Kỹ thuật sinh học quang hợp làm tăng sản lượng mùa vụ
Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu RIPE đã chứng tỏ kỹ thuật sinh học đa di truyền về quang hợp làm gia tăng sản lượng của một loại cây lương thực trong một thử nghiệm trên đồng ruộng. Sau hơn một thập kỷ tập trung nghiên cứu cho mục tiêu này, một nhóm hợp tác do các nhà nghiên cứu trường đại học Illinois dẫn dắt đã làm thay đổi gene của cây đậu tương để làm gia tăng hiệu suất quang hợp, dẫn đến mùa vụ gia tăng mà không ảnh hưởng đến chất lượng.
Kết quả này đến thật đúng lúc. Trong báo cáo gần đây của Liên hợp quốc, “The State of Food Security and Nutrition in the World 2022”, vào năm 2021 gần 10% dân số thế giới sống trong cảnh thiếu lương thực, một tình trạng đã ngày một trở nên xấu hơn trong vài năm trở lại đây. Nó làm lu mờ cả những mối nguy về sức khỏe toàn cầu khác. Theo UNICEF, vào năm 2030, hơn 660 triệu người đang được dự đoán là phải đối mặt với tình trạng khan hiếm lương thực và suy dinh dưỡng. Hai trong số những nguyên nhân chính của tình trạng này là sự bất bình đẳng trong chuỗi cung cấp lương thực (khả năng tiếp cận lương thực) và các điều kiện trồng trọt ngày một khắc nghiệt do tác động của biến đổi khí hậu. Cải thiện khả năng tiếp cận lương thực và cải thiện sự bền vững của lương thực ở những vùng nghèo đói là những mục tiêu chính của nghiên cứu này cũng như của dự án RIPE.
Hiện thực hóa sự gia tăng hiệu suất quang hợp (RIPE) là một dự án nghiên cứu quốc tế nhằm hướng đến gia tăng sản phẩm lương thực toàn cầu bằng cải thiện hiệu quang hợp trong mùa vụ cho những hộ nông dân nhỏ ở vùng Hạ Sahara châu Phi.
“Số người bị ảnh hưởng bởi tình trạng thiếu lương thực tiếp tục gia tăng, các dự đoán ngày một chứng tỏ một cách rõ ràng là cần một sự thay đổi ở cấp độ chuỗi cung ứng để thay đổi quỹ đạo này”, Amanda De Souza, người tham gia dự án RIPE và là tác giả dẫn đầu nghiên cứu. “Nghiên cứu của chúng tôi đã chứng tỏ một cách hiệu quả để đóng góp vào an ninh lương thực cho những người cần nó nhất trong khi vẫn tránh được việc dành quá nhiều quỹ đất vào trồng trọt. Cải thiện khả năng quang hợp là một ưu tiên lớn để có được một bước nhảy vọt cần thiết về sản lượng mùa vụ tiềm năng”.
Quang hợp, một quá trình tự nhiên mà tất cả mọi loại cây trồng đều sử dụng để chuyển đổi ánh nắng mặt trời thành năng lượng và sản lượng, lại là một quá trình 100+ bước thiếu hiệu quả đến đáng ngạc nhiên. Các nhà nghiên cứu RIPE đã làm việc để cải thiện nó trong vòng hơn một thập kỷ. Trong công trình độc nhất vô nhị này, mới xuất bản trên Science, nhóm nghiên cứu đã cải thiện cấu trúc VPZ bên trong cây đậu tương để cải thiện sự quang hợp và sau đó thử nghiệm trên đồng ruộng để kiểm tra xem liệu nó có được cải thiện như mong đợi hay không 1.
Những người nông dân sẽ được hưởng lợi từ kết quả nghiên cứu này. Nguồn: phys
Cấu trúc VPZ chứa ba gene mã hóa các protein của chu trình xanthophyll, một chu trình sắc tố giúp bảo vệ quang của các loại thực vật. Một khi được mặt trời chiếu sáng, chu trình này được kích hoạt trong lá cây để bảo vệ chúng khỏi bị phá hủy, cho phép lá khỏi bị phân rã bởi năng lượng dư. Tuy nhiên, khi lá bị che khuất (bởi các lá khác, mây, hoặc khuất bóng mặt trời trên không trung), sự bảo vệ quang cần chuyển những chiếc lá tiếp tục xử lý quang hợp với ánh sáng dự trữ. Mất nhiều phút để cây chuyển đổi cơ chế bảo vệ khiến cho mất nhiều thời gian giá trị lẽ ra để tập trung vào quá trình quang hợp.
Sự biểu hiện quá mức của ba gene của cấu trúc VPZ làm gia tốc quá trình này, vì vậy thời gian để chuyển đổi một cái lá từ ánh sáng sang bóng râm của bảo vệ quang sẽ nhanh hơn. Lá cây dư thêm thời gian cho quá trình quang hợp, khi diễn ra trong toàn bộ thời gian sinh trưởng sẽ làm gia tăng tốc độ quang hợp. Nghiên cứu này chứng tỏ là dù tăng thêm hơn 20% sản lượng thì chất lượng hạt thu được vẫn không thay đổi.
“Dẫu mùa vụ cao hơn nhưng protein chứa trong hạt vẫn không suy suyển. Điều này cho thấy một số năng lượng thu được từ cải thiện quang hợp có thể đã được chuyển sang vi khuẩn cố định đạm trong các nốt sần của cây đậu tương”, Stephen Long, giám đốc dự án RIPE và chủ tịch Viện Sinh học hệ gene Carl R. Woese, ĐH Illinois, nói.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu thử nghiệm ý tưởng của mình trên cây thuốc lá bởi vì sự dễ dàng trong chuyển đổi di truyền và lượng hạt của loại cây này ngay trên một cây. Những nhân tố đó cho phép họ chuyển gene trên cây và thử nghiệm trên đồng ruộng trong vòng vài tháng. Kh ý tưởng chứng minh được hiệu quả trên cây thuốc lá, họ lại chuyển sang nhiệm vụ phức tạp hơn là đặt gene vào một cây lương thực như cây đậu tương.
“Nó đã chứng tỏ sự gia tăng hiệu quả bền vững trên cây thuốc lá và đậu tương, hai loại cây trồng khác nhau. Điều này cho thấy khả năng ứng dụng phổ quát”, Long nói. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy những cải thiện mùa vụ có thể thực hiện được dưới tác động của môi trường. Hiện tại, điều quan trọng là xác định độ lặp lại của kết quả trong các môi trường khác nhau và cải thiện thêm để đảm bảo sự ổn định”.
Việc thực hiện thêm các thử nghiệm ngoài đồng ruộng của các cây đậu tương biến đổi gene đang được tiến hành trong năm nay và kết quả được chờ đợi sẽ có vào đầu năm 2023.
“Tác động quan trọng của công trình này là mở ra con đường chứng tỏ chúng ta có thể dùng kỹ thuật sinh học để cải thiện quang hợp và cải thiện mà vụ để tăng năng suất cho những cây lương thực chính”, De Souza nói. “Đây mới là thời điểm bắt đầu xác nhận các ý tưởng mà dự án RIPE đem lại có thể thành công với các cây lương thực chính”.
Dự án RIPE và các nhà tài trợ cho nó đã cam kết đảm bảo khả năng tiếp cận toàn cầu và sẵn sàng để các công nghệ mà dự án làm ra đến với các nông dân cần chúng nhất.
“Với tôi thì đó là một quãng đường một phần tư thế kỷ”, Long chia sẻ. “Bắt đầu với một phân tích lý thuyết về khả năng quang hợp của cây lương thực, mô phỏng toàn bộ quá trình trên các siêu máy tính, sau đó là ứng dụng các quá trình tối ưu hóa để phá hiện ra một số điểm nghẽn trong quá trình này. Sự tài trợ trong 10 năm qua cho phép chúng tôi tháo gỡ những nút thắt cổ chai đó và thử nghiệm trên đồng ruộng. Sau nhiều năm thử nghiệm và khó khăn, với cả nhóm nghiên cứu, thật tuyệt vời khi được tưởng thưởng một kết quả ngoạn mục như vậy”.
RIPE do các nhà khoa học Illinois dẫn dắt, với sự hợp tác của trường ĐH Quốc gia Australia, Viện Hàn lâm KH Trung Quốc, tổ chức CSIRO Úc, ĐH Lancaster, ĐH bang Louisiana, ĐH California, Berkeley, ĐH Cambridge, ĐH Essex, và Cơ quan dịch vụ nghiên cứu nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp Mỹ.
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2022-08-bioengineering-photosynthesis-yields-food-crops.html
https://www.climatechange.ie/bioengineering-better-photosynthesis-increases-yields-in-food-crops/
———————————————————-
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9831
