|
 Đang trực tuyến :
23 |
|
 Số lượt truy cập :
33276248 |
|
|
|
|
|
Bước đột phá thứ ba chứng minh thúc đẩy hoạt động quang hợp có thể tăng năng suất, tiết kiệm nước
Thứ hai, 17-08-2020 | 08:29:29
|
|
Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Essex đã nâng cao năng suất cây trồng lên 27% bằng cách giải quyết hai nút thắt trong quá trình quang hợp - quá trình mà thực vật cố định carbon dioxide thành đường cung cấp năng lượng cho sự phát triển của cây trồng. Chidi Afamefule (trái) giữ cây đối chứng chưa được thay đổi trong khi Kenny Brown (giữa) giữ một câyđược thay đổi để giải quyết một nút thắt, và Patricia Lopez-Calcagno (phải) giữ một cây đã được thay đổi để giải quyết hai nút thắt. Nguồn: Dự án RIPE/Claire Benjamin.
Thực vật như là dây chuyền của các nhà máy tạo ra năng suất cây trồng từ ánh sáng và carbon dioxide - nhưng các phần của quá trình phức tạp này, được gọi là quang hợp, bị cản trở do thiếu vật liệu và cơ chế. Để tối ưu hóa sản xuất, các nhà khoa học từ Đại học Essex đã giải quyết hai nút thắt quang hợp chính để tăng năng suất cây trồng lên 27% trong điều kiện thực tế, theo một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Plants. Đây là bước đột phá thứ ba của dự án nghiên cứu Thực hiện Tăng hiệu quả Quang hợp (RIPE), tuy nhiên, tác động quang hợp này cũng đã được chứng minh là bảo tồn nước.
Patricia Lopez-Calcagno, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Essex, người dẫn đầu nghiên cứu này cho dự án RIPE, cho biết: “Giống như một dây chuyền nhà máy, thực vật chỉ nhanh bằng những cỗ máy chậm nhất của chúng. "Chúng tôi đã xác định được một số bước chậm hơn và những gì chúng tôi đang làm là cho phép những cây này chế tạo nhiều máy hơn để tăng tốc những bước chậm hơn này trong quá trình quang hợp".
Dự án RIPE là một nỗ lực quốc tế do Đại học Illinois dẫn đầu nhằm phát triển các loại cây trồng năng suất cao hơn bằng cách cải thiện quá trình quang hợp - quá trình tự nhiên, sử dụng ánh sáng mặt trời mà tất cả các loài thực vật sử dụng để cố định carbon dioxide chuyển hóa thành đường thúc đẩy sự tăng trưởng, phát triển và cuối cùng là năng suất. RIPE được hỗ trợ bởi Quỹ Bill & Melinda Gates, Quỹ Nghiên cứu Nông nghiệp và Thực phẩm Hoa Kỳ (FFAR) và Bộ Phát triển Quốc tế (DFID) của Chính phủ Vương quốc Anh.
Sản lượng của một nhà máy giảm khi nguồn cung cấp, kênh vận chuyển và máy móc đáng tin cậy bị hạn chế. Để tìm ra những giới hạn nào của quá trình quang hợp, các nhà nghiên cứu đã lập mô hình từng bước trong số 170 bước của quá trình này để xác định cách thực vật có thể sản xuất đường hiệu quả hơn.
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã tăng 27% tăng trưởng cây trồng bằng cách giải quyết hai hạn chế: một trong phần đầu tiên của quá trình quang hợp, nơi cây trồng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và một trong phần thứ hai, nơi carbon dioxide được cố định thành đường.
Bên trong hai hệ thống quang hợp, ánh sáng mặt trời được thu nhận và biến thành năng lượng hóa học có thể được sử dụng cho các quá trình khác trong quang hợp. Một protein vận chuyển được gọi là plastocyanin (một protein có chứa đồng làm trung gian truyền điện tử) di chuyển các electron vào hệ thống quang hợp để cung cấp nhiên liệu cho quá trình này. Nhưng plastocyanin có lực tương tác cao với protein nhận của nó trong hệ thống quang học, vì vậy nó lơ lửng, không thể đưa các electron qua lại một cách hiệu quả.
Nhóm nghiên cứu đã giải quyết nút thắt đầu tiên này bằng cách giúp plastocyanin chia sẻ chuyển tải với việc bổ sung cytochrome c6 — một loại protein vận chuyển hiệu quả hơn có chức năng tương tự ở tảo. Plastocyanin cần đồng và cytochrome cần sắt để hoạt động. Tùy thuộc vào sự sẵn có của các chất dinh dưỡng này, tảo có thể lựa chọn giữa hai loại protein vận chuyển này.
Đồng thời, nhóm đã cải thiện một nút thắt về quang hợp trong Chu trình Calvin-Benson -trong đó carbon dioxide được cố định thành đường- bằng cách tăng lượng enzyme quan trọng gọi là SBPase, mượn bộ máy tế bào bổ sung từ một loài thực vật khác và vi khuẩn lam.
Bằng cách bổ sung "xe nâng tế bào" để đưa các electron vào hệ thống quang học và "bộ máy tế bào" cho Chu trình Calvin, nhóm nghiên cứu cũng cải thiện hiệu quả sử dụng nước của cây trồng, hoặc tỷ lệ sinh khối được tạo ra so với nước bị mất đi bởi cây trồng.
Christine Raines, giáo sư tại Trường Khoa học Đời sống tại Essex, nơi bà cũng là Phó hiệu trưởng phụ trách nghiên cứu cho biết: “Trong các thử nghiệm thực địa, chúng tôi phát hiện ra những cây này đang sử dụng ít nước hơn để tạo ra nhiều sinh khối hơn. Cơ chế chịu trách nhiệm cho sự cải tiến bổ sung này vẫn chưa rõ ràng, nhưng chúng tôi đang tiếp tục khám phá điều này để giúp hiểu tại sao và cách thức hoạt động của việc này". Hai cải tiến này, khi kết hợp với nhau, đã được chứng minh là làm tăng năng suất cây trồng lên 52% trong nhà kính. Quan trọng hơn, nghiên cứu này cho thấy sự tăng trưởng của cây trồng lên đến 27% trong các thử nghiệm trên đồng ruộng, đây là thử nghiệm thực sự của bất kỳ sự cải thiện cây trồng nào - chứng minh rằng những tác động quang hợp này có thể thúc đẩy sản lượng cây trồng trong điều kiện trồng trọt trong thế giới thực.
Giám đốc RIPE Stephen Long, Chủ tịch Đại học Ikenberry Endowed về Khoa học Cây trồng và Sinh học Thực vật tại Carl R. Woese Viện Sinh học Bộ gen tại Illinois đã cho biết: “Nghiên cứu này mang đến cơ hội thú vị để kết hợp ba phương pháp độc lập và đã được xác nhận nhằm đạt được mức tăng 20% năng suất cây trồng. "Mô hình của chúng tôi cho thấy kết hợp bước đột phá này với hai khám phá trước đó từ dự án RIPE có thể dẫn đến tăng năng suất phụ gia tổng cộng từ 50 đến 60% ở cây lương thực".
Phát hiện đầu tiên của RIPE, được công bố trên tạp chí Science, đã giúp thực vật thích nghi với điều kiện ánh sáng thay đổi để tăng năng suất lên tới 20%. Bước đột phá thứ hai của dự án, cũng được công bố trên tạp chí Science, đã tạo ra một đường tắt trong cách thực vật đối phó với trục trặc trong quá trình quang hợp để tăng năng suất lên 20 đến 40%.
Tiếp theo, nhóm dự định chuyển những khám phá này từ cây thuốc lá - một loại cây trồng mẫu được sử dụng trong nghiên cứu như một thử nghiệm để cải thiện di truyền vì nó dễ dàng thiết kế, trồng trọt và thử nghiệm - đối với các loại cây lương thực chính như sắn, đậu đũa, ngô, đậu tương và gạo cần thiết để cung cấp cho dân số toàn cầu ngày càng tăng trong thế kỷ này.
Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org |
Trở lại
In
Số lần xem: 457
|
|
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|
(82).png "Bước đột phá thứ ba chứng minh thúc đẩy hoạt động quang hợp có thể tăng năng suất, tiết kiệm nước")
