Lập mô hình máy tính cho cây đậu tương có năng suất cao hơn 8,5%, sử dụng ít nước hơn 13%

Thứ tư - 09/04/2014 23:22

Cây trồng sẽ cho năng suất cao hơn trong khi sử dụng ít nước hơn giống như một giấc mơ đối với một thế giới có dân số đang ngày càng gia tăng và trong bối cảnh căng thẳng về nguồn thực phẩm và tài nguyên nước.

Giấc mơ này đang tiến gần với thực tế nhờ các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Illinois. Họ đã phát triển một mô hình máy tính mới có thể giúp các nhà khoa học lai tạo ra những giống đậu tương có phẩm chất cao hơn. Trong điều kiện khí hậu hiện nay, mô hình này dự báo một thiết kế cho một vụ mùa đậu tương có năng suất cao hơn 8,5%, sử dụng ít nước hơn 13%, và phản chiếu bức xạ trở lại không gian nhiều hơn 34%, thông qua việc lai tạo ra những giống có những chiếc lá góc cạnh, phản xạ và phân bố lá hơi khác nhau.

Công trình nghiên cứu này được đăng tải trên tạp chí Global Change Biology. Mô hình cho phép xem xét đồng thời một trong những mục tiêu này một cách riêng biệt hoặc tổng thể, Praveen Kumar - đồng tác giả của nghiên cứu và là Giáo sư ngành Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại Illinois cho biết. “Có thể có một số khu vực bạn sẽ chỉ có thể xem xét một khía cạnh - nếu bạn đang ở trong một vùng khô cằn, bạn có thể lập cấu trúc để tối đa hóa hiệu quả sử dụng nước. Trong khu vực khác, bạn có thể muốn tập trung vào năng suất lương thực”.

Các nhà nghiên cứu hướng vào ba vùng cải thiện cụ thể: năng suất, sử dụng nước và đấu tranh chống biến đổi khí hậu bằng cách phản xạ ánh sáng mặt trời ra khỏi những chiếc lá của chúng. Để giải quyết cả ba mục tiêu trên, họ đã sử dụng chiến thuật tính toán đặc biệt để mô hình hóa toàn bộ cây đậu tương. Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu sử dụng một công nghệ được gọi là “tối ưu hóa số” để thử nghiệm một số lượng lớn những kết hợp của các đặc điểm cấu trúc với mục đích xem xét xem sự kết hợp nào cho kết quả tốt nhất đối với mỗi mục tiêu trong ba mục tiêu đó, tác giả Darren Drewry từ Viện Công nghệ California cho biết. Và đáng ngạc nhiên là, với sự kết hợp của những đặc điểm đó có thể cải thiện từng mục tiêu trong những mục tiêu này cùng một lúc. Mô hình này xem xét chức năng sinh học của cây: như quang hợp và sử dụng nước, cũng như môi trường vật lý.

Các nhà nghiên cứu nhìn vào cách thức đặc điểm sinh học của thực vật thay đổi với những đặc điểm cấu trúc khác nhau: chẳng hạn như phân bố lá, cách sắp xếp lá theo chiều dọc trên thân cây, và các góc cạnh của lá. Chẳng hạn như, bằng cách thay đổi cách sắp xếp để những cái lá được phân bố đều hơn, sẽ có nhiều ánh sáng có thể thâm nhập qua các tán cây. Điều này cho phép quá trình quang hợp xảy ra theo nhiều cấp độ, thay vì bị giới hạn ở phía ngọn trên, do đó làm tăng khả năng sản xuất của hạt đậu. Một tán lá không quá dày đặc sử dụng ít nước hơn mà không ảnh hưởng đến năng suất. Và thay đổi góc cạnh của lá có thể cho phép cây phản xạ lại bức xạ mặt trời nhiều hơn để bù lại do bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu.

Hầu hết các phương pháp tiếp cận về di truyền đã xem xét các đặc tính rất cụ thể, Kumar cho biết. Khi máy tính dự đoán một cơ cấu cây trồng tối ưu, sau đó, cây trồng có thể được lựa chọn hoặc lai tạo từ các giống đậu tương khác nhau sẵn có mà không cần các quy định và chi phí gắn với kỹ thuật di truyền. Cách tiếp cận số này sử dụng mô hình thực tế của tán cây có thể mang lại một phương pháp thử nghiệm kết hợp nhiều đặc tính hơn, Drewry cho biết. Các nhà nghiên cứu hy vọng phương pháp tiếp cận mô hình hóa của họ sẽ không chỉ sẽ nâng cao năng suất đậu tương mà còn mang lại lợi ích cho ngành nông nghiệp trên toàn thế giới khi dân số đang tăng lên.

Theo Long, tổ chức Nông – Lương của Liên hợp quốc dự báo đến năm 2050, chúng ta sẽ cần thêm 70% thực phẩm để nuôi sống dân số thế giới, nhiều hơn số lượng chúng ta đang sản xuất hiện nay - nhưng sẽ cần phải thực hiện điều đó mà không có nhiều nước hơn đồng thời kết hợp với đối phó biến đổi khí hậu. Chúng ta cần sáng kiến mới để đạt được các bước nhảy về năng suất, ông Long nói. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng bằng cách thay đổi sắp xếp lá, họ có thể có một sự gia tăng về sản lượng mà không cần sử dụng nhiều nước hơn và cũng cung cấp một bù đắp cho hiện tượng nóng lên toàn cầu. Bằng cách kiểm tra cây trồng sử dụng mô hình máy tính chi tiết và tối ưu hóa, nhóm nghiên cứu có thể đẩy nhanh việc phát triển các loại cây trồng nông nghiệp thế hệ mới có thể giải quyết một số thách thức lớn nhất mà xã hội ngày nay đang phải đối mặt, liên quan đến sự cần thiết để sản xuất ra nhiều thực phẩm hơn trong điều kiện khí hậu thay đổi, Drewry cho biết.

Theo Viện Khoa Học Kỹ Thuật Nông Nghiệp Miền Nam

Tags: n/a