúng tôi xem xét hệ protein.

Protein gì được tổng hợp khi cây khô héo?

Một số protein sẽ tạo ra enzyme
tạo nên chất chuyển hóa,

nên chúng tôi xét hệ chuyển hóa.

Điều này quan trọng
vì cây bám vào đất.

Chúng sử dụng cái mà tôi gọi là
vũ khí hóa học thích ứng cao

để bảo vệ chúng khỏi
sức ép của môi trường.

Quan trọng là chúng tôi xem xét

thay đổi hóa học xảy ra khi cây khô héo.

Trong nghiên cứu gần đây,
chúng tôi làm ở cấp phân tử,

quan sát hạt mỡ --

lipid thay đổi theo sự khô héo.

Điều đó cũng quan trọng

vì toàn bộ màng sinh học
đều do lipid tạo ra.

Lipid giữ như các màng mỏng
khi chúng trong nước.

Bị tách khỏi nước,
các màng mỏng cũng rời ra.

Lipid cũng đóng vai trò dấu hiệu
để khởi động gen.

Sau đó, chúng tôi nghiên cứu về sinh lý
học và sinh hóa

để thử nghiệm và hiểu được
vai trò của các tế bào bảo vệ giả định

trong các nghiên cứu khác của mình
chúng tôi thật sự phát hiện ra

Sau đó, tổng hợp lại
để thử nghiệm và hiểu

thực vật đối phó với
môi trường tự nhiên ra sao.

Tôi luôn có một triết lý rằng tôi cần
hiểu một cách thấu đáo

cơ chế chống chịu hạn

để đưa ra những đề xuất có ích
cho ứng dụng sinh vật.

Tôi chắc rằng bạn đang nghĩ,

"Bằng ứng dụng sinh vật

bà ấy đang định tạo ra cây trồng
biến đổi gen phải không?"

Và câu trả lời cho câu hỏi là:

tùy vào cách bạn định nghĩa biến đổi gen.

Tất cả cây trồng chúng ta ăn hiện nay,
lúa mì, gạo và ngô,

đều biến đổi gen rất nhiều
so với tổ tiên của chúng,

nhưng chúng ta không xem là biến đổi gen

vì chúng được sản xuất theo
sự sinh sản thông thường.

Nếu bạn có ý đó, tôi sẽ đưa gen
của loài cây bất tử vào cây trồng?

Câu trả lời là đúng thế.

Theo thời gian, chúng tôi
đã thử cách đó.

Đúng hơn là, một trong số
các cộng tác viên của tôi ở UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,

đã tiên phong áp dụng cách đó

và tôi sẽ sớm cho bạn thấy số liệu.

Nhưng chúng tôi dự định thực hiện
phương pháp đó đầy tham vọng,

mà chúng tôi nhắm đến việc
khởi động toàn bộ hệ gen

sẵn có ở mỗi cây trồng.

Chúng chỉ không bao giờ tháo xoắn
dưới điều kiện cực khô hạn.

Tôi để bạn quyết định

làm vậy có nên gọi là
biến đổi gen không.

Tôi sẽ cho bạn xem số liệu
của phương án đầu tiên.

Và để làm điều đó

tôi phải giải thích một chút
về hoạt động của gen.

Có lẽ bạn đều biết

gen gồm hai đoạn ADN đôi.

ADN xoắn chặt thành nhiễm sắc thể

hiện diện ở mỗi tế bào
của cơ thể bạn hoặc cơ thể thực vật.

Nếu bạn tháo xoắn ADN, bạn nhận được gen.

Và mỗi gen có 1 vùng khởi động

chỉ là nút tắt-mở,

vùng mã hóa gene

và vùng kết thúc,

là vùng cho thấy đây là
phần cuối của gen, gen kế tiếp sẽ bắt đầu.

Vùng khởi động không đơn giản
chỉ là nút tắt-mở.

Chúng thường cần tinh chỉnh nhiều,

nhiều thành phần hiện diện và chuẩn xác
trước khi gen được mở lên.

Điều tiêu biểu đạt được
trong nghiên cứu công nghệ sinh học là

chúng tôi dùng vùng khởi động cảm ứng

chúng tôi biết cách khởi động nó.

Ghép cặp gen chúng tôi quan tâm

chuyển vào cây trồng và xem xem
chúng phản ứng ra sao.

Trong nghiên cứu tôi định cho bạn biết,

cộng tác viên của tôi dùng
chất hoạt hóa chịu hạn,

mà chúng tôi đã phát hiện
ở cây bất tử.

Điều thú vị về vùng khởi động là
chúng tôi không làm gì cả.

Tự cây trồng cảm nhận hạn hán.

Chúng tôi dùng chất hoạt hóa điều khiển
gen chống oxy hóa từ cây bất tử.

Tại sao lại là gen chống oxy hóa?

Vâng, tất cả áp lực, đặc biệt là
áp lực từ hạn hán,

dẫn đến sự hình thành gốc tự do,

hoặc loài có phản ứng hóa học với oxy,

gây thiệt hại cao và có thể làm chết cây.

Chất chống oxy hóa làm gì
để chấm dứt thiệt hại đó?

Đây là vài số liệu từ giống ngô
được sử dụng rất phổ biến ở Châu Phi.

Ở bên trái mũi tên là cây trồng
không có gen này,

ở bên phải --

là cây trồng với gen chống oxy hóa.

Sau ba tuần không tưới nước,

những cây mang gen phát triển rất tốt.

Về cách tiếp cận cuối cùng.

Nghiên cứu của tôi cho thấy
sự giống nhau một cách rõ rệt

trong cơ chế chịu hạn trong hạt
và cây bất tử.

Tôi sẽ đặt ra một câu hỏi,

chúng chung bộ gen không?

Hay nói cách khác,

cây chịu hạn dùng gen tiến hóa
trong hạt chịu hạn

trong rễ và lá của chúng?

Chúng giao nhiệm vụ lại
cho hạt giống gen

trong rễ và lá cây chịu hạn hay không?

Và tôi trả lời câu hỏi đó,

nhờ kết quả từ nhiều cuộc nghiên cứu
của nhóm mình

và sự hợp tác gần đây
từ nhóm Henk Hilhorst ở Hà Lan,

Mel Olivier ở Mỹ

và Julia Buitink ở Pháp.

Câu trả lời là có,

có một bộ gen thiết yếu
tham gia vào cả hai việc đó.

Tôi sẽ diễn giải sơ qua điều này ở ngô,

nơi nhiễm sắc thể nằm dưới nút tắt

đại diện cho toàn bộ gen
cần thiết cho sự chịu hạn.

Khi hạt ngô khô lại
vào cuối thời kỳ phát triển,

chúng khởi động các gen này.

Cây bất tử khởi động
cùng một bộ gen

khi chúng khô héo.

Do đó, những cây trồng hiện nay,

có các bộ gen này ở rễ và lá của chúng,

chúng chưa bao giờ khởi động gen.

Chúng chỉ khởi động gen ở mô hạt.

Vậy những gì chúng cần làm bây giờ

là hiểu dấu hiệu của môi trường và tế bào

dấu hiệu mà khởi động gen ở cây bất tử,

để bắt chước quá trình diễn ra ở ngô.

Và chỉ một ý tưởng cuối cùng.

Chúng tôi đang cố gắng
làm thật nhanh chóng

đó là lặp lại những gì tự nhiên đã làm
trong sự tiến hóa ở cây chịu hạn

khoảng 10 đến 40 triệu năm về trước.

Tôi cùng cây trồng của mình
cảm ơn sự chú ý của bạn.

(Vỗ tay)