Từ trái sang phải: Emily Gibson (Cornell), Liana Acevedo-Siaca (Illinois), Coralie Salesse-Smith (Illinois). Nguồn: Claire Benjamin/dự án RIPE.

Thiếu nước là một trong những yếu tố hạn chế đáng kể nhất đối với năng suất nông nghiệp toàn cầu, một yếu tố càng bị làm trầm trọng thêm do biến đổi khí hậu toàn cầu, theo báo cáo về nước năm 2019 của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc (FAO). Kết quả là các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đã và đang làm việc để cải thiện hiệu quả sử dụng nước trên cây trồng để đối phó tốt hơn với các điều kiện khan hiếm nước.

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Tạp chí Experimental Botany, một nhóm từ Đại học Illinois, Trung tâm Volcani (Tổ chức Nghiên cứu Nông nghiệp, Israel) và Đại học Cambridge đã phát hiện ra rằng bằng cách biểu hiện vượt mức một loại enzyme cảm nhận đường, được gọi là hexokinase, ở trên cây thuốc lá được trồng ngoài đồng ruộng, có thể cải thiện hiệu quả sử dụng nước nội tại (iWUE) mà không làm giảm tốc độ quang hợp hoặc sản xuất sinh khối.

Thuốc lá được sử dụng như một loại cây mô hình vì nó tương đối dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm, nhà kính và đồng ruộng. Kết quả ở cây trồng này có thể được nhìn thấy với tốc độ nhanh hơn nhiều so với cây lương thực, mà vốn khó khăn và tốn nhiều thời gian hơn để điều chỉnh, thay đổi và phát triển. Do đó, thuốc lá đã được chọn làm cây trồng thử nghiệm ban đầu để xem liệu có thể chứng minh được kết quả tương tự hay không. Sau khi cho thấy thành công trong vụ mô hình, các nhà nghiên cứu có thể tự tin phản ánh sự phát triển của những cây lương thực, chẳng hạn như sắn, đậu đũa, lúa và đậu tương.

Nghiên cứu này cho thấy tiềm năng tạo ra các cây trồng sử dụng nước tiết kiệm hơn trong suốt mùa sinh trưởng trong điều kiện đồng ruộng và hạn chế nước vừa phải, mà không ảnh hưởng đến năng suất một cách đáng kể. Đối với nông dân, điều này có thể làm giảm sự cạn kiệt nước trong đất và giảm sự phụ thuộc vào tưới tiêu.

Công trình nghiên cứu này là một phần của việc Thực hiện gia tăng hiệu quả quang hợp (RIPE), một dự án nghiên cứu quốc tế nhằm tăng sản lượng lương thực toàn cầu bằng cách phát triển các loại cây lương thực biến năng lượng mặt trời thành lương thực hiệu quả hơn.

Trong quá trình quang hợp, thực vật mở các lỗ nhỏ trên lá, gọi là khí khổng, để hấp thụ CO₂. Tuy nhiên, khi các lỗ nhỏ mở ra, nước cũng được phép thoát ra ngoài qua quá trình thoát hơi nước. Điều này khiến thực vật phải đánh đổi giữa việc mất quá nhiều nước để hấp thụ CO₂.

Liana Acevedo-Siaca, người đứng đầu nghiên cứu này tại Illinois trong thời gian là nhà nghiên cứu sau tiến sỹ cho biết: “Các lỗ nhỏ khí khổng bao gồm một cặp tế bào bảo vệ kiểm soát việc mở và đóng của lỗ chân lông. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng thao tác di truyền của các yếu tố tín hiệu kích hoạt chuyển động của khí khổng, chẳng hạn như biểu hiện quá mức Arabidopsis Hexokinase 1 (AtHXK1) trong các tế bào bảo vệ, có thể kích thích sự đóng khí khổng và điều chỉnh sự đánh đổi đó đối với thực vật”. Acevedo-Siaca hiện là Nhà khoa học liên kết trong Chương trình Lúa mì Toàn cầu tại Trung tâm Cải tiến Ngô và Lúa mì Quốc tế (CIMMYT) ở Mexico.

Trước đây, người ta đã chỉ ra rằng sự biểu hiện nhắm mục tiêu của tế bào bảo vệ của AtHXK1 có thể cải thiện WUE ở cây trồng, cũng như khả năng chống chịu của chúng đối với điều kiện hạn hán và bất lợi do mặn vì hexokinase báo hiệu cho các lỗ rỗng rằng có đủ đường, loại bỏ nhu cầu cố định nhiều CO₂ hơn. Tuy nhiên, những nghiên cứu trước đây chỉ được đánh giá trên cây trồng trong môi trường được kiểm soát, chẳng hạn như nhà kính.

“Để nâng cao hiểu biết của chúng tôi về lợi ích tiềm năng của AtHXK1 nhắm mục tiêu tế bào bảo vệ, nghiên cứu của chúng tôi đã sử dụng hai dòng chuyển gen đồng hợp tử biểu hiện AtHXK1 và một dòng có biểu hiện quá mức AtHXK1 nhắm mục tiêu tế bào bảo vệ đã được đánh giá so với loại hoang dã được trồng ngoài đồng để kiểm tra WUE cho các đặc điểm liên quan đến quang hợp và năng suất”, Johannes Kromdijk, trợ lý giáo sư tại Đại học Cambridge, người đã bắt đầu nghiên cứu này vào năm 2018 cho biết.

“Kết quả của chúng tôi đã xác nhận rằng sự biểu hiện quá mức của AtHXK1 làm giảm năng suất. Chúng tôi cũng đã chỉ ra rằng sự biểu hiện quá mức của AtHXK1 nhắm vào tế bào bảo vệ có thể cải thiện iWUE so với loại hoang dã mà không ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình đồng hóa CO₂. Tuy nhiên, sự khác biệt này phụ thuộc nhiều vào tuổi lá và lượng mưa”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org