Nguồn: CC0 Public Domain.

Sau nhiều năm thử nghiệm, các nhà khoa học đã thiết kế cây thale cress, còn gọi là cây Arabidopsis thaliana, giống như loại cây mọng nước, cải thiện hiệu quả sử dụng nước, khả năng chịu mặn và giảm ảnh hưởng của hạn hán. Kỹ thuật mô mọng nước được tạo ra ở thực vật có hoa nhỏ nhưng cũng có thể sử dụng ở những cây trồng khác để cải thiện khả năng chịu hạn và chịu mặn với mục tiêu hướng đến những cây lương thực và năng lượng sinh học.

“Mô chứa nước là một trong những cách thích nghi thành công nhất giúp cho cây có khả năng sống sót trong thời kỳ hạn hán kéo dài. Tính trạng này trở nên quan trọng hơn khi nhiệt độ trái đất tăng lên, làm tăng cường độ và thời gian hạn hán trong suốt thế kỷ 21”, John Cushman, giáo sư về sinh hóa và sinh học phân tử ở đại học Nevada, đồng tác giả của một bài báo khoa học về mô thực vật mọng nước được đăng trên tạp chí Plant Journal.

Công việc này sẽ được kết hợp với dự án khác của Cushman: tạo ta một tính trạng khác được gọi là chuyển hóa axít crassulacean (CAM), phương thức quang hợp bảo toàn nước có thể được áp dụng cho các cây trồng để tăng hiệu quả sử dụng nước.

 “Hai hoạt động thích nghi này hoạt động cùng nhau”, Cushman, đại học Nông nghiệp, Công Nghệ Sinh Học và Tài nguyên Thiên nhiên, nói “Mục tiêu chung của chúng tôi là thiết kế CAM, nhưng muốn làm được việc này có hiệu quả, chúng tôi phải thiết kế giải phẫu lá nhằm có các tế bào lớn hơn để dự trữ axít malic tích tụ ở cây vào ban đêm. Thêm vào đó, các tế bào có kích thước lớn này cũng phục vụ cho việc tích trữ nước để cây vượt qua hạn hán, pha loãng muối và các ion kim loại mà cây hấp thụ, giúp cây chịu mặn tốt hơn”.

“Khi cây hấp thụ CO₂, nó sẽ được hấp thụ qua các lỗ trên lá, được gọi là khí khổng. Cây mở khí khổng để CO₂ đi vào và sau đó CO₂ sẽ gắn vào đường và các hợp chất khác nhằm hỗ trợ hầu hết sự sống trên trái đất. Nhưng khi khí khổng mở, không chỉ CO₂ đi vào mà hơi nước còn thoát ra và vì thế cây thoát hơi nước để làm mát, một lớn lượng lớn nước bị mất đi”. 

Nhóm các nhà khoa học của Cushman đã tạo ra cây Arabidopsis thaliana biến đổi gen với kích thước tế bào tăng lên, kết quả là cây lớn hơn với độ dày lá tăng lên, khả năng trữ nước nhiều hơn và khí khổng mở ít hơn để hạn chế mất nước từ lá do sự biểu hiện quá mức của một gen mà các nhà khoa học gọi là VvCEB1. Gen này liên quan đến thời kỳ mở rộng tế bào của sự phát triển quả mọng ở cây nho dùng sản xuất rượu vang.

Các mô mọng nước phụ vụ cho hai mục đích.

“Các tế bào lớn có không bào lớn để dự trữ malate vào ban đêm, đóng vai trò là nguồn cacbon để giải phóng và tái cố định CO₂, nhờ hoạt động của enzym Rubisco, vào ban ngày sau khi khí khổng đóng, do đó hạn chế sự quang hô hấp và mất nước” Cushman nói. “Và mô mọng nước bẫy CO₂ được giải phóng từ quá trình khử caboxyl của malate vì thế CO₂ có thể tái cố định hiệu quả hơn bởi enzym Rubisco”.

Một trong những lợi ích của sự biểu hiện quá mức gen VvCEB1 là sự cải thiện quan sát hiệu quả sử dụng nước tức thời và kết hợp của cây, tăng lần lượt lên 2,6 lần và 2,3 lần. Hiệu quả sử dụng nước là tỉ lệ cố định cacbon hay tạo ra sinh khối so với tốc độ thoát hơi nước hay lượng nước mất đi của cây. Những cải thiện này tương quan với độ dày của lá hay mô mọng nước, cũng như mật độ khí khổng ít hơn và giảm các khí khổng mở.

“Chúng tôi đã thử nghiệm trên nhiều gen nhưng chúng tôi chỉ quan sát kiểu hình đáng chú ý với gen VvCEB1”, Cushman nói. “Thông thường chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu từ 10 đến 30 dòng gen chuyển độc lập và sau đó chúng sẽ phát triển hai đến ba thế hệ trước khi tiến hành thử nghiệm chi tiết”.

Arabidopsis thaliana là cây mô hình tốt cho các nghiên cứu về các quá trình sinh trưởng và phát triển ở thực vật. Đây là loại cây nhỏ giống như cỏ dại có vòng đời ngắn khoảng 6 tuần, phát triển tốt và tạo ra một lượng lớn hạt giống trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Kỹ thuật mô mọng nước được mong đợi cung cấp một chiến lược hiệu quả để cải thiện hiệu quả sử dụng nước, tránh hạn hán hay suy giảm và tối ưu hóa hiệu suất CAM.

Thực vật CAM rất thông minh, chúng đóng khí khổng cả ngày và chỉ mở vào ban đêm khi lượng nước bốc hơi thấp do thời tiết mát mẻ và mặt trời không chiếu sáng, Cushman giải thích. Ý nghĩa của CAM được tìm thấy đó là khả năng bảo toàn nước độc nhất vô nhị của nó. Khi hầu hết thực vật hấp thụ CO₂ vào ban ngày, thực vật CAM lại hấp thụ CO₂ vào ban đêm.

“Về cơ bản, thực vật CAM có hiệu quả sử dụng nước cao 5 đến 6 lần”, ông ấy nói. “Mô mọng nước liên kết với CAM và các tính trạng thích nghi khác như lớp biểu bì dày hơn và sự tích lũy sáp epicuticular, nghĩa là chúng sẽ giảm sự nóng lên của lá vào ban ngày bằng cách phản chiếu một số ánh sáng chiếu vào lá. Nhiều thực vật CAM thích nghi trên sa mạc cũng có khả năng chịu nhiệt độ cao tốt hơn”.

Với dự kiến các sản phẩm nông nghiệp tăng đến 70% để phục vụ dân số ngày càng tăng của con người, dự đoán sẽ đạt 9,6 tỷ người vào năm 2050, Cushman và nhóm nghiên cứu của ông đang theo đuổi các giải pháp về công nghệ sinh học để giải quyết tình trạng thiếu lương thực và năng lượng sinh học trong tương lai.

“Chúng tôi dự định chuyển cả hai kỹ thuật mô mọng nước và CAM vào cây trồng. Công việc hiện tại là bằng chứng của khái niệm này”, Cushman nói.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org