Các nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố một thành tựu mang tính cách mạng trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghệ sinh học: tốc độ phát triển giống cây lai mới đã được tăng lên gấp 5 lần, tương đương 400%, nhờ sự kết hợp giữa chỉnh sửa gen “thân thiện với robot” và robot tự động điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo (AI).
Theo thông tin từ SCMP, bằng cách tái thiết kế cấu trúc thực vật để phù hợp hơn với thao tác của robot, nhóm nghiên cứu đã rút ngắn đáng kể thời gian tạo ra thế hệ cây mới từ 5 năm xuống chỉ còn 1 năm. Không chỉ rút ngắn thời gian, giải pháp này còn giảm mạnh chi phí lao động thủ công, vốn chiếm hơn 25% chi phí lai tạo giống tại Trung Quốc. Với bước tiến đột phá này, Trung Quốc kỳ vọng công nghệ sinh học và robot mở ra kỷ nguyên mới cho nông nghiệp.
Tự động hóa quy trình thụ phấn
Theo bài báo đăng trên tạp chí khoa học Cell, tại Trung Quốc, các robot AI hiện đã được ứng dụng trong nhiều khâu nông nghiệp như trồng trọt, làm cỏ, phun thuốc, giám sát dịch bệnh và thu hoạch. Tuy nhiên, quy trình thụ phấn và lai tạo giống lại là “nút thắt cổ chai” khi nó đòi hỏi thao tác tỉ mỉ và kiến thức sinh học chuyên sâu. Trong thực tế, nhiều giống cây lai, như cà chua, có hoa với nhụy bị che hoặc thụt sâu, buộc phải dùng côn trùng hoặc nhân công để hỗ trợ thụ phấn. Ngoài ra, kỹ thuật thiến hoa (loại bỏ bộ phận sinh phấn để tránh tự thụ phấn) cũng tiêu tốn lượng lớn nhân lực.
Điều này khiến các nhà khoa học và nhà đầu tư “đau đầu” và ít dám đầu tư vào nghiên cứu loại robot ứng dụng cho thụ phấn và lai tạo giống khi việc nghiên cứu này có chi phí cao, đặc biệt với cây trồng đặc sản.
Tuy nhiên, tín hiệu tích cực đã đến với ngành công nghệ công nghiệp khi một nhóm khoa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Giao thông Thượng Hải và Đại học Thanh Hoa đã thành công áp dụng công nghệ chỉnh sửa gen để tạo ra các dòng cây đực bất thụ với nhụy nhô ra ngoài, giúp robot dễ dàng tiếp cận và thực hiện thụ phấn. Công nghệ này đã được triển khai thành công trên cả cà chua và đậu, hai loại cây vốn khó tiếp cận bằng phương pháp cơ giới.
“Việc tích hợp công nghệ AI đang cách mạng hóa các hệ thống nông nghiệp, với robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp chính xác”, nhóm nghiên cứu cho biết.
Điểm nổi bật của dự án là hệ thống GEAIR (Genome Editing with AI-based Robot), loại robot lai tạo thông minh đầu tiên trên thế giới có khả năng tự tuần tra, nhận diện hoa cần thụ phấn, định vị 3D vị trí nhụy và thực hiện thụ phấn chéo. Mô hình mạng nơ-ron sâu được huấn luyện bằng hàng nghìn hình ảnh, đạt độ chính xác 85% trong phát hiện hoa sẵn sàng thụ phấn.
Hiệu quả cũng rất ấn tượng: mỗi bông hoa chỉ mất khoảng 15 giây để thụ phấn, nhanh gấp 3 lần con người. Khi thử nghiệm trong nhà kính cà chua thương mại, tỷ lệ thành công đạt 78% so với 92% của lao động thủ công. Dù thấp hơn về tỉ lệ, robot lại có ưu thế vượt trội về tính ổn định, khả năng hoạt động liên tục và giảm chi phí vận hành.
Từ cây hoang dã đến giống lai có hiệu quả cao
Ngoài việc giảm chi phí sản xuất giống, công nghệ này còn giải quyết vấn đề lớn của nông nghiệp hiện đại: suy giảm đa dạng di truyền. Quá trình lai tạo thương mại lâu dài khiến nguồn gen bị thu hẹp, dẫn tới cây trồng kém chống chịu và giảm chất lượng.
Nhóm nghiên cứu đã kết hợp thuần hóa de novo, cải biến nhanh cây hoang dã với phương pháp tăng tốc sinh trưởng, cho phép tạo ra 5 thế hệ cây/năm. Thử nghiệm trên giống cà chua hoang đã cho ra dòng cây mới vừa chịu mặn – kiềm, vừa có hương vị đậm hơn, mở ra cơ hội phát triển các sản phẩm nông sản giá trị cao.
Theo tính toán, công nghệ này rút ngắn quá trình từ 5 năm xuống chỉ còn 1 năm để khai thác đặc tính ưu việt của giống hoang vào cây lai thương mại. Điều này đồng nghĩa với việc doanh nghiệp nông nghiệp có thể đẩy nhanh chu kỳ ra thị trường của giống mới, tạo lợi thế cạnh tranh và tối ưu hóa vốn đầu tư.
Việc áp dụng GEAIR không chỉ là một bước tiến về khoa học mà còn mang ý nghĩa kinh tế sâu sắc. Tại Trung Quốc, riêng việc thiến hoa và thụ phấn thủ công đã chiếm hơn 25% chi phí lai tạo giống cây lai. Chi phí lao động đặc biệt cao đối với các loại cây trồng đặc sản như cà chua, nơi hầu hết hạt giống thương mại đều là giống lai.
Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ này giúp giảm đáng kể chi phí nhân công trong quá trình lai tạo giống, đặc biệt đối với những loại cây trồng có giá trị cao, vốn đòi hỏi quy trình nhân giống phức tạp và tốn nhiều công sức.
Bên cạnh đó, công nghệ GEAIR cũng rút ngắn đáng kể chu kỳ sản phẩm, cho phép các doanh nghiệp nhanh chóng đưa giống mới ra thị trường và thu hồi vốn đầu tư. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh cạnh tranh gay gắt và nhu cầu về các giống cây năng suất cao, chất lượng tốt ngày càng tăng.
Không chỉ hiệu quả về thời gian, hệ thống còn tối ưu hóa khả năng vận hành trong các không gian hạn chế, chẳng hạn như nhà kính công nghệ cao, nơi diện tích và môi trường được kiểm soát chặt chẽ.
Đáng chú ý, công nghệ GEAIR mở ra khả năng tạo ra các giống cây “thân thiện với AI”, có khả năng tương tác và tích hợp dễ dàng vào hệ thống nông nghiệp tự động hóa. Đây là bước chuẩn bị quan trọng cho một nền nông nghiệp thông minh, bền vững và có khả năng đáp ứng tốt các thách thức trong tương lai.
Nhóm nghiên cứu kỳ vọng mô hình này sẽ trở thành chuẩn mực mới cho nông nghiệp chính xác, nơi AI và công nghệ sinh học cùng phối hợp để sản xuất giống cây trồng có chất lượng vượt trội với chi phí và rủi ro thấp hơn.
“Việc tích hợp GEAIR, thuần hóa de novo và lai tạo tăng tốc chứng minh tiềm năng tạo ra các giống cây trồng ưu việt nhanh chóng, giảm thiểu tài nguyên và chi phí”, nhóm nhấn mạnh.
Đồng thời khẳng định: “Đây là minh chứng cho cách công nghệ sinh học có thể được khai thác để thiết kế các đặc tính cây trồng phù hợp với AI, đáp ứng nhu cầu sản xuất nông nghiệp hiện đại”.
T.P