Phương pháp mới giúp tăng hiệu suất quang hợp của cây trồng

Với khả năng giảm thiểu hoạt động quang hô hấp (một quá trình phức tạp và tốn nhiều năng lượng mà thực vật thực hiện trong quá trình quang hợp), phương pháp can thiệp di truyền giúp tăng phát triển cây thuốc lá lên hơn 40%. Nếu kết quả tương tự với các loại cây trồng khác, nó có thể giúp nông dân sản xuất ra lượng thực phẩm đủ đáp ứng nhu cầu về lương thực toàn cầu, trong tình trạng gia tăng dân số hiện nay.

Tinh giản hóa quá trình quang hô hấp là “một bước tiến lớn trong nỗ lực tăng cường hiệu quả của quang hợp”, Spencer Whitney, nhà hóa sinh thực vật tại Đại học Quốc gia Úc cho biết.

Giờ đây, ngành nông nghiệp đã tối ưu hóa việc sử dụng các công cụ tăng năng suất như thuốc trừ sâu, phân bón và tưới tiêu, đồng thời các nhà nghiên cứu cũng đang nỗ lực trong việc tác động vi mô và cải thiện sự phát triển của cây trồng bằng cách tìm ra các phương pháp giúp cây quang hợp hiệu quả hơn.

Quang hô hấp là một rào cản lớn để đạt được hiệu quả tăng năng suất cây trồng, vì nó xảy ra ở nhiều loại thực vật như đậu nành, gạo và lúa mì. Khi lượng O2 trong khí quyển cao hơn CO2, enzyme rubisco thay vì giúp biến đổi CO2 từ khí quyển thành đường để nuôi dưỡng thực vật thì nó lại phản ứng với O2 khiến quá trình quang hô hấp diễn ra và làm giảm đáng kể hiệu suất quang hợp của các thực vật.

Thời gian xảy ra sự tương tác giữa rubisco và oxy chiếm khoảng 20% thời gian quá trình quang hợp, nó tạo ra hợp chất glycolate độc ​​hại mà cây trồng cần phải tái chế thành các phân tử có thể dùng được thông qua quá trình quang hô hấp. Quá trình này bao gồm một chuỗi các phản ứng hóa học trải dài trong cả 4 khoang tế bào thực vật, làm lãng phí năng lượng, có thể làm giảm năng suất cây trồng từ 20-50%, tùy thuộc vào loài thực vật và điều kiện môi trường.

Nhờ sử dụng kỹ thuật di truyền, các nhà nghiên cứu hiện đã tạo ra một con đường hóa học giúp giới hạn sự quang hô hấp trong một khoang tế bào duy nhất.

Paul South, nhà sinh học phân tử thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ tại Urbana, bang Illinois và các cộng sự đã gắn các chỉ dẫn di truyền vào con đường hóa học nhằm hạn chế sự quang hô hấp của các mảnh tảo, DNA bí ngô và các tế bào của cây thuốc lá. Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu cũng biến đổi gen tế bào để không tạo ra loại hóa chất cho phép glycolate di chuyển giữa các khoang tế bào.

Không giống như các thí nghiệm trước đây, với quá trình quang hô hấp được tạo ra bởi con người, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm trên cây trồng tại các cánh đồng trong điều kiện canh tác thực tế. Kết quả cho thấy, cây thuốc lá biến đổi gen đã tạo ra sinh khối nhiều hơn 41% so với cây thuốc lá thông thường.

Việc thí nghiệm với nhiều loại cây khác nhau sẽ cho thấy, liệu phương pháp hạn chế quá trình quang hô hấp này có thể đem lại lợi ích tương tự cho các loại cây trồng khác hay không. Nhóm nghiên cứu của South hiện đang thực hiện thí nghiệm trong nhà kính với cây khoai tây đã được chỉnh sửa gen, đồng thời lên kế hoạch thực hiện các thí nghiệm tương tự với đậu nành, đậu đen và gạo.

Quá trình kiểm định kết quả nghiên cứu để có thể đưa vào sử dụng trong các trang trại thương mại, gồm cả thử nghiệm thực địa, có thể sẽ mất ít nhất 5-10 năm, Andreas Weber, một nhà hóa sinh thực vật tại Đại học Heinrich Heine Düsseldorf cho biết.