Ngày nay, cách chúng ta ăn không còn cân bằng với cách chúng ta sống. Trong khi 11% diện tích đất liền trên bề mặt Trái Đất là đất nông nghiệp, chỉ có khoảng 3% là đất đô thị - nơi cư trú của ⅔ dân số toàn cầu. Đô thị hóa và gia tăng dân số sẽ đi kèm với gia tăng nhu cầu mở rộng đất canh tác, vận chuyển và dấu chân sinh thái - trừ phi chúng ta tìm ra phương thức hiệu quả hơn để giải quyết bài toán lương thực.

Thay vì canh tác chiều ngang theo phương thức truyền thống, có một giải pháp khác đầy tiềm năng - đó là canh tác theo chiều thẳng đứng, với các luống cây xếp thành nhiều tầng chồng dọc lên nhau và được trồng trực tiếp vào môi trường dinh dưỡng thay vì đất (phương pháp thủy canh). Khi đó, công việc sản xuất lương thực sẽ được chuyển từ nông thôn về thành thị, giúp giảm áp lực lên những mảnh đất đứng trước nguy cơ bị chuyển đổi thành đất nông nghiệp - theo Choon-Tak Kwon, nghiên cứu sinh về sinh học thực vật tại Phòng Thí nghiệm Cảng Cold Spring. Không chỉ vậy, chi phí và ảnh hưởng sinh thái từ vận chuyển thực phẩm cũng sẽ giảm đáng kể. “Ngay cả những loại cây đỏng đảnh nhất đều có thể được trồng quanh năm và ngay gần nơi bạn sống,” Kwon nói. Điều này đồng nghĩa chúng ta sẽ có “thực phẩm tươi ngon ở mức giá ổn định.”

Ý tưởng này đã được chứng minh là hiệu quả. Canh tác theo chiều thẳng đứng và các phương thức canh tác tương tự trong đô thị hiện chiếm hơn 15% tổng sản lượng thực phẩm toàn cầu, theo số liệu của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc. Tuy nhiên, phần lớn năng suất của các nông trại thẳng đứng đến từ chỉ một vài giống cây - hầu hết là các loại rau lá vốn có khả năng sinh trưởng trong nhà.

Bởi vậy, “đa dạng hóa cây trồng có khả năng sinh trưởng trong nhà là điều bắt buộc” - Cathryn O’Sullivan, nhà nghiên cứu về nông nghiệp ở Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Liên bang Úc, lập luận. Vấn đề là hầu hết các cây trồng tiêu biểu đều quá “đồ sộ” so với không gian chật hẹp của các nông trại thẳng đứng. Do đó, việc mở rộng sản xuất lương thực ở đô thị sẽ đòi hỏi thay đổi không chỉ phương thức canh tác mà còn cả giống cây trồng.

Giống cà chua nhỏ. Ảnh: Zach Lippman | Nautilus

Kwon quyết định chấp nhận thử thách này và bắt đầu thí nghiệm với cây cà chua. Cùng với cố vấn là nhà di truyền học thực vật Zachary Lippman ở Phòng Thí nghiệm Cảng Cold Spring và những thành viên khác trong nhóm của Lippman, Kwon đi tìm lời giải cho câu hỏi: liệu có thể thu nhỏ thân cây cà chua mà không ảnh hưởng đến sản lượng quả của chúng hay không. Giờ đây, ông đã có câu trả lời: Tất nhiên là ta có thể.

Thu nhỏ cây trồng

Từ một loạt các thí nghiệm, Kwon và các cộng sự đã phát hiện trình tự đột biến gen để tạo ra cây cà chua thân thấp và ra quả nhanh. Kwon nhận thấy giống cây này rất phù hợp để trồng theo phương thức thẳng đứng. Tiếp đó, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen bằng CRISPR-Cas9 để cấy gen đột biến vào cây cà chua bi Sweet 100, một giống cây trồng phổ biến. Thành quả họ thu được là một loại cây nom rậm rạp đến kỳ lạ, chỉ cao khoảng 25cm nhưng lại trĩu nặng những chùm cà chua bi. Điều tuyệt hơn là mẻ cà chua đầu tiên đã sẵn sàng để thu hoạch chỉ hơn một tháng sau khi hạt nảy mầm, sớm hơn hai tuần so với giống cà chua thông thường.

Kwon thường lưu trữ các loại quả thu được từ thí nghiệm và giữ lại hạt giống để trồng cây mới, nhưng khi nhìn thấy những chùm cà chua chín mọng đầu tiên mọc ra từ cây thí nghiệm đã qua ba lần chỉnh sửa gen, “Tôi đã nếm thử chúng” - ông nói. Kwon thích loại cà chua mới này đến mức ông bắt đầu mang một ít về nhà cho vợ để dùng trong món salad. Không lâu sau, sản lượng cà chua đột biến gen bắt đầu tăng lên; nhóm của Kwon phát hiện việc cấy các gen tương tự vào các giống cà chua khác sẽ vẫn cho ra những cây nhỏ gọn và nhanh chóng ra quả. Bước tiếp theo, Kwon muốn nghiên cứu xem liệu bộ gen này có thể cho ra kết quả tương tự ở các cây trồng khác cùng họ với cà chua như cà tím và ớt ngọt hay không.

Các nhà nghiên cứu khác cũng đang tìm cách ứng dụng bộ gen quy định tính trạng thân nhỏ lên đối tượng là các cây trồng hoàn toàn khác.

Năm 2018, Erika Varkonyi-Gasic cùng các cộng sự ở Viện Nghiên cứu Cây trồng và Thực phẩm New Zealand, Auckland, đã tạo ra một giàn kiwi lùn từ kỹ thuật chỉnh sửa gen. Thay vì phát triển thành cây leo dài và mất nhiều năm để trưởng thành, giống kiwi trên chỉ dài 1m khi trưởng thành và ra quả ngay trong năm đầu tiên. Kiwi có lẽ không phải là loại quả được săn đón quá nhiều trên toàn cầu, thế nhưng kỹ thuật thu nhỏ cây trồng hoàn toàn có thể sớm phổ biến rộng rãi.

Năng suất của các nông trại thẳng đứng có thể còn cao hơn nữa nếu chúng ta cải thiện được nguồn sáng. Kwon lưu ý, “ánh sáng mặt trời tự nhiên mạnh hơn và tốt cho cây hơn đèn LED rất nhiều,” vậy nên những người làm nông ở đô thị sẽ phải hoặc phát triển công nghệ chiếu sáng tốt hơn, hoặc tạo ra các giống cây ít phụ thuộc vào ánh sáng hơn. Kwon đang bắt đầu xem xét các phương thức can thiệp di truyền có thể được sử dụng để đạt được điều đó.

Lợi ích mà canh tác nông nghiệp phi truyền thống mang lại không chỉ là bảo tồn và phục hồi hệ sinh thái hoang dã. Nông nghiệp đô thị có thể góp phần giảm sử dụng nước, phân bón và thuốc trừ sâu, cũng như xây dựng nguồn cung ứng thực phẩm năng suất và bảo đảm. “Các nông trại thẳng đứng có thể cung cấp nguồn thực phẩm tươi cho người dân thành phố, ngay cả khi khu vực đất canh tác xảy ra thảm họa,” Kwon cho biết. “Các nông trại thẳng đứng nhìn chung miễn nhiễm với mầm bệnh và dịch bệnh.”

Kwon thậm chí còn xem xét tiềm năng sinh trưởng của cây trồng trong các môi trường khắc nghiệt ngoài hành tinh. Theo ông, “sự phát triển của nông nghiệp thẳng đứng có mối liên hệ mật thiết với sự phát triển của nông nghiệp trong không gian.” Khi đó, bằng cách đầu tư vào nông nghiệp đô thị trên Trái đất, chúng ta có thể tiến gần hơn đến viễn cảnh tương lai khi các nhà thám hiểm không gian tận hưởng món súp cà chua tươi và salad rau sạch trên sao Hỏa.