Cải thiện khả năng quang hợp nhằm tăng năng suất cây trồng
Để cung cấp thức ăn cho 9 tỷ người vào năm 2050, chúng ta cần thêm 50% lương thực trên diện tích đất canh tác vốn đã hạn chế. Do đó, các nhà thực vật học đang chạy đua để tạo ra các loại cây trồng có năng suất cao hơn bằng cách cải thiện khả năng quang hợp của chúng.
Tảo lam (cyanobacteria) nổi tiếng với khả năng quang hợp hiệu quả hơn hầu hết các loại cây trồng khác, vì vậy các nhà nghiên cứu tìm cách đưa các yếu tố từ tảo lam vào cây trồng. Nghiên cứu mới do các nhà khoa học ở ĐH Cornell (Mỹ) dẫn đầu vừa công bố bước tiến quan trọng để đạt được mục tiêu này. Bài báo “Absence of Carbonic Anhydrase in Chloroplasts Affects C3 Plant Development but Not Photosynthesis” của họ được xuất bản trong tạp chí PNAS.
Khi quang hợp, thực vật chuyển đổi CO2, nước và ánh sáng thành oxy và đường sucrose để cung cấp năng lượng và tạo nên các mô mới. Trong quá trình này, Rubisco, một loại enzyme xuất hiện trong tất cả các loài thực vật, sẽ lấy carbon vô cơ từ không khí, sau đó “cố định” chúng thành các hợp chất hữu cơ mà thực vật dùng để tạo thành các mô.
Một thách thức trong cải thiện quá trình quang hợp ở cây trồng là enzyme Rubisco phản ứng với cả CO2 và oxy trong không khí, tạo ra các sản phẩm phụ độc hại và làm chậm quá trình quang hợp dẫn đến giảm năng suất. Tuy nhiên, khác với hầu hết các loài thực vật khác, tảo lam có thể chứa Rubisco trong các carboxysome giúp Rubisco không tiếp xúc với oxy. Carboxysome cũng giúp tảo lam tập trung CO2 để Rubisco sử dụng và cố định carbon nhanh hơn, Maureen Hanson, giáo sư sinh học phân tử thực vật, tác giả chính của bài báo cho biết. “Nhiều cây trồng không có carboxysome, vì vậy ý tưởng của chúng tôi là đưa toàn bộ cơ chế tập trung carbon từ tảo lam vào cây trồng”.
Để tạo ra một hệ thống tương tự có thể hoạt động trên cây trồng, nhóm nghiên cứu phải loại bỏ một loại enzyme tự nhiên là carbonic anhydrase ra khỏi lục lạp – cơ quan giữ chức năng quang hợp trong tế bào thực vật. Vai trò của anhydrase là tạo ra sự cân bằng giữa CO2 và nhóm bicarbonate (HCO3) trong tế bào thực vật bằng cách xúc tác phản ứng giữa CO2 và nước để tạo ra bicarbonate và ngược lại. Tuy nhiên, cơ chế cố định carbon của tảo lam chỉ ứng dụng được trên cây trồng khi bicarbonate ở mức cao hơn nhiều so với trạng thái cân bằng. “Bởi vậy, chúng tôi loại bỏ carbonic anhydrase để giúp carboxysome hoạt động”, Hanson cho biết.
Trong bài báo, họ mô tả quá trình sử dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 để vô hiệu hóa các gene biểu hiện hai loại enzyme anhydrase cacbonic trong lục lạp. Trước đây, một nhóm nghiên cứu khác đã sử dụng một phương pháp khác để loại bỏ được 99% hoạt tính của enzyme anhydrase, khi đó cây vẫn phát triển bình thường.
Tuy nhiên, khi Hanson và các đồng nghiệp loại bỏ 100% hoạt động của enzyme, cây hầu như không phát triển. Hanson cho biết: “Thực vật cần loại enzyme này để tạo ra bicarbonate phục vụ các quá trình tạo ra thành phần của mô lá”. Khi họ đưa cây trồng vào buồng sinh trưởng có nồng độ CO2 cao, chúng lại tiếp tục phát triển bình thường do lượng CO2 cao dẫn đến phản ứng tự phát tạo thành bicarbonate.
Dù vậy, họ tin rằng sẽ tìm ra giải pháp loại bỏ anhydrase mà vẫn có đủ bicarbonate. Trong một nghiên cứu kéo dài ba năm do Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ tài trợ 800.000 USD gần đây, các nhà khoa học dự định sẽ đặt một chất vận chuyển bicarbonate lên màng lục lạp để nhập bicarbonate từ các phần khác của tế bào vào lục lạp. Ngoài việc loại bỏ anhydrase, lượng bicarbonate bổ sung sẽ cải thiện quá trình quang hợp trước khi các carboxysome hình thành trong lục lạp.
Trái ngược với quan điểm trước đây, thí nghiệm cho thấy sự vắng mặt của anhydrase cacbonic không gây trở ngại cho quá trình quang hợp.
Một vấn đề tiềm ẩn là anhydrase cacbonic trong lục lạp có liên quan đến các phương thức bảo vệ của thực vật. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Hanson đã phát hiện ra có thể tích hợp một phiên bản enzyme carbonic anhydrase bất hoạt mà vẫn duy trì khả năng bảo vệ của cây. “Giờ đây chúng tôi có thể tạo ra một loại enzyme bất hoạt không ảnh hưởng đến cơ chế tập trung carbon nhưng vẫn cho phép cây trồng chống lại các loại virus”, Hanson cho biết.□
Thanh An dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2021-08-scientists-crops-photosynthesis-yields.html
