|
 Đang trực tuyến :
24 |
|
 Số lượt truy cập :
33266475 |
|
|
|
|
|
Các nhà khoa học nghiên cứu cải thiện khả năng quang hợp và năng suất của cây trồng
Thứ ba, 31-08-2021 | 14:06:22
|
|
Để nuôi sống 9 tỷ người vào năm 2050, ngành nông nghiệp cần tăng sản lượng lương thực lên hơn 50% so với hiện tại với quỹ đất hạn hẹp. Do đó, các nhà thực vật học đang chạy đua với thời gian để tạo ra các loại cây trồng có năng suất cao hơn bằng cách cải thiện khả năng quang hợp.
Maureen Hanson, Giáo sư Sinh học Phân tử Thực vật của Liberty Hyde Bailey, trái; với Vishal Chaudhari, một cộng sự sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Hanson.
Tảo lam (khuẩn lam) được biết đến với khả năng quang hợp hiệu quả hơn hầu hết các loại cây trồng, vì vậy các nhà nghiên cứu đang tiến hành đưa các yếu tố từ khuẩn lam vào cây trồng.
Một nghiên cứu mới do Đại học Cornell dẫn đầu mô tả một bước quan trọng để đạt được mục tiêu đó. Bài báo "Sự vắng mặt của Carbonic Anhydrase trong lục lạp ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật C3 nhưng không ảnh hưởng đến quá trình quang hợp", được công bố ngày 11 tháng 8 trong Proceedings of the National Academy of Sciences. Maureen Hanson, giáo sư sinh học phân tử thực vật, là tác giả chính của bài báo, Kevin Hines và Vishal Chaudhari là đồng tác giả.
Khi thực vật quang hợp, chúng chuyển đổi carbon dioxide, nước và ánh sáng thành oxy và đường sucrose, một loại đường được sử dụng để cung cấp năng lượng và xây dựng các mô mới. Trong quá trình này, Rubisco, một loại enzyme được tìm thấy trong tất cả các loài thực vật, lấy carbon vô cơ từ không khí và "sửa chữa" hoặc chuyển nó thành dạng hữu cơ mà thực vật sử dụng để xây dựng các mô.
Một trở ngại trong việc cải thiện quá trình quang hợp ở cây trồng là Rubisco phản ứng với cả carbon dioxide và oxy trong không khí, phản ứng sau đó tạo ra các sản phẩm phụ có hại, làm chậm quá trình quang hợp và do đó làm giảm năng suất. Nhưng ở khuẩn lam, Rubisco được chứa trong các ngăn nhỏ được gọi là carboxysomes giúp che chắn Rubisco khỏi oxy.
Carboxysome cũng cho phép khuẩn lam tập trung carbon dioxide để Rubisco có thể sử dụng nó cố định carbon nhanh hơn, Hanson nói: "Cây trồng không có carboxysomes, vì vậy mục tiêu của ý tưởng này là đưa toàn bộ cơ chế tập trung carbon từ khuẩn lam vào cây trồng".
Để thiết kế hệ thống này hoạt động trên cây trồng, các nhà khoa học phải loại bỏ carbonic anhydrase, một loại enzyme tự nhiên, khỏi lục lạp, bào quan trong tế bào thực vật, nơi xảy ra quá trình quang hợp. Bởi vì vai trò của anhydrase là tạo ra sự cân bằng giữa CO2 và bicarbonate trong tế bào thực vật, chúng xúc tác các phản ứng trong đó CO2 và nước tạo thành bicarbonate và ngược lại. Nhưng để cơ chế tập hợp carbon từ khuẩn lam hoạt động trong cây trồng, bicarbonate trong hệ thống phải đạt được mức cao hơn nhiều lần so với mức được tìm thấy ở trạng thái cân bằng bình thường. Vì vậy, trong nghiên cứu này, Hanson cho biết: “Chúng tôi đã thực hiện bước loại bỏ anhydrase để làm cho carboxysome hoạt động".
Trong bài báo, các tác giả mô tả việc sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 để vô hiệu hóa các gen biểu hiện hai enzym anhydrase cacbonic có trong lục lạp. Trước đây, một nhóm nghiên cứu khác đã sử dụng một phương pháp khác để loại bỏ 99% hoạt tính của enzym anhydrase, cây vẫn phát triển bình thường. Nhưng 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 được sử dụng trong các con đường tạo ra các thành phần của mô lá.
Khi họ đưa cây vào buồng sinh trưởng có CO2 cao, chúng lại tiếp tục phát triển bình thường, vì lượng CO2 cao dẫn đến phản ứng tự phát tạo bicarbonate.
Nhóm nghiên cứu tin rằng họ có một giải pháp để loại bỏ anhydrase mà vẫn có đủ bicarbonate. Trong nghiên cứu được tài trợ trong 3 năm với ngân sách 800.000 USD bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, họ có kế hoạch đặt một chất vận chuyển bicarbonate trên màng lục lạp, để nhập bicarbonate từ các phần khác của tế bào vào lục lạp. Ngoài việc làm cho anhydrase trở nên vô hiệu, bicarbonate bổ sung sẽ cải thiện quá trình quang hợp ngay cả trước khi các carboxysomes có thể được thiết kế thành lục lạp.
Các thí nghiệm cho thấy sự vắng mặt của anhydrase cacbonic không gây trở ngại cho quá trình quang hợp, trái ngược với những quan điểm trước đây.
Một vấn đề tiềm ẩn là anhydrase cacbonic được tìm thấy trong lục lạp có liên quan đến các con đường phòng vệ của thực vật. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu trong nhóm của Hanson đã phát hiện ra rằng họ có thể kết hợp một phiên bản thiếu vắng enzym carbonic anhydrase mà vẫn duy trì khả năng bảo vệ của cây.
Hanson cho biết: “Hiện tại, chúng tôi có thể làm bất hoạt một enzyme mà không ảnh hưởng đến cơ chế tập trung carbon nhưng vẫn cho phép cây trồng có khả năng chống lại vi rút”.
Lê Thị Kim Loan theo Phys.org |
Trở lại
In
Số lần xem: 407
|
|
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|
.jpg "Các nhà khoa học nghiên cứu cải thiện khả năng quang hợp và năng suất của cây trồng")
