Hệ Thống Vi Thủy Canh: Giải Bài Toán Khó Về Cây Cúc

Trồng cúc ở công ty Hasfarm. Nguồn: Hasfarm.

Những vướng mắc trong nhân giống và trồng cúc

Là một loài hoa trồng chậu và cắt cành phổ biến trên thế giới với hàng tỷ cành được bán ra mỗi năm, cây hoa cúc (Chrysanthemum morifolium) được nhiều người ưa chuộng bởi màu sắc phong phú (trắng, vàng, xanh, đỏ, tím, hồng,…) cũng như hình dáng và kích cỡ hoa rất đa dạng. Ở Việt Nam, cây hoa cúc được du nhập từ thế kỷ XV, người Việt xem hoa cúc là biểu tượng của sự thanh cao, một trong bốn loài thảo mộc được xếp vào hàng tứ quý “Tùng, Cúc, Trúc, Mai”.

Hoa cúc được trồng khắp nước ta nhưng chủ yếu tập trung ở các vùng hoa truyền thống như Ngọc Hà, Quảng An, Nhật Tân (Hà Nội), Đằng Hải, Đằng Lâm (Hải Phòng), Hoành Bồ, Hạ Long (Quảng Ninh), Triệu Sơn (Thanh Hóa), Gò Vấp, Hóc Môn (TPHCM), Đà Lạt (Lâm Đồng) với tổng diện tích trồng hoa trên 2000 ha. Riêng ở Đà lạt, ngành trồng hoa đã hình thành và phát triển rất sớm với những vùng trồng hoa chuyên canh của Đà Lạt như Thái Phiên (phường 12), An Sơn (phường 4), Vạn Thành – Cam Ly (phường 5); xã Xuân Thọ, Xuân Trường và phát triển mạnh ra các vùng phụ cận với huyện Đức Trọng, Đơn Dương, Lạc Dương, Di Linh. Một số công ty nước ngoài đã lập công ty hoặc liên doanh sản xuất ở đây như Chánh Đài Lâm, Hasfarm, chỉ riêng công ty Hasfarm (100% vốn đầu tư nước ngoài) chuyên sản xuất hoa cúc cắt cành cũng như các loại cúc giống, đặc biệt là hoa Cúc chùm đã cung cấp 60% sản lượng hoa cho TPHCM và một số tỉnh phía Bắc.

Đà Lạt có khoảng 1.000 – 1.200 ha nhà kính sản xuất hoa cắt cành trong hơn 3200 ha cắt cành, ước tính tổng sản lượng hằng năm hơn 1,2 tỉ cành, chủ yếu tiêu thụ trong nước vì chất lượng hoa vẫn chưa thực sự ổn định, trong đó hoa cúc các loại chiếm tỉ trọng lớn nhất (25 – 30%). Theo điều tra của công ty cổ phần Hoa Đại Việt, Lâm Đồng, việc canh tác hoa và sản xuất cây giống tại Đà Lạt trong những năm qua vẫn chưa đáp ứng về công nghệ. Có đến 90% nhà kính với khung tre, chiếm 60% nông dân tự trao đổi kinh nghiệm sản xuất với nhau và hơn 70% nguồn hai giống tự gieo ươm và mua tại các cơ sở nhỏ lẻ. Chính vì vậy chất lượng cây giống không đảm bảo, dễ bị sâu bệnh, cây mẹ được sử dụng nhiều lần cho giâm ngọn dẫn đến thoái hóa giống.

Khi nhu cầu hoa chậu và hoa cắt cành tăng nhanh thì yêu cầu về cây giống cũng tăng theo. Tuy nhiên, các phương pháp nhân giống hiện nay chưa đáp ứng được nhu cầu về giống (giâm cành, gieo hạt, tách đầu mầm, …). Các phương pháp nhân giống trên được thực hiện hầu hết bởi người nông dân ngoài đồng ruộng, những phương pháp này không đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao, chỉ cần thuê nhân công theo mùa vụ, dễ thực hiện. Tuy nhiên, những phương pháp này cho hệ số nhân giống vẫn thấp, chất lượng cây giống kém (cây con bị thoái hóa và nhiễm virus sau vài thế hệ). Giá thể sử dụng là đất, xơ dừa chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa kĩ làm cho cây con dễ bị lây bệnh trong đất, khó kiểm soát.

Một vấn đề nữa là khả năng vận chuyển cây giống cũng gặp rất nhiều khó khăn, cây con được nhân giống trong các vỉ xốp hoặc trồng trực tiếp trên đất rất khó để vận chuyển đi xa vì cây dễ bị mất nước, héo rũ làm giảm khả năng sống sót. Vì vậy, không đáp ứng được nhu cầu cây giống ở những khu vực xa cơ sở sản xuất cây giống cũng như xuất khẩu. Đây là những lý do này mà giá thành cây giống không cao (40 – 200 đồng/cây theo từng mùa vụ và từng loài), hiệu quả kinh tế mang lại từ những phương pháp nhân giống này là chưa cao.

Tối ưu giải pháp cũ thông qua nghiên cứu

Chúng tôi nhận thấy một trong những phương pháp nhân giống được áp dụng hiện nay là vi nhân giống với nhiều hiệu quả với số lượng lớn, đồng nhất nhưng điểm hạn chế của phương pháp này là cây giống phải thuần hóa ở vườn ươm mới được nhân giống bằng phương pháp giâm cành và khó khăn trong vận chuyển. Nếu là cây vi nhân giống (nuôi cấy trong môi trường chứa đường, agar) nên dễ nhiễm vi sinh vật (nấm bệnh); trong khi đó, nếu cây giống từ phương pháp giâm cành thì được trồng trên giá thể (đất mùn, đất hữu cơ, xơ dừa,..) khó vận chuyển đi xa, cồng kềnh và rất khó khăn trong công tác kiểm định dịch bệnh khi xuất khẩu ra nước ngoài.

TS. Hoàng Thanh Tùng chọn mẫu để làm thí nghiệm.

Hệ thống vi thủy canh (microponic system) là hệ thống nhân giống kết hợp giữa vi nhân giống (micropropagation) và thủy canh (hydroponic). Phương pháp này kế thừa nhiều ưu điểm của kỹ thuật thủy canh và phương pháp vi nhân giống, có thể khắc phục một số hạn chế của phương pháp nhân giống truyền thống như: hiện tượng thủy tinh thể, giảm bớt sự ức chế của ethylen do thoáng khí tốt,… Hệ thống vi thủy canh với giá thể màng nylon được nhà nghiên cứu Dương Tấn Nhựt và cộng sự nghiên cứu từ năm 2005 trên một số cây trồng (cúc, hoa chuông, bibi,…) và bước đầu cũng cho thấy tính khả quan của phương pháp. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ mới đưa ra mô hình thí nghiệm, khả năng áp dụng thực tiễn chưa cao và khó đưa vào sản xuất thương mại.

Theo xu hướng hiện nay, hệ thống này được nghiên cứu cải tiến theo hai xu hướng: (1) hiện đại hóa các thiết bị nhằm tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy; (2) đơn giản hóa với các thiết bị, vật liệu đơn giản, rẻ tiền nhưng vẫn đảm bảo được sự phát triển tốt của cây, nâng cao chất lượng cây giống, dễ dàng áp dụng trên quy mô lớn.

Chúng tôi lựa chọn xu hướng thứ hai nhằm đơn giản quy trình sản xuất cũng như dễ ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Trong nghiên cứu, chúng tôi đánh giá khả năng tăng trưởng của cây hoa cúc trong hệ thống vi thủy canh, đánh giá được hiệu quả nhân giống, đưa ra một mô hình sản xuất cây giống trong hệ thống vi thủy canh phù hợp và có thể nhân giống với số lượng lớn. Bên cạnh đó, vai trò của ánh sáng đơn sắc cũng như nano bạc bổ sung vào môi trường nuôi cấy cũng được nghiên cứu.

Với việc sử dụng và cải tiến các dạng giá thể dễ sử dụng và dễ mua trên thị trường, chúng tôi đã thiết kế một hệ thống nhân giống lớn có thể sản xuất số lượng lớn cây giống sạch bệnh có chất lượng tốt, rút ngắn thời gian sinh trưởng, dễ dàng vận chuyển, đóng gói nhằm phục vụ cho công tác xuất khẩu, bắt đầu bằng việc thiết lập hệ thống vi thủy canh với hộp nhựa tròn chứa 15 giá thể màng nylon và hộp nhựa hình chữ nhật chứa 600 giá thể màng nylon. Chồi cúc được tiền xử lý 500 ppm IBA trong thời gian 20 phút nuôi cấy trong hệ thống vi thủy canh hộp nhựa tròn thích hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của chồi cúc sau 2 tuần nuôi cấy.

Nghiên cứu đã đề xuất mô hình vi thủy canh phù hợp, tạo được nguồn cây giống đồng nhất với số lượng lớn, dễ dàng áp dụng cho người nông dân mà không cần trình độ khoa học kỹ thuật quá cao, chỉ cần đào tạo cơ bản là có thể thực hiện được.

Để giải quyết vấn đề nhiễm khuẩn trong quá trình nuôi cấy, sự tăng trưởng của cây nuôi cấy trong hệ thống vi thủy canh và thích nghi của cây trồng ở giai đoạn vườn ươm, chúng tôi bổ sung 7,5 ppm nano bạc vào môi trường nuôi cấy vi thủy canh. Kết quả định danh và định lượng hàm lượng vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy vi thủy canh bằng 4 phương pháp thử. Tất cả các phương pháp cho thấy ở nồng độ 7,5 ppm nano bạc thì làm giảm hàm lượng vi sinh vật của 8 loài vi khuẩn (Corynebacterium sp., Enterobacter sp., Arthrobacter sp., Agrobacterium sp., Xanthomonas sp., Pseudomonas sp., Micrococcus sp. và Bacillus sp.) và 3 loài nấm mốc (Aspergillus sp., Fusarium sp. và Alterneria sp.). Khi chuyển ra giai đoạn vườn ươm sau 4 tuần, sự tăng trưởng của cây cúc ở nồng độ nano bạc này tốt hơn so với các nồng độ khác.

Một yếu tố khác liên quan đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây là đèn LED. Việc kết hợp các tỉ lệ LED xanh dương và LED đỏ đem đến các kết quả thú vị khác nhau, trong đó tối ưu là 30% LED xanh dương và 70% LED đỏ. Do hệ thống này là một hệ thống mở ex vitro nên cây sẽ thích ứng tốt hơn khi chuyển ra đồng ruộng so với cây in vitro.

Với việc kết hợp những yếu tố này, hệ thống vi thủy canh đã đem đến kết quả bất ngờ. Cây vi thủy canh không cần thời gian nhất định để ra rễ và thích nghi (quá trình này được xem là quan trọng nhưng phức tạp và tốn thời gian trong hệ thống vi nhân giống truyền thống). Một khi chồi cúc sinh từ in vitro được chuyển sang hệ thống vi thủy canh, quá trình ra chồi, ra rễ và thích nghi xảy ra cùng lúc, không có biến dạng và biến đổi chức năng. Vì vậy, hệ thống này có thể cung cấp được nguồn cây giống có chất lượng cao hơn, giá thành thấp hơn cũng như có tỉ lệ sống sót cao hơn khi chuyển cây ra vườn ươm. Sau 12 tuần trồng ở giai đoạn vườn ươm, những cây hoa cúc có nguồn gốc từ nuôi cấy vi thủy canh bắt đầu ra nụ hoa và ra hoa sau 15 tuần trồng (sớm hơn 1 tuần so với những cây được sản xuất bởi phương pháp vi nhân giống). Phương pháp này được chứng minh tiết kiệm chi phí và thời gian.

Đây là nghiên cứu đầu tiên trên thế giới về việc sử dụng một kỹ thuật mới trong nhân giống thực vật. Đây là một phương pháp đơn giản nhưng rất hiệu quả trong sản xuất cây giống với quy mô lớn. Phương pháp này hoàn toàn có thể thay thế phương pháp vi nhân giống hiện nay và mở ra hướng nghiên cứu mới cũng như sản xuất cây giống ở quy mô thương mại. Tuy nhiên, do là một hệ thống mới, do đó chưa có nhiều nghiên cứu trên nhiều đối tượng với các hệ thống khác nhau.

Công trình “A system for large scale production of chrysanthemum using microponics with the supplement of silver nanoparticles under light-emitting diodes” xuất bản trên Scientia Horticulturae của TS. Hoàng Thanh Tùng là một trong ba công trình được đề cử giải trẻ Tạ Quang Bửu 2020. Ngoài việc cung cấp các dẫn liệu khoa học mới có giá trị về việc đưa ra hệ thống nhân giống vi thủy canh cây hoa cúc, nghiên cứu là tài liệu tham khảo hữu ích cho nghiên cứu và giảng dạy về lĩnh vực nhân giống ở thực vật.