Ứng dụng trong cây cỏ

THẢO MỘC & CON NGƯỜI:

1-                     ỨNG DỤNG CẢM ỨNG CÂY CỎ

TRONG NÔNG NGHIỆP

 

Ngày nay, hiện tượng thảo mộc tiếp xúc nhau qua bầu không khí và dưới đất không còn là chuyện phù phiếm, mà được nhiều nhà khoa học chấp nhận nhờ những khám phá cho các bằng chứng thuyết phục. Tuy nhiên, về tâm linh hay những biểu hiện nhận thức, cảm xúc của cây cỏ còn cần nhiều công trình khảo cứu để làm sáng tỏ thêm tại sao cây có những ý thức như loài động vật và cái gì chủ động để quyết định nhận thức hay phản ứng đối với các tác động bên ngoài và ảnh hưởng môi trường. Dù thế, nhiều nhà khảo cứu thực dụng đã dùng khả năng giao tiếp và phản ứng tự vệ của cây để sáng tạo những phương thức bảo vệ mùa màng hữu hiệu cho thảo mộc trồng và thiên nhiên, như chống kháng sâu bệnh, chịu mặn, cạnh tranh với cỏ dại, bồi bổ dinh dưỡng đất đai, phục hồi rừng, nông nghiệp thân thiện với môi trường…

(1)   Cây chống chịu sâu bệnh, thiên tai

Như đã biết, cây có những phản ứng trực tiếp hoặc gián tiếp chống côn trùng phá hại qua các cơ chế phòng thủ khác nhau. Trực tiếp, chúng phát ra hỗn hợp hóa chất dễ bay hơi (HHBH) độc hại ở dạng alkaloids, terpenoids, chất ngăn cản proteinase và phenolics rất dễ cảm ứng bởi thảo mộc và sâu bọ xung quanh. Chất HHBH không những có khả năng truyền tín hiệu, nói chuyện với nhau mà còn dùng xua đuổi côn trùng. Gián tiếp, các chất này thu hút các thù nghịch thiên nhiên của côn trùng phá hại để diệt trừ; do đó nâng cao sức đề kháng cây trồng đối phó với sâu bệnh. Chẳng hạn, cây bắp tự nhiên khi bị sâu đục thân tấn công sẽ sản xuất chất HHBH thu hút ong bắp ký sinh đến diệt sâu. Năm 2011, một báo cáo ở xứ Mỹ cho thấy cây bắp lai thương mại dường như đã mất khả năng cây bắp tự nhiên nên dễ bị sâu đục thân phá hại. Cho nên, những đặc điểm tự vệ này được lai giống trở lại vào cây bắp lai, chúng làm giảm sử dụng thuốc sát trùng (1). Như vậy, hợp chất HHBH là gì?

 

Cây tiếp xúc nhau

Các nhà hóa học đã hiểu rõ những hợp chất nầy và có thể tổng hợp chúng. Đó là những hợp chất có phân tử lượng thấp, hầu hết thuộc về nhóm hóa học terpenoid, phenylpropanoids / benzenoids, axit béo và các chất dẫn xuất từ axit amino. Chúng được tổng hợp bằng những cách khác nhau (2).

 

Terpenoid là hợp chất hữu cơ dễ bốc hơi quan trọng được cây phát ra để bảo vệ cây trồng chống lại côn trùng, có nguồn gốc từ chất C5 (có 5 carbon) và những đơn vị isoprene. Terpenoids isoprene bao gồm hemiterpenes (C5), monoterpene (C10), sesquiterpene (C15), homoterpes (C11 và C16), và một số diterpenes (C20).

 

Phenypropanoids và benzenoids tạo thành một chất lớn của HHBH, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ cây trồng chống lại động vật ăn cỏ. Chúng có nguồn gốc từ L-phenylalanine, được chuyển thành axit trans-cinnamic xúc tác bởi L-phenyalanine ammonia-lyase.

 

Chất dẫn xuất từ axid béo dễ bay hơi là HHBH quan trọng, được sản xuất ngay tức khắc sau khi bị côn trùng làm thiệt hại. Chúng có nguồn gốc từ axid linoleic và linolenic (loại axit béo không bảo hòa C18) được xúc tác bởi enzym lipoxygenases. Chúng được gọi là các chất bay hơi xanh, có mùi đặc biệt của đồng cỏ vừa bị cắt.

 

Những chất dẫn xuất dễ bay hơi từ axit amino gồm có aldehyt, rượu, este, axit, và hợp chất của nitơ và lưu huỳnh có nguồn gốc từ các axit amin, như alanin, valin, leucine, isoleucine và methionine, đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ cây trồng bằng cách thu hút những thù nghịch thiên nhiên sống ký sinh trên côn trùng phá hại.

 

Chẳng hạn, cây lúa bị sâu cuốn lá Spodoptera frugiperda phá hại phóng thích khoảng 30 chất HHBH, gồm cả chất MeSA và methyl benzoate, thu hút thù nghịch thiên nhiên như con ong Cotesia marginiventris đến sống ký sinh. Hiệu quả của phản ứng này còn tùy thuộc vào khoảng cách giữa các con ong với cây lúa.

 

Đối với hệ thống rễ cây, khi bị sâu Diabrotica virgifera tấn công rễ cây bắp sản xuất chất sesquiterpene (E)-β- caryophyllene thu hút tuyến trùng H. megidi đến ký sinh giết chúng. Tuy nhiên, vài cuộc nghiên cứu gần đây cho biết những hợp chất hóa học dễ bốc hơi này có thể làm giảm hạt nẩy mầm trong đất và ảnh hưởng đến tăng trưởng của những cây cạnh tranh bên cạnh.

 

            Chất HHBH được phát ra từ lá, hoa và trái cây vào bầu khí quyển, hoặc từ rễ vào trong đất, để phản ứng với sâu bọ tấn công. Mỗi loại cây sản xuất chất HHBH khác nhau cho từng hệ cây-côn trùng và đang được các nhà khoa học nghiên cứu sâu rộng. Đến nay, họ đã xác nhận được khoảng 2.000 hợp chất HHBH từ 900 loài cây (1). Trong nông nghiệp, công tác tuyển chọn và lai tạo giống sản xuất các giống cây của từng loại có dồi dào chất HHBH để phòng chống một số côn trùng mà nông dân muốn diệt trừ, nhờ đó ít sử dụng thuốc sát trùng và làm hạ giá thành.

 

(2)   Cây cạnh tranh nhau: Trồng giống lúa chống cỏ

Cây phải cạnh tranh với các cây láng giềng và cỏ dại về các nguồn thức ăn cần thiết như nước, chất dinh dưỡng và ánh sáng. Do đó, cây phát ra một số hóa chất tổng hợp để làm hại các đối thủ. Đó là hiện tượng “tương tranh” hay "allelopathy" khá phổ biến trong các loài thảo mộc, như cây keo, dâu ngọt, cây sung Mỹ (sycamores) và một số loài bạch đàn. Kinh nghiệm cho biết những nơi trồng nhiều cây bạch đàn, các loại cây khác không thể sống. Chúng phóng thích hợp chất hóa học diệt trừ hoặc xua đuổi các loài cây khác sống gần bên, hoặc làm giảm sự lây lan của vi khuẩn xung quanh (3). Do đó, các nhà di truyền học có chương trình lai tạo để sản xuất những giống cây khi được trồng đại trà cỏ dại khó xâm lấn. 

Trong ngành trồng lúa, các chuyên gia đang áp dụng đặc tính này trong lai tạo giống để giảm bớt thuốc diệt cỏ, tăng lợi tức cho người trồng. Trước hết, họ trồng rất nhiều giống để chọn ra vài giống cạnh tranh tốt với cỏ dại trong điều kiện thiên nhiên, và sau đó lai tạo với các giống lúa thương mại. Họ đã tìm ra các chất hóa học làm cây lúa có khả năng cạnh tranh, ngăn cản phát triển cỏ dại như chất cytokinins, diterpenoids, fatty acids, flavones, glucopyranosides, indoles, momilactones (A và B), oryzalexins, phenols, phenolic acids, resorcinols và stigmastanols. Những chất này được tiết ra từ rễ và rơm rạ dư thừa trong đất có tính chất độc hại, ngăn cản sự phát triển của thân, lá và rễ cỏ, xem như chất diệt cỏ sinh học (4).  

Trong 2003, Ông Chung và cộng sự viên làm thí nghiệm chọn lọc cạnh tranh cỏ trên 114 giống lúa ở Đại Hàn, tìm thấy giống lúa Duchungjong ngăn cản lan rộng  đến 77,7% cao hơn 113 giống còn lại. Giống lúa cạnh tranh tốt đàn áp cả cỏ đơn tử diệp và cỏ song tử diệp. Giống lúa Taichung Native 1 chống rất mạnh sự xâm lấn của các loại cỏ chuồng (barnyardgrass), cỏ ngựa (Trianthema portulacastrum L.), cỏ vịt (ducksalad), cỏ lồng vực nước (Echinochloa crusgalli), toothcup (Ammannia coccinea Rottb.); cho nên, giống lúa này là ứng viên tốt được lựa chọn cho nghiên cứu về chất hóa học và di truyền của khả năng cạnh tranh. Ở Philippines, 111 giống lúa được nghiên cứu đánh giá khả năng đàn áp cỏ chuồng ở ngoài đồng trong 3 vụ liên tiếp. Họ tìm thấy cây lúa sau 8 tuần lễ nẩy mầm làm giảm cỏ chuồng đến 34%. Các giống lúa thuộc nhóm Japonica nhiệt đới có khả năng ngăn cản cỏ bành trướng cao hơn so với các nhóm lúa khác, như lúa Indica, Japonica và Glaberrima (5). Chúng là những ứng viên tốt cho chương trình lai tạo giống lúa chống cỏ dại.

(3)   Cải thiện hấp thụ chất dinh dưỡng và nước

 

Nấm mycorrhiza là loài cộng sinh với hệ thống rễ, đã được các nhà khảo cứu biết rất rõ không những đem chất dinh dưỡng cho thực vật mà còn giúp nhiều loài cây chống kháng nhiều sâu bệnh qua hình thức cảnh báo hoặc báo tin nhau khi bị làm hại. Nấm này hiện diện nhiều nơi và phát triển ngày càng nhiều và lâu dài trong đất, tạo ra mạng lưới cho cây tiếp xúc hay thì thầm nhau qua hệ thống rễ; chúng cộng sinh với rễ, cung cấp cho cây các chất dinh dưỡng (chất đạm, lân, bồ tạt, calcium, sắt…) và nước trong đất nhiều gấp 100 đến 1000 lần hơn các cây không có nấm mycorrhiza cộng sinh, nhờ hệ thống nấm rộng lớn, làm tăng diện tích tiếp xúc của rễ với đất. Ở khu rừng thí nghiệm ở Canada, mỗi cây có thể kết nối với hàng chục cây khác trong khoảng cách 30 mét (1).

 

Đặc biệt, nấm mycorrhiza rất có lợi cho các loại đất kém phì nhiêu, khô cằn vì chúng làm tăng cung cấp chất lân và chất dinh dưỡng khác có sẵn trong đất cho cây. Sợi nấm có thể định vị các chất dinh dưỡng trong đất nhanh hơn so với rễ và tạo thành các sợi nấm “hút” phân từ chất mùn đất. Từ lúc trồng đến khi cây cho quả, mycorrhiza giúp hỗ trợ phát triển cây liên tục. Hầu hết trong thời kỳ trổ hoa và kết trái, cây cần một số lượng chất lân (P) đáng kể cho trái và hoa. Tuy nhiên, chất lân luôn bị đất cố định, làm giới hạn di chuyển trong khi cây đòi hỏi chất này với số lượng cao. Nấm mycorrhiza giúp tải chất lân qua rễ vào cây, do chúng chuyển chất lân từ nơi có nồng độ cao và cung cấp trực tiếp cho các tế bào trong rễ, nơi có nồng độ thấp (6,7).

 

Figure 6: Nấm Ectomycorrhiza do nấm Amanita và rể cây

Ngoài ra, nấm mycorrhiza còn giúp nước thấm vào đất dễ dàng, làm đất thông thoáng, tăng gia trao đổi chất khí trong đất, cuối cùng làm tăng năng suất hoa màu và lợi tức người trồng. Nấm trong đất còn có khả năng làm giảm khí thải nhà kiếng nhờ hấp thụ và giữ chất carbon trong đất, góp phần tích cực chống biến đổi khí hậu toàn cầu (6).

Trong nông học, nấm mycorrhiza còn có những lợi ích khác cho nông nghiệp: làm tăng khối lượng rễ từ 30-50%, đặc biệt làm tăng hấp thụ chất lân, duy trì độ phì nhiêu đất đai (phân giải các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất khó phân giải như cellulose, lignin thành chất vô cơ làm tăng mức độ phì nhiêu đất), chịu hạn hán, nước mặn, kim loại nặng, giảm cây con chết khi đem trồng trong vườn (8). Do đó, loại nấm này giúp giảm tưới nước, ít bón phân và làm tăng năng suất hoa màu khi chúng sống cộng sinh với rễ trong đất, rất thích hợp cho các dự án nông nghiệp thích ứng biến đổi khí hậu. Năm 2009, kết quả thí nghiệm trên cây bắp được trồng ở đất mặn chung với nấm mycorrhiza cho thấy sinh khối rễ nhiều hơn, hình dáng rễ lớn hơn và hoạt động của rễ cũng mạnh hơn so với cây bắp trồng trên đất mặn không có nấm mycorrhiza, chứng tỏ cây bắp với nấm công sinh có sức chịu đựng đất mặn ở một mức độ nào đó (7,9). Cho nên, loại nấm này là một đáp án đáng lưu ý cho xâm nhập mặn vào mùa khô ở đồng bằng sông Cửu Long.

Do đó, các nhà canh tác có thể lợi dụng mạng lưới nấm này để làm cây tăng trưởng tốt, sống mạnh khỏe trên đất có vấn đề để cho năng suất cao và sản xuất đầy đủ thực phẩm cho dân số thế giới sẽ tăng từ 7 tỉ hiện nay lên 9,6 tỉ người năm 2050. Các nước Ấn Độ, Malaysia, Indonesia, Trung Quốc… ngày càng sử dụng nhiều loại nấm này trong nông nghiệp (10). Trong thực dụng, hạt giống được trộn chung với mầm nấm (spore) hoặc nhúng rễ cây trong dung dịch mầm nấm trước khi đem gieo trồng.

(4)   Phục hồi rừng:

Mối quan hệ cộng sinh giữa cây và nấm mycorrhiza rất hữu ích trong ngành phục hồi rừng. Nấm giúp cho cây trở nên mạnh mẽ và là đối thủ cạnh tranh lớn để tồn tại, sinh trưởng mạnh và nhanh trong vùng đất kém phì nhiêu và thiếu nước. Do đó, ngành phục hồi rừng không thể thiếu biện pháp làm tăng phát triển nấm cộng sinh trong đất.

 

Figure 7: Phục hồi rừng ờ VN

Khi theo dõi sự di chuyển chất carbon, N đồng vị phóng xạ, Bà Jennifer Frazer ở Mỹ rất ngạc nhiên khi thấy cây già chuyển thức ăn đến cây con hoặc do tinh thần vị tha hoặc do sự cân bằng giữa nguồn và gốc (source và sink) của các cây, đặc biệt đối với các loại cây không phải cùng loài, qua mạng lưới sợi nấm dày đặc trong đất của khu rừng già. Thức ăn chuyển từ cây già chết có thể là kết quả của hiện tượng nguồn và gốc, nơi cây thông douglas già nhiều thức ăn đổ vào nấm mycorrhiza để giữ hộ trong trường hợp gặp khó khăn nghiêm trọng. Các nguồn dinh dưỡng dư thừa chuyển từ một khu vực có nồng độ cao (cây già) đến nơi nồng độ thấp (cây thông Ponderosa mới trồng đang đói). Tất cả hoạt động này của cây và nấm lan tỏa khắp nơi đến những loài cây khác để giúp cho cả hệ thống rừng được khỏe mạnh (10).  

Như thế, loại nấm rễ mycorrhiza có thể giúp rừng luôn vững vàng khỏe mạnh hơn để hoạt động và tiến công, và đặc biệt là giúp những cây chịu ảnh hưởng biến đổi khí hậu bằng cách chuyển nguồn thức ăn hiện có từ cây chết đến loài cây di cư vào môi trường mới có sẵn, nhưng phải cạnh tranh mạnh mẽ để có được một chỗ đứng.

Do đó, bảo tồn mạng nấm rễ dưới đất giúp rừng phục hồi mau lẹ khi bị xáo trộn như cháy rừng hoặc khai thác gỗ, cũng có thể ngăn chận cuộc xâm lấn của loài cây ngoại lai thường cạnh tranh với các mạng đã có trước.

(5)   Canh tác thân thiện với môi trường

Ngày nay, thực hành nông nghiệp hiện đại đang phá hủy hệ thống thiên nhiên, làm tổn thương môi trường ngày càng khốc liệt; cho nên, làm xuống cấp lớp đất mặt có sẵn hàng triệu năm, qua các phương pháp canh tác tân tiến: cơ giới hóa làm đất, sử dụng hóa chất độc hại, độc canh, phá hủy đa dạng sinh học và chống lại thiên nhiên. Nấm mycorrhiza không chỉ hỗ trợ các cây cối trong việc tăng trưởng khỏe mạnh, mà còn làm giàu cho đất thêm chất hữu cơ vừa nâng cao năng suất vừa bảo vệ cây trồng khỏi tấn công từ nhiều loại sâu bệnh. Nấm mycorrhiza rất hữu ích cho các vùng đất khô cằn, thiếu nước, là ứng viên tốt cho các công trình tái tạo rừng và chống biến đổi khí hậu.

 

Cho nên, với canh tác thân thiện môi trường, một khu vườn phải có nhiều chất hữu cơ và được bổ dưỡng thêm nấm mycorrhiza, ít cày xới, ít dùng chất hóa học, ít làm xói mòn, sẽ có cơ hội thành công mỹ mãn trong các dự án sản xuất thực phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên, có một số loại cây không được hưởng lợi từ mycorrhiza là các loại rau Họ mù tạt, như bắp cải, bông cải xanh, súp lơ, củ cải, v.v., bởi vì chúng không cho phép nấm rễ xâm thực vào lãnh địa chúng. Hơn 90 % các loài thực vật trên địa cầu có những mối quan hệ cộng sinh tự nhiên với mycorrhiza (1).

 

Trong lâm nghiệp thực dụng, đặc biệt trồng rừng, người trồng dùng loại nấm Pisolithus tinctorius để có nấm rễ ngoại dinh dưỡng (ectomycorrhiza) cộng sinh với cây thông nhựa, cây bạch đàn, giúp cây tăng cường hấp thụ các chất dinh dưỡng như: N, P, K, Ca...; do đó, nấm được ứng dụng trong các dự án tái sinh hoặc trồng mới các rừng thông nhựa, bạch đàn trên đất kém phì nhiêu hay đất cát (8).

 

(6)   Kết luận

Trong nửa thế kỷ qua, các nhà khoa học đã tham gia tìm hiểu hành vi và “tinh thần” thật sự của thảo mộc ngày càng nhiều hơn, đặc biệt trong 20 năm vừa qua đã tìm thấy nhiều bằng chứng rất thuyết phục về loài cây giao tiếp, liên lạc nhau chặt chẽ không những giữa rể, thân, lá, hoa mà còn trong không gian và dưới đất. Ba nơi này là những thế giới rất sinh động không ngừng nghỉ và âm thầm, giúp cho cây sống lành mạnh và có khả năng cạnh tranh, chống phá các loài nguy hại khác và ngay giữa những loài thảo mộc với nhau để giữ môi trường thiên nhiên ổn định và bền vững.

Chúng ta đang sống trên một thế giới thay đổi nhanh đến chóng mặt - nóng lên toàn cầu, thay đổi lượng mưa, nước biển dâng cao, các đồng bằng ven biển bị ngập mặn, sa mạc hóa trong lục địa trồng trọt, xói mòn mặt đất, di dân nhiều nơi... Cho nên, cần phải tìm hiểu sâu xa hơn làm sao cây cối có thể nhận thức và phản ứng với môi trường xung quanh và sau đó tự điều chỉnh để thích ứng với tình thế mới, chống chịu khó khăn thiên nhiên hay do con người gây ra để sinh tồn và sản xuất lâu dài. Tuy nhiên, đến nay “…chúng ta vẫn còn đánh giá thấp thực vật. Chúng ta nhìn vào chúng như những đối tượng vô tri vô giác, hoàn toàn không biết sự tuyệt vời, sinh học phức tạp của chúng cho phép cây cối tồn tại hàng ngàn năm”, như Giáo Chamovitz, Do Thái đã tâm sự (11).

Trần Văn Đạt, Ph. D.

2017

TÀI LIỆU THAM KHẢO: