Bỉ phát triển cây ảo để tìm giống cây thích ứng với hạn hán

Để thực hiện mô hình mô phỏng số, đội ngũ kỹ sư sinh học của UCLouvain đang chuẩn bị trồng hàng nghìn chồi lúa mì trong trang trại chuyên biệt của UCLouvain tại Chaumont-Gistoux cũng như tại Melle, trong một cánh đồng trang bị cảm biến của Viện nghiên cứu nông nghiệp của Flanders (Ilvo). Các cánh đồng và cây trồng sẽ được đo lường từng chi tiết, trước khi chúng được đào lên để kiểm tra lại một lần nữa, nghiên cứu kỹ lưỡng dưới kính hiển vi, được chụp ảnh và thậm chí được chụp cắt lớp từ máy IRM để xem xét rễ cây và khả năng hấp thụ nước của chúng.

Giáo sư Guillaume Lobet, người đứng đầu nhóm nghiên cứu giải thích: "Do biến đổi khí hậu, trung bình chúng ta sẽ có ít nước hơn và có thể có sự biến động lớn. Ngay cả ở Bỉ, mùa xuân và mùa hè cũng trở nên khô cằn hơn. Vì vậy, chúng ta bắt đầu gặp vấn đề thiếu hụt nước cho các loại cây lớn, điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng và sẽ trở nên nghiêm trọng hơn trong tương lai. Với nghiên cứu này, chúng tôi muốn góp phần tạo ra các hệ thống nông nghiệp vững mạnh trong tương lai có thể đối phó với những bất ổn liên quan đến lượng mưa. Một yếu tố mà chúng tôi muốn tránh cũng là việc sử dụng hệ thống tưới tiêu, bởi vì cách này xử lý triệu chứng mà không đặt câu hỏi về vấn đề nước. Chiến lược của chúng tôi là cố gắng tạo ra những loại cây trồng cần ít nước hơn trong quá trình sinh trưởng”.

Vậy làm thế nào để cây hút ít nước hơn? Thay vì tập trung vào lá và thân như đã làm cho đến nay, GS Guillaume Lobet quyết định tấn công vào bộ rễ của cây, tức là bề mặt tiếp xúc với đất cho phép cây hút được lượng nước cần thiết. Ví dụ, rễ này có thể ăn sâu ít nhiều vì biết rằng chính các lớp bề mặt của đất sẽ khô đi trước. Nhóm nghiên cứu cũng đặc biệt quan tâm đến đường kính của rễ, vì đường kính càng hẹp thì cây càng hút ít nước. Đường kính cũng có thể khác nhau trong hệ thống rễ của cùng một cây, có thể bao gồm rễ nhỏ và rễ lớn. GS Guillaume Lobet giải thích: “Chúng tôi muốn mô tả đặc điểm hệ thống rễ của cây để hiểu liệu nó có thể hút nước đúng cách hay không. Đặc điểm của hệ thống rễ làm cho nó có khả năng chống chịu hay không? Nhưng hệ thống rễ rất phức tạp, rất dày: trên cây lúa mì, chúng có thể có chiều dài rễ tích lũy tới hàng trăm mét. Và chúng tôi cũng thiếu các công cụ để mô tả hệ thống gốc một cách nhanh chóng".

Hiện tại, không có thông tin về rễ của cây trồng, điều đó cũng có nghĩa là người ta biết rất ít về khả năng chống lại quá trình thiếu nước căng thẳng kéo dài của cây.

GS Guillaume Lobet nói thêm: "Ví dụ, chúng ta không biết hệ thống rễ của hầu hết các loài lúa mì được sử dụng trong nông nghiệp trông như thế nào. Bởi vì nó nằm trong lòng đất và cần có thời gian để hình thành. Và bởi vì những nỗ lực cải tiến cây trồng, cho đến 10 năm trước và thậm chí có lẽ là 5 năm trước, vẫn tập trung vào việc tăng năng suất trong điều kiện tối ưu, nơi chúng ta cung cấp mọi thứ cây cần: nước, chất dinh dưỡng, thuốc trừ sâu… Trong những điều kiện này, hệ thống gốc không có vai trò lớn. Nhưng bây giờ, chúng ta đang bắt đầu ở trong những tình huống dưới mức tối ưu và do đó chúng ta phải bắt đầu xem xét những gì đang xảy ra ở cấp độ gốc. Nhưng vẫn chưa có nhiều người trong chúng tôi làm được điều đó”.

Để thực hiện sứ mệnh của mình, phòng thí nghiệm của GS Guillaume Lobet có một lợi thế: chuyên về “cây ảo”. Trên thực tế, phòng thí nghiệm có thể tận dụng các công cụ máy tính được phát triển trong mười năm qua để nghiên cứu thực vật. Chúng bao gồm phần mềm có thể phân tích cụ thể các bức ảnh về hệ thống rễ và mô hình mô phỏng trên máy tính về sự phát triển của cây và lượng nước hút vào. Thông tin thu thập được tại hiện trường và thông qua hình ảnh rễ cây đào lên sẽ cung cấp dữ liệu cho các mô hình mô phỏng.

“Để xác định khả năng hút nước của cây, trước tiên chúng tôi sẽ xác định một loạt đặc điểm vật lý của hệ thống rễ. Và để làm được điều này, chúng tôi sẽ đào rễ cây, làm sạch, chụp ảnh và xử lý những bức ảnh này bằng phần mềm phân tích hình ảnh chuyên dụng mà chúng tôi đã thiết kế và sẽ định lượng các đặc điểm của rễ", GS Guillaume Lobet giải thích. Sau đó, để có thể chuyển từ các đặc tính vật lý của rễ sang “chức năng” thu nước thực tế, các chuyên gia sẽ sử dụng các mô hình máy tính về sự phát triển và hoạt động của cây. Công việc cụ thể của họ trong phòng thí nghiệm là thực hiện các mô hình mô phỏng sự phát triển của cây và việc hút nước từ những cây này trên đất ảo. Do đó, họ làm việc với các cây ảo. Tại đây, thông tin về kích thước và sức khỏe của cây trồng, lấy mẫu nước bằng thiết bị đặc biệt ở Melle, hàm lượng nước trong đất bằng sóng từ,... thu được tại hiện trường sẽ được nhập vào mô hình, điều này sẽ giúp nhóm nghiên cứu dự đoán năng suất thu hoạch của cây.

Chiến dịch lấy mẫu tương tự sẽ được tiếp tục ở Pháp, Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ và Đức để tích hợp tính biến đổi, vì rễ là những hệ thống rất dẻo: cùng một cây trong cùng điều kiện canh tác có thể phát triển một hệ thống rễ khác.

Với tất cả thông tin, GS Guillaume Lobet và cộng sự của ông muốn thiết kế một mô phỏng quá trình phát triển của một cánh đồng lúa mì hoàn chỉnh. Và lần này bao gồm cả hệ thống gốc của nó, hệ thống này chưa tồn tại cho đến nay. Mô hình về động lực tăng trưởng cây trồng này sau đó có thể được kết hợp với các mô hình dự báo khí hậu cho tất cả các môi trường trồng lúa mì ở châu Âu. “Mục tiêu của chúng tôi là cung cấp công cụ cho người dân tại hiện trường để họ lựa chọn cây trồng tốt hơn. Họ có thể biết được những loại cây nào có thể đối phó với đợt hạn hán này”, ông Guillaume Lobet nhấn mạnh.

Do đó, với các mô hình kết hợp khác nhau, chúng ta sẽ biết xác suất xảy ra hạn hán đối với từng môi trường địa phương, đồng thời biết được loại đất trong môi trường.... Từ đó, chúng ta có thể chứng minh rằng trong trường hợp hạn hán, chẳng hạn, tốt hơn là nên có một loại cây nào đó phát triển chậm ngay từ đầu và do đó sẽ cần ít nước và tiết kiệm nước cho giai đoạn tăng trưởng sau này hoặc tốt hơn là nên trồng cây khác.

Từ những nghiên cứu về lúa mì, nhóm các nhà khoa học Bỉ có thể mở rộng nghiên cứu sang các loại ngũ cốc khác như ngô, cao lương, lúa mạch hoặc gạo...