Các nhà khoa học biến đổi cây trồng giúp cây trữ nước, chịu hạn

Nông nghiệp đã độc chiếm 90% sản lượng nước ngọt toàn cầu nhưng vẫn cần tăng lên đáng kể để nuôi sống và cung cấp nhiên liệu cho dân số ngày càng tăng của thế kỷ này. Theo báo cáo của Nature Communications, lần đầu tiên các nhà khoa học đã cải tiến cách giúp cây trồng chỉ sử dụng 25% lượng nước mà không ảnh hưởng đến sản lượng bằng cách thay đổi biểu hiện của một gen được tìm thấy trong tất cả các loài thực vật.

Nghiên cứu này là một phần của dự án nghiên cứu quốc tế mang tên “Nhận biết hiệu quả gia tăng quang hợp” (RIPE) được hỗ trợ bởi các quỹ  Bill & Melinda Gates, Quỹ Nghiên cứu Lương thực & Nông nghiệp, Phòng Phát triển Quốc tế tại UK.

Giám đốc RIPE, Stephen Long và trưởng khoa Sinh học Thực vật & Khoa học Cây trồng, Ikenberry cho biết: "Đây là một bước đột phá lớn, năng suất cây trồng đã được cải thiện đều đặn trong 60 năm qua, nhưng lượng nước cần thiết để sản xuất một tấn ngũ cốc vẫn không thay đổi - dẫn đến hầu hết các giả định cho rằng yếu tố này không thể thay đổi. Việc chứng minh lý thuyết này hiệu quả trong thực tế có thể mở ra hướng nghiên cứu và phát triển nhiều hơn để đạt được thành quả quan trọng cho tương lai".

Nhóm nghiên cứu quốc tế đã tăng lượng của một protein quang hợp (PsbS) để trữ nước bằng cách đánh lừa cây trồng đóng một phần khí khổng của chúng (khí khổng là các lỗ nhỏ trong lá cho phép nước thoát ra). Khí khổng được xem như kẻ gác cổng của thực vật: khi mở, CO2 đi vào cây để làm nhiên liệu quang hợp, đồng thời nước có thể thoát ra qua quá trình này.

Đồng tác giả Katarzyna Glowacka, nhà nghiên cứu sau tiến sỹ, dẫn đầu công trình nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) cho biết: "Những cây trồng này thường có nhiều nước hơn mức chúng cần, nhưng điều đó không phải lúc nào cũng diễn ra. Khi không đủ nước, những cây trồng biến đổi này sẽ phát triển nhanh hơn và sản lượng nhiều hơn – chúng sẽ ít bị bất lợi hơn so với các cây trồng cùng loại nhưng không biến đổi".

Nhóm nghiên cứu đã cải thiện hiệu suất sử dụng nước của cây trồng trong các thử nghiệm được thực hiện ngoài đồng - tỷ lệ CO2 vào cây để nước thoát ra khoảng 25% mà không làm giảm đáng kể quá trình quang hợp hoặc năng suất. Nồng độ CO2 trong bầu khí quyển đã tăng 25% chỉ trong vòng 70 năm qua, cho phép cây trồng tích tụ đủ lượng khí CO2 mà không cần mở hoàn toàn khí khổng của chúng. Giáo sư Long, lĩnh vực khoa học cây trồng tại Đại học Lancaster, phát biểu "Sự tiến hóa đã không theo kịp sự thay đổi nhanh chóng này, vì vậy các nhà khoa học đã và đang tác động vào".

Có bốn yếu tố có thể kích hoạt sự đóng-mở khí khổng gồm: độ ẩm, lượng CO2 trong cây, chất lượng ánh sáng và lượng ánh sáng. Nghiên cứu này là báo cáo đầu tiên về phản ứng đóng mở khí khổng đối với lượng ánh sáng.

Protein PsbS là một phần quan trọng của đường tín hiệu trong thực vật giúp chuyển tiếp thông tin về lượng ánh sáng. Bằng cách tăng PsbS, tín hiệu nói rằng không có đủ năng lượng ánh sáng để cây quang hợp, kích thích khí khổng đóng lại từ đó khí CO2 không còn cần thiết để làm nhiên liệu quang hợp.

Nghiên cứu này bổ sung cho các nghiên cứu trước đây, được xuất bản trên tạp chí Science, cho thấy việc tăng protein PsbS và hai protein khác có thể cải thiện quang hợp và tăng năng suất tới 20%. Hiện tại, nhóm nghiên cứu dự định kết hợp lợi ích từ hai nghiên cứu này để cải thiện sản suất và việc sử dụng nước bằng cách cân bằng sự biểu hiện của ba protein này.

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã kiểm nghiệm giả thuyết của họ bằng cách sử dụng cây thuốc lá, một loại cây trồng mô hình điều chỉnh dễ dàng, thử nghiệm nhanh hơn so với các cây trồng khác. Hiện nay, họ sẽ áp dụng những phát hiện của mình để cải thiện hiệu quả sử dụng nước của cây lương thực và kiểm tra hiệu quả của chúng trong điều kiện lượng nước bị hạn chế.

Đồng tác giả Johannes Kromdijk, nhà nghiên cứu sau tiến sỹ tại IGB cho biết: "Hiện tại và tương lai, việc làm cây trồng sử dụng nước hiệu quả hơn là thách thức lớn nhất đối với các nhà khoa học thực vật”. Ông cho biết thêm "Kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng sự tăng lên của PsbS cho phép cây trồng có thái độ bảo thủ hơn với việc sử dụng nước, chúng tôi cho rằng điều đó sẽ giúp phân phối nguồn nước sẵn có tốt hơn trong suốt mùa vụ, cũng như giữ cho cây trồng vẫn có năng suất cao trong thời kỳ khô hạn”.