Một nhóm nghiên cứu của Đại học Bang North Carolina đã triển khai các xét nghiệm chẩn đoán nhanh để phát hiện các bệnh hại cây trồng trước khi chúng xuất hiện các triệu chứng trên đồng ruộng. Đặc biệt, họ đã nghiên cứu công nghệ xác định Phytophthora infestans, gây bệnh mốc sương ở khoai tây và cà chua.
Ngày nay bệnh mốc sương vẫn là một trong những bệnh hại cà chua và khoai tây. Trên toàn cầu, thiệt hại kinh tế lên tới 6 tỷ đô la Mỹ mỗi năm. Do tốc độ lây lan nhanh chóng, căn bệnh này đe dọa đáng kể đến an ninh lương thực trên toàn cầu.
Mặc dù một số quốc gia đã triển khai các giải pháp thiết thực cũng như các công cụ khác để quản lý bệnh mốc sương nhưng nông dân sản xuất nhỏ ở các nước có thu nhập thấp vẫn tiếp tục sử dụng thuốc diệt nấm với tần suất cao để kiểm soát bệnh này. Việc sử dụng quá nhiều thuốc diệt nấm làm tăng chi phí sản xuất và gây ra những rủi ro nghiêm trọng đối với môi trường và người nông dân cũng như gia đình họ. Ở những khu vực này, hóa chất hầu như luôn được áp dụng mà không có biện pháp bảo vệ thích hợp.
Công nghệ phát hiện
Khi nghi ngờ có bệnh, kỹ thuật viên phải đến hiện trường, lấy mẫu, đưa vào phòng xét nghiệm, chờ phân lập vi sinh để nuôi cấy hoặc phân tích ADN. Việc chẩn đoán có thể mất vài ngày đến vài tuần.
Đại học bang North Carolina đã thành lập một nhóm nghiên cứu có tên “Bệnh cây mới nổi và An ninh lương thực toàn cầu” để giảm thiểu vấn đề này. Nhóm nghiên cứu tập trung vào các bệnh thực vật mới nổi đe dọa an ninh lương thực. Nghiên cứu bắt đầu với nấm Phytophthora infestans và một số bệnh do vi khuẩn, nấm và virus khác trên cà chua.
Cụ thể, nhóm NC State đã đặt ba cảm biến tại hiện trường. Hai cảm biến đầu tiên là một dải giấy và một cảm biến hóa học (chemiresistor) nhằm phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (volatile organic compounds – VOC). VOC là các tín hiệu hóa học do lá cây phát ra khi bệnh gây căng thẳng (stress) cho chúng. Nói cách khác, khi cây bị nhiễm mầm bệnh hoặc côn trùng gây hại, nó sẽ giải phóng một lượng hợp chất. Và các hợp chất này, VOC, là dấu hiệu của nhiễm trùng. Vì vậy, các cảm biến có thể đọc dấu hiệu bay hơi và xác định mầm bệnh trước khi các triệu chứng xảy ra.
Sự khác biệt giữa các dải giấy hoặc cảm biến hóa học là cảm biến sau cho phép giám sát liên tục trong thời gian thực và từ xa. Qingshan Wei, nhà nghiên cứu bang North Carolina: “Dải giấy chỉ tốt cho các phép đo điểm, đòi hỏi sự can thiệp của con người nhiều hơn”.
“Các phương pháp VOC (dải giấy hoặc cảm biến hóa học) có ưu điểm là không xâm lấn (không có tác động cơ học) và nhanh hơn. Nhưng chúng có thể có những hạn chế về độ nhạy và độ đặc hiệu khi so sánh với các phương pháp phân tử thông thường”, Tiến sĩ Wei nói.
Cảm biến thứ ba sử dụng một miếng dán vi kim để cô lập DNA, sau đó được sử dụng để xác định mầm bệnh gây ra quá trình xâm nhiễm. Tiến sĩ Wei kết luận: “Chẩn đoán phân tử thông qua miếng dán vi kim là chính xác và nhạy cảm nhất. Nó cũng giống với tiêu chuẩn của phương pháp PCR (Polymerase Chain Reaction – Phản ứng chuỗi polymerase) trong phòng thí nghiệm”.
Việc lựa chọn một phương pháp cụ thể sẽ phụ thuộc vào mức độ khẩn cấp và độ chính xác của chẩn đoán được yêu cầu.
Tất cả thông tin từ các cảm biến được thu thập không dây trên điện thoại thông minh và được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để cảnh báo cho người trồng về các đợt bùng phát mới. Các cơ sở dữ liệu cũng có thể được các nhà nghiên cứu sử dụng để lập mô hình lây lan dịch bệnh để có phản ứng nhanh và hiệu quả hơn.
Các cảm biến có thể phát hiện mầm bệnh của các loại cây trồng khác hoặc thậm chí phát hiện các bệnh lây truyền qua đường thực phẩm cho người và động vật, cũng như côn trùng gây hại.
Lợi ích đối với người nông dân
“Ở các nước giàu có, chẳng hạn như Mỹ và Châu Âu, các cơ sở sản xuất lớn và nhỏ có thể hưởng lợi từ những công nghệ này để xác minh chẩn đoán sớm các bệnh quan trọng, cho phép thực hiện các biện pháp kiểm soát kịp thời và hiệu quả hơn”, Greg Forbes, một nhà nghiên cứu bệnh cây trồng, người đã làm việc 29 năm tại Trung tâm Khoai tây Quốc tế đã nghỉ hưu đề xuất. “Những công nghệ này cũng có thể được sử dụng để xác định các mầm bệnh mới phát sinh gây ra các mối đe dọa mới đối với cây trồng với mục đích thương mại cũng như các loài thực vật hoang dã. Qua đó giúp tránh các bệnh ở quy mô đại dịch”.
Forbes cho biết thêm “Vì những công nghệ này chỉ cần điện thoại thông minh và mạng điện thoại, hiện đã trở nên phổ biến hầu hết ở mọi nơi, nên các cảm biến và mạng dữ liệu cũng có thể được sử dụng ở các nước thu nhập thấp, nơi chúng có thể có giá trị đối với người sản xuất và những người làm công tác khuyến nông. Nông dân ở các nước này nhìn chung không thể mua được thiết bị tinh vi cần thiết cho các loại hệ thống hỗ trợ để ra quyết định khác”.
Lời cuối
Tất cả các công nghệ này đều có đơn đăng ký bằng sáng chế. Các đơn này đang chờ xử lý.
Tiến sĩ Wei cho biết: “Việc thương mại hóa công nghệ vi kim có thể nhanh hơn, vì hệ thống này ít phức tạp hơn và một số công ty Ag lớn đã liên hệ với chúng tôi. Nhưng cảm biến đeo (wearable sensor)* có thể mất nhiều thời gian hơn một chút.” Ông nói thêm: “Một số vấn đề cần được giải quyết đối với cảm biến đeo trước khi triển khai tại hiện trường, chẳng hạn như nguồn điện, kết nối dữ liệu không dây, v.v…”.
Trong thời gian chờ đợi, Nhóm Nghiên cứu sẽ tiếp tục thí nghiệm đối với bệnh mốc sương trên cà chua trong giai đoạn tiếp theo. Tuy nhiên, tổ chức Sáng kiến Khoa học Thực vật Bắc Carolina (PSI) gần đây đã tài trợ cho nhóm của mình nhằm thử nghiệm các công nghệ cảm biến để phát hiện các bệnh thực vật khác (bệnh cháy lá sớm, đốm vi khuẩn và virus héo rũ trên cà chua). Trong thời gian ngắn, họ hy vọng sẽ thử nghiệm các cảm biến trên các loại cây khác, bao gồm cả khoai tây.
Nội dung từ: “Researchers developed quick diagnostic tests to detect Phytophthora infestans”. Jorge Luis Alonso G., (Nguồn: Potato News Today. 25/8/2021).
D.A.M
* wearable sensor
Wearables là gì? Wearables dịch nghĩa đơn giản là “những vật dụng gì có thể đeo, mang được trên người”. Nhưng trong thời đại công nghệ ngày nay thì nó được biết đến nhiều hơn như là một từ được dùng để gọi chung tất cả những phụ kiện có tích hợp bộ xử lý máy tính, công nghệ điện tử và nhiều tính năng hữu ích khác mà người ta có thể đeo trên người được. Những thứ này có thể tương tác được với smartphone, TV, xe hơi và có thể theo dõi sức khỏe, điều khiển thiết bị gia đình… Những sản phẩm như vòng theo dõi thể lực, smartwatch (đồng hồ thông minh) và Google Glass (mắt kính thông minh) là một trong số những sản phẩm wearables đang “hot” nhất hiện nay.
Vì được thiết kế để đeo sát với cơ thể, nhiệm vụ lý tưởng của wearables device là kiểm tra các dấu hiệu về sức khỏe của chúng ta. Chúng sẽ theo dõi nhịp tim, mức độ vận động, lượng calories tiêu thụ, chất lượng của giấc ngủ hay các chỉ số về dinh dưỡng. Những đối tượng như người tập thể thao, người ăn kiêng hay người già sẽ rất phụ thuộc vào những thiết bị này.
