Hình ảnh này so sánh các gié lúa từ các cây lúa biến đổi gen (GOC plants) với cây dại (WT) làm đối chứng. Ảnh: Shen and Wang et al./Molecular Plant.

Một phương pháp kỹ thuật sinh học mới để tăng khả năng quang hợp ở cây lúa có thể tăng năng suất hạt lên tới 27%, theo một nghiên cứu được xuất bản ngày 10 tháng 1 trên tạp chí Molecular Plant. Phương pháp được gọi là GOC bypass (làm giảm quá trình quang hô hấp một cách gián tiếp), tăng CO2 trong tế bào thực vật mà nếu không sẽ bị mất thông qua một quá trình trao đổi chất gọi là quang hô hấp. Cây trồng biến đổi gen xanh hơn và to lớn hơn và cho thấy hiệu quả quang hợp và năng suất tăng lên ở điều kiện ngoài đồng ruộng, với những thuận lợi đặc biệt trong điều kiện ánh sáng dồi dào.

Tác giả nghiên cứu viên cao cấp Xin-Xiang Peng của Đại học Nông nghiệp Nam Trung Quốc tại Quảng Châu, Trung Quốc cho biết "Thiếu lương thực liên quan đến tăng dân số thế giới sẽ là một vấn đề nghiêm trọng hành tinh của chúng ta sẽ phải đối mặt". "Nghiên cứu của chúng tôi có thể có tác động lớn đến vấn đề này bằng cách tăng đáng kể năng suất lúa, đặc biệt là đối với các khu vực có nhiều ánh sáng".
 

Cải thiện kỹ thuật sinh học cây lúa, loại cây lương thực chính trên toàn thế giới, có tầm quan trọng thực tiễn cao, đặc biệt là nhu cầu tăng năng suất cây trồng do tăng dân số thế giới và giảm diện tích đất canh tác. Việc làm tăng năng suất lúa có ý nghĩa to lớn trong điều kiện một số cây trồng chính khác cải thiện rất ít trong những năm gần đây và năng suất cây trồng dường như đạt đến mức trần tiềm năng tối đa.

Phương pháp di truyền quan trọng để tăng tiềm năng năng suất của các loại cây trồng chính tập trung vào quá trình quang hợp, là một quá trình sinh hóa trong đó CO2 và nước được chuyển đổi thành O2 và các hợp chất đường giàu năng lượng làm nguyên liệu cho cây phát triển. Một cách để tăng khả năng quang hợp là làm giảm quá trình quang hô hấp một cách gián tiếp (bypass photorespiration), quá trình phụ thuộc vào ánh sáng trong đó O2 được hấp thụ và giải phóng CO2. Quang hô hấp làm tốn hao năng lượng để cây phát triển là rất lớn. Việc ngăn chặn quá trình quang hô hấp xảy ra có thể dẫn đến quá trình quang hợp tăng tới 55%, đặt vai trò quang hô hấp vào giai đoạn trọng tâm trong nỗ lực cải thiện hiệu quả quang hợp và năng suất cây trồng.

Trong vài năm qua, có ba phương pháp làm giảm quá trình quang hô hấp một cách gián tiếp đã được đưa vào cây trồng và hai trong số đó dẫn đến sự gia tăng có thể quan sát được trong quá trình quang hợp và năng suất sinh khối cây trồng. Nhưng hầu hết các thí nghiệm đã được thực hiện bằng cách sử dụng cây mô hình Arabidopsis, và sự gia tăng thường được quan sát điển hình ở môi trường được kiểm soát, trong các điều kiện ánh sáng yếu và ngắn ngày. Đồng tác giả Zheng-Hui He thuộc Đại học bang San Francisco cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên đã thử nghiệm làm giảm quá trình quang hô hấp một cách gián tiếp trên cây lúa".

Trong nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một chiến lược về cơ bản chuyển CO2 từ quá trình quang hô hấp sang quá trình quang hợp. Họ đã chuyển đổi một phân tử gọi là glycolate, được tạo ra thông qua quá trình quang hô hấp, thành CO2 bằng cách sử dụng ba loại enzyme trong cây lúa: glycolate oxyase, oxalate oxyase và catalase. Để tiến hành làm giảm quá trình quang hô hấp một cách gián tiếp có hiệu quả, mà được đặt tên cho ba loại enzyme, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu các gen mã hóa các enzyme này vào bên trong các bào quan của lúa còn gọi là lục lạp nơi quá trình quang hợp diễn ra trong tế bào thực vật.

Do đó, tỷ lệ quang hô hấp đã bị giảm khỏang18-31% so với bình thường và tỷ lệ quang hợp ròng tăng lên 15-22%, chủ yếu là do nồng độ CO2 của tế bào cao hơn được sử dụng cho quang hợp. So với các cây không được biến đổi gen, các cây GOC luôn xanh hơn và lớn hơn, với trọng lượng khô phần trên mặt đất cao hơn 14-35%. Hơn nữa, các hạt tinh bột tăng kích thước khoảng 100% và tăng số lượng trên mỗi tế bào khoảng 37%. Trong mùa gieo hạt vụ xuân, năng suất hạt cải thiện từ 7-27%.
 

Tiếp tục công việc, các nhà nghiên cứu lên kế hoạch tối ưu hóa sự phát triển của các cây biến đổi gen trên đồng ruộng bằng cách tạo ra cùng con đường làm giảm quá trình quang hô hấp một cách gián tiếp ở các giống lúa khác. Họ cũng muốn áp dụng cùng phương pháp này cho các loại cây trồng khác như khoai tây.
 

"Các cây trồng biến đổi gen của chúng tôi có thể được triển khai một cách có hiệu quả ở ngoài đồng ruộng trên diện tích lớn hơn sau khi các nhà nghiên cứu độc lập và các cơ quan chính phủ có thêm nhiều đánh giá", ông Peng nói. "Mặc dù chúng tôi không hy vọng phương pháp này sẽ ảnh hưởng đến hương vị của các loại cây này, cả chất lượng dinh dưỡng và hương vị vẫn chưa được đánh giá toàn diện bởi các phòng thí nghiệm độc lập và các cơ quan chính phủ".

Nguyễn Tiến Hải theo Sciencedaily.