Các căng thẳng sinh học và phi sinh học hạn chế sự tăng trưởng và năng suất của cây trồng. Lượng đất canh tác toàn cầu dành cho nông nghiệp liên tục bị thu hẹp do quá trình đô thị hóa và tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu. Để đáp ứng nhu cầu của dân số ngày càng tăng, sản lượng lương thực thế giới phải tăng gấp đôi vào năm 2050. Các nhà sản xuất đã chuyển sang sử dụng quá nhiều thuốc trừ sâu hóa học và phân bón tổng hợp để thúc đẩy sản xuất nông nghiệp. Những hóa chất độc hại này đe dọa cả ngắn hạn và dài hạn đến sức khỏe của con người, động vật, thực vật và toàn bộ sinh quyển. Do đó, cần phải có một giải pháp sinh học hiệu quả thay thế để giảm sự phụ thuộc vào hóa chất nông nghiệp. Chiết xuất Ascophyllum nodosum (ANE) đã được nghiên cứu về khả năng cải thiện sự phát triển và năng suất của cây trồng, cung cấp một giải pháp thay thế tiềm năng cho các nguyên liệu đầu vào nông dược truyền thống.

Ascophyllum nodosum, tảo nâu, phân bố nhiều trên khắp bờ biển phía tây bắc của Châu Âu và bờ biển phía đông bắc của Bắc Mỹ. Một đặc tính độc đáo của A. nodosum là sự liên kết tương hỗ của nó với nấm nội sinh Mycosphaerella ascophylli. M. ascophylli bảo vệ A. nodosum khỏi mất nước. Hơn nữa, trong báo cáo của Prithiviraj và cộng sự (2011) cho thấy các sterol của nấm có trong dịch chiết A. nodosum làm giảm tổn thương cho cây trồng bị hạn mặn.

A. nodosum là nguồn cung cấp dồi dào các hợp chất phenolic có hoạt tính sinh học đa dạng như các pholorotannin và các polysaccharide độc đáo như alginic acid (28%), fucoidan (11,5%), mannitol (7,5%) và laminarin (4,5%). Các hợp chất hoạt tính sinh học có trong A. nodosum được trích xuất và sử dụng để thúc đẩy tăng trưởng cây trồng.

 ANE CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG QUẢ, TĂNG TRƯỞNG VÀ NĂNG SUẤT CỦA CÂY TRỒNG

Các dịch thủy phân A. nodosum (ANE) thương mại đã được chứng minh nhiều lần là có khả năng kích thích tăng trưởng ở các cây được xử lý, khi được sử dụng nhiều lần với liều lượng thấp, và được gọi là “chất kích thích sinh học”.

Phun dịch chiết A. nodosum cải thiện chất lượng quả ở dưa hấu, táo, nho. ANE còn thúc đẩy quá trình chín ở nho, tăng hàm lượng dầu và độ chín đồng đều ở olive.

A. nodosum được báo cáo là cải thiện tăng trưởng và năng suất của cây trồng bằng cách tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng khoáng. Vài nghiên cứu chỉ ra rằng phun lá ANE ở cây nho sau khi hoa nở làm tăng hàm lượng dinh dưỡng trong quả nho, đặc biệt là sự tích lũy anthocyanin và phenolic. ANE cũng tăng cường hàm lượng dinh dưỡng đa lượng (N, P, K, Ca, S) và vi lượng (Mg, Zn, Mn, Fe) ở trái cà chua. Xử lý ANE trên cây cải dầu làm cải thiện sự tăng trưởng của rễ và thân lá bằng cách kích thích tích lũy đạm và sulfate.

Dịch chiết A. nodosum tăng cường sự sinh trưởng của rau ăn lá như bó xôi, xà lách. Tưới ANE cảm ứng sự biểu hiện của glutamine synthetase, enzyme chịu trách nhiệm cho việc chuyển đổi đạm ammonium thành glutamine hữu cơ, cũng như đóng vai trò quan trọng trong biến dưỡng và đồng hóa đạm. Tưới 1g/L ANE trước khi thu hoạch cải thiện hàm lượng dinh dưỡng và chất lượng của bó xôi.

ANE CẢI THIỆN TĂNG TRƯỜNG THỰC VẬT BẰNG CÁCH ĐIỀU HÒA SINH TỔNG HỢP CÁC PHYTOHORMONE TRONG CÂY

Phytohormone (hormone thực vật) là các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp, và hàm lượng rất nhỏ để điều hòa một số quá trình sinh lý và phát triển ở thực vật. Các phytohormone phổ biến nhất bao gồm auxin (IAA), cytokinin (CK), abscisic acid (ABA), gibberellic acid (GA), ethylene, jasmonic acid (JA) và salicylic acid (SA). Nghiên cứu cho thấy tác dụng thúc đẩy tăng trưởng của ANE là do sự hiện diện của nhiều loại chất “giống phytohormone”. Xử lý ANE cũng làm tăng sản xuất và tích lũy hormone nội sinh của thực vật.

ANE GIẢM BỚT CĂNG THẲNG (STRESS) PHI SINH HỌC Ở THỰC VẬT

Thực vật bị thách thức không ngừng bởi nhiều loại áp lực môi trường làm hạn chế sự tăng trưởng và năng suất của chúng. Do các con đường trao đổi chất phức tạp liên quan đến khả năng chống chịu, việc tạo ra cây trồng chịu được căng thẳng thông qua kỹ thuật di truyền đạt được thành công ở mức hạn chế. Một cách tiếp cận bền vững khác để cải thiện khả năng chống chịu căng thẳng ở thực vật là sử dụng các chất chiết xuất từ A. nodosum

ANE CẢI THIỆN KHẢ NĂNG CHỊU MẶN CỦA THỰC VẬT

Độ mặn của đất là một vấn đề toàn cầu, ảnh hưởng đến hơn 800 triệu ha đất, làm tác động lớn đến năng suất nông nghiệp. Stress do mặn nhẹ gây ra hạn sinh lý ở thực vật, làm suy giảm tương quan nước và tế bào, ức chế sự mở rộng của tế bào, và do đó, làm giảm tốc độ tăng trưởng. Tiếp xúc lâu dài với độ mặn cao gây ra stress ion do rối loạn cân bằng nội môi của các ion nội bào, dẫn đến rối loạn chức năng màng và suy giảm hoạt động trao đổi chất cùng các hiệu ứng thứ cấp, làm ức chế sự phát triển, gây chết tế bào.

Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng dịch chiết ANE đã cải thiện khả năng chịu mặn ở cà chua, chanh dây và bơ. A. nodosum thúc đẩy sự tích tụ khoáng chất, chất chống oxy hóa và acid amin thiết yếu trong quả cà chua được trồng trong điều kiện hạn mặn. Chiết xuất A. nodosum được báo cáo là đã làm giảm bớt ảnh hưởng của hạn mặn lên sự tăng trưởng và năng suất của bơ bằng cách cải thiện khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng.

Các thành phần hoạt tính sinh học khác nhau của chiết xuất A. nodosum có thể giảm thiểu căng thẳng do nhiễm mặn thông qua các cơ chế khác nhau: bảo vệ các cấu trúc tế bào khỏi sự mất nước, hoạt động như một bộ đệm hydrat hóa, cô lập các ion, bảo vệ trực tiếp các protein hoặc tái tạo lại các protein chưa mở thông qua việc tăng biểu hiện gen LEA.

ANE LÀM GIẢM CĂNG THẲNG (STRESS) DO HẠN HÁN Ở THỰC VẬT

Cả khô hạn vật lý và sinh lý đều tác động tiêu cực đến sinh lý thực vật và năng suất cây trồng bằng cách cản trở tương quan dinh dưỡng và nước, quang hợp và phân vùng đồng hóa. Người ta ước tính rằng gần 50% cây trồng nông nghiệp bị ảnh hưởng bởi hạn hán trên toàn thế giới.

Đã có những tiến bộ đáng chú ý trong việc giảm thiểu tác hại do hạn hán bằng cách sử dụng các chất hoạt tính sinh học từ A. nodosum. Một số nghiên cứu đã chứng minh rõ ràng rằng việc sử dụng ANE đã làm giảm bớt tác hại của khô hạn ở các loại đậu, cà chua, cam, rau bó xôi,…Các hợp chất hoạt tính sinh học (chưa biết rõ) có trong chiết xuất A. nodosum khi được sử dụng cho các cây bị stress đã làm giảm tác động có hại của stress do hạn hán bằng cách điều chỉnh một loạt các phản ứng phân tử, tế bào và sinh lý tuần tự bao gồm điều chỉnh một số gen, dẫn đến sự tích tụ các chất thẩm thấu khác nhau, cải thiện hệ thống chống oxy hóa và tăng cường trao đổi khí thông qua sự điều hòa khí khổng.

ANE CẢI THIỆN KHẢ NĂNG PHẢN VỆ CỦA THỰC VẬT NHẰM CHỐNG LẠI CÁC MẦM BỆNH

Điều kiện khí hậu thay đổi và canh tác thâm canh làm tăng sự xuất hiện của các bệnh truyền nhiễm trên cây trồng, làm giảm năng suất nông nghiệp. Bệnh hại cây trồng do các mầm bệnh như vi khuẩn, nấm và vi rút gây ra làm rối loạn sức khỏe cây trồng cũng như năng suất của chúng. Trong quá trình tiến hóa, các loài tảo biển khác nhau đã phát triển các cơ chế bảo vệ hiệu quả để chống lại các mầm bệnh tự nhiên của chúng.

Theo báo cáo, các hợp chất hoạt tính sinh học có trong ANE đã kích thích các phản ứng phòng vệ chống lại các mầm bệnh khác nhau. Chiết xuất A. nodosum cải thiện khả năng chống lại Phytopthora melonis trong dưa chuột. Tưới gốc và / hoặc phun qua lá chiết xuất A. nodosum xen kẽ với 2g/L thuốc trừ nấm (metalaxyl) cho cây con 21 ngày tuổi 3 lần, mỗi lần cách nhau 5 ngày đã dẫn đến việc tăng cường hoạt hóa các enzym kháng bệnh bao gồm peroxidase, polyphenol oxidase, lipoxygenase, phenylalanin amoniac lyase, và β-1,3-glucanase. Tương tự, Panjehkeh và Abkhoo (2016) cho biết rằng sử dụng chiết xuất A. nodosum xen kẽ với 2 g/Lthuốc trừ nấm (metalaxyl), áp dụng cho cây con 21 ngày tuổi, có thể tạo ra tính kháng (ISR) chống lại Phytophthora capsica, nấm gây chết cây con ở cà chua. Tương tự, việc sử dụng xen kẽ chiết xuất A. nodosum với thuốc diệt nấm (chlorothalonil, 2 g/L), đã làm giảm sự phát triển của nấm bệnh (Alternaria cucumerinum, Didymella applanata, Fusarium oxysporum, Botrytis cinereal) ở dưa chuột thông qua việc cảm ứng các gen và enzyme phản vệ. Tương tự, Jayaraj và cộng sự (2008) cho thấy phun ANE qua lá cho cây cà rốt làm giảm đáng kể sự tiến triển của bệnh do nấm Alternaria radicina và Botrytis cinerea gây ra.

Các nghiên cứu cho thấy rằng sử dụng hợp lý chiết xuất từ ​​A. nodosum có thể là một công cụ hiệu quả trong quản lý dịch bệnh (Bảng 2). Chiến lược này giảm thiểu việc sử dụng thuốc diệt nấm hóa chất và cung cấp một phương pháp an toàn và bền vững với môi trường để quản lý bệnh hại thực vật.

ANE CẢI THIỆN SỨC KHỎE ĐẤT

Các chất chiết xuất từ ​​rong biển chọn lọc đã được nghiên cứu đầy đủ cho thấy rằng việc sử dụng chúng làm đầu vào nông nghiệp có hai phương thức hoạt động: (1) là chất kích thích sinh học, như đã trình bày ở trên, giúp tăng cường sự phát triển và năng suất của cây trồng, và (2) là phối tử (chelator), trực tiếp góp phần vào sự khỏe mạnh của đất trồng. ANE cung cấp quá trình chelate hóa tự nhiên trong đất do sự hiện diện của các alginate có trong dịch chiết thủy phân, làm tăng lượng khoáng hữu hiệu trong thực vật, tăng khả năng giữ nước và thông khí trong đất.

Alginic acid là thành phần chính của thành tế bào tảo, chiếm từ 15 đến 30% trọng lượng khô. Thông qua quá trình chelate hóa tự nhiên, các alginate liên kết với các ion kim loại trong đất tạo thành các phức polymer, các phân tử này hấp thụ độ ẩm và trương nở, làm tăng khả năng thông khí và giữ nước của đất. Hơn nữa, thông qua quá trình nói trên, sự hiện diện của alginate trong vùng rễ làm thay đổi cấu trúc đất trở thành môi trường thuận lợi hơn cho hoạt động phát triển của thực vật và vi sinh vật.

Tương tác giữa vi sinh vật đất và thực vật là chu trình trong tự nhiên. Thực vật sinh trưởng nhờ các dinh dưỡng khoáng do vi sinh vật phân giải trong đất. Có sự tương tác giữa rễ các loại cây, giữa rễ cây và côn trùng, giữa rễ cây với vi sinh vật trong vùng rễ. Hơn nữa, cũng có những tương tác phức tạp giữa các vi sinh vật, côn trùng và rễ cây nói trên với dịch tiết ra từ rễ.

Chiết xuất tảo biển khiến cây tạo ra dịch tiết từ rễ (flavonoid) thu hút vi khuẩn tới bề mặt rễ. Tương tự, người ta cũng báo cáo rằng việc sử dụng ANE và các phân đoạn hữu cơ của nó đã cảm ứng nốt sần rhizobium ở cây họ đậu.

Việc tưới chiết xuất từ Ascophyllum nodosum đã cải thiện sự phát triển của dâu tây và cà rốt bằng cách hoạt động như một prebiotic (hợp chất kích thích sự sinh trưởng của các vi sinh vật có lợi) và tăng hoạt động của vi sinh vật trong đất.

Các thành phần trong chiết xuất từ ​​tảo biển cũng cho thấy hiệu quả như tác nhân kiểm soát sinh học chống lại vi khuẩn, vi rút, nấm và tuyến trùng. Tưới chiết xuất rong biển thủy phân kiềm vào đất đã làm giảm đáng kể số lượng tuyến trùng có hại (Meloidogyne javanica) và số lượng trứng, so với đất không được xử lý. Các nghiên cứu cho rằng thành phần betaine của chiết xuất đã tạo ra phản ứng phòng vệ ở cà chua chống lại tuyến trùng nốt sưng.

Mặc dù các bằng chứng hiện tại đã cho thấy hiệu quả rõ rệt của chiết xuất tảo nâu Ascophyllum nodosum, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu thêm để làm sáng tỏ cơ chế hoạt động cũng như tối ưu hóa phương thức sử dụng ANE để đạt được hiệu quả cao nhất cho từng giai đoạn của từng loại cây trồng ở từng điều kiện môi trường khác nhau.