Các loại cây trồng mà chúng tôi trồng trên cánh đồng thường tạo thành những tán cây rậm rạp với nhiều lá chồng xếp lên nhau, sao cho những "lá mặt trời" lá non ở đỉnh tán được hứng ánh sáng mặt trời đầy đủ hơn so với những "lá bóng râm" lá già hơn ở phía dưới. Để tối đa hóa quá trình quang hợp, hiệu quả sử dụng tài nguyên và năng suất, lá mặt trời (lá non) thường tối đa hóa hiệu quả quang hợp ở ánh sáng cao, trong khi lá bóng râm (lá già) tối đa hóa hiệu quả khi ánh sáng yếu.

"Tuy nhiên, trong một số cây trồng quan trọng nhất của chúng tôi, sự thích nghi không tốt này gây ra không hiệu quả quang hợp ở lá dưới đáy tán, làm hạn chế khả năng quang hợp và tạo ra năng suất của cây", Charles Pignon, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Illinois đã nói. "Để giải quyết vấn đề này, điều quan trọng là phải biết đây có phải là nguyên nhân của những lá già hơn hoặc tiếp xúc với môi trường ánh sáng khác ở dưới cùng của tán cây".

Câu hỏi này đã được trả lời trong một nghiên cứu gần đây, công bố trên tạp chí Frontiers in Plant Science, nơi mà các nhà nghiên cứu từ Đại học Illinois và Đại học Oxford đã làm việc với đối tượng cây bắp (ngô) và cây trồng năng lượng sinh học Miscanthus để thấy rằng sự suy giảm hiệu quả của những lá ở dưới cùng của tán không phải do tuổi của chúng mà do môi trường ánh sáng bị thay đổi.

Quang hợp là quá trình tự nhiên mà thực vật sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng. Thực vật thường rơi vào hai loại quang hợp chính đó là chu trình quang hợp C3 và C4. Sự khác biệt giữa các loại này là thực vật C4 có cơ chế tổng hợp carbon dioxide bên trong lá của chúng, cho phép chúng quang hợp hiệu quả hơn. Tuy nhiên, hầu hết thực vật, cây cối và cây trồng đều hoạt động bằng cách sử dụng quá trình quang hợp C3 kém hiệu quả.

Cả lá non (lá hướng phía mặt trời) và lá bóng râm (lá già) đều góp phần vào quá trình đồng hóa carbon quang hợp, tạo ra các loại đường nuôi sống cây và năng suất nhiên liệu. Do đó, quang hợp tán thấp hơn là một quá trình quan trọng ảnh hưởng đến năng suất của toàn bộ cây, với ước tính khoảng 50% tổng lượng carbon tán cây được đóng góp bởi lá cây che bóng.

Các nghiên cứu trước đây về thực vật C3 đã chỉ ra rằng lá che bóng thường hiệu quả hơn lá non hướng mặt trời ở cường độ ánh sáng thấp, nghĩa là lá che bóng thích nghi với môi trường ánh sáng yếu của chúng. Tuy nhiên, một nghiên cứu trước đây của Pignon và Long đã chỉ ra rằng đây không phải là trường hợp của tất cả các cây. Các tán cây ngô và Miscanthus, cây trồng C4 thường quang hợp hiệu quả hơn so với cây trồng C3, có lá che bóng kém hiệu quả về mặt quang học, đề nghị điều chỉnh ở những cây trồng quan trọng này.

"Lá bóng râm (lá già) nhận được rất ít ánh sáng, vì vậy chúng thường trở nên rất hiệu quả khi sử dụng ánh sáng yếu", Pignon, hiện là nhà sinh lý học thực vật tại Benson Hill ở St. Louis đã cho biết. "Về cơ bản, chúng tận dụng tối đa những gì của ánh sáng mà chúng nhận được. Tuy nhiên, trong các cây trồng C4 mà chúng tôi nghiên cứu, lá bóng râm trong những cây trồng này không chỉ nhận được rất ít ánh sáng, mà chúng còn sử dụng nó ít hiệu quả hơn. Có một sự không thích nghi rất tốn kém ở cây trồng mà cho năng suất cao ở cây trồng khác, do đó chúng tôi gọi đó là gót chân A-sin (Achilles heel)".

Với sáu đến tám lớp lá trong các vụ ngô hiện đại của chúng ta, hầu hết các lá đều bị che bóng và có thể chiếm một nửa sự tăng trưởng của cây trong giai đoạn quan trọng của việc lấp đầy hạt.

Raven, người vừa tốt nghiệp từ Oxford với kế hoạch theo đuổi tiếp chương trình tiến sĩ đã cho biết: "Trong nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu ước tính rằng việc thích nghi không tốt này đã gây ra sự mất 10% trong khả năng quang hợp tán cây tiềm năng. Về cơ bản có hai lý do tiềm năng: tuổi của lá hoặc điều kiện ánh sáng, vì vậy chúng tôi đã nghiên cứu yếu tố nào gây ra sự không hiệu quả này".

Collison và Raven, đồng tác giả đầu tiên của bài báo mới xuất bản này, đã thu thập dữ liệu và phân tích hiệu suất định lượng tối đa của quang hợp - hiệu quả tối đa mà ánh sáng được sử dụng để đồng hóa carbon - trong các lá có cùng độ tuổi theo thứ tự thời gian nhưng môi trường ánh sáng khác nhau để khám phá cây trồng gót A-sin (‘Achilles heel'). Điều này đạt được bằng cách so sánh các lá cùng tuổi ở trung tâm các ô của các loài này so với các lá ở rìa phía nam của các ô. Từ đó, họ đã chỉ ra rằng hiệu quả quang hợp kém của những chiếc lá thấp hơn của những cây trồng này là do điều kiện ánh sáng thay đổi và không phải do tuổi tác.

Ngô (trái) and Miscanthus (phải).

"Ngô và Miscanthus đều có liên quan chặt chẽ với cây mía và lúa miến (mạch), vì vậy các cây trồng C4 khác có thể có khả năng mất hiệu quả quang hợp do môi trường ánh sáng gây ra", Collison, người cũng đã tốt nghiệp từ Oxford và có thể theo đuổi tiếp chương trình nghiên cứu sau đại học đã giải thích. "Bằng cách tìm ra nguyên nhân của sự mất hiệu quả này, chúng ta có thể bắt đầu xem xét các giải pháp tiềm năng, thay đổi các cây trồng để cải thiện năng suất của chúng".

Chương trình nghiên cứu sinh mùa hè Illinois

Chương trình ISF đã xây dựng một môi trường nơi các Nghiên cứu sinh có sự độc lập cần thiết để phát triển như các nhà khoa học trong khi biết rằng họ có sự hỗ trợ và khuyến khích của các giám sát viên của họ. Các nghiên cứu sinh được kết hợp với một giám sát viên khoa học để hỗ trợ họ với một yếu tố cụ thể của dự án nhằm tăng hiệu quả quang hợp và/hoặc sử dụng nước của cây trồng. Chương trình nhằm cung cấp một trải nghiệm bổ ích giúp sinh viên phát triển như các nhà khoa học, và cuối cùng, xem xét theo đuổi sự nghiệp trong sinh học thực vật.

"Cơ hội du lịch đến một quốc gia khác và thực hiện nghiên cứu có ý nghĩa trong môi trường thế giới thực cùng với những người cố vấn trong lĩnh vực của họ là vô giá", Long, người đã phát động và chỉ đạo chương trình ISF tại Viện Sinh học Gen Carl R. Woese đã cho biết. "Vào cuối thời gian ở Illinois, các nghiên cứu sinh của chúng tôi đã bày tỏ rằng kinh nghiệm này cho phép họ đóng góp cho thế giới và lấy lại những kỹ năng quý giá mà họ có thể áp dụng trong nỗ lực tương lai của họ như những người đổi mới trong lĩnh vực nông nghiệp và hơn thế nữa".

Raven cũng chia sẻ những hiểu biết của cô về giá trị của việc nghiên cứu tại Illinois và những khác biệt có thể có trong các môi trường học tập hoặc công việc khác. "Khi bạn đang tham dự các bài giảng hoặc các lớp học thực tế, bạn sẽ không bao giờ có cảm giác sở hữu thực sự các dự án của riêng mình bởi vì bạn chỉ làm theo bất cứ điều gì giáo sư của bạn khuyên bảo bạn làm", Raven đã nói. "Nhưng việc sở hữu bài báo này tại Illinois rất đáng hài lòng. Thật thú vị khi trở thành một phần của một thứ gì đó lớn hơn chúng ta và cuối cùng sẽ giúp nông dân ở các quốc gia khác trồng thực phẩm bền vững hơn".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Sciencedaily.