Các nhà khoa học khai thác tiềm năng liên quan đến khả năng chịu lạnh của cây trồng

Bằng cách phân tích các mặt cắt ngang của các lá cây, các nhà khoa học đã bác bỏ lý thuyết lâu dài rằng một số cây cỏ rất nhạy cảm với lạnh vì chúng thiếu khoảng không trong các lá của chúng mà cần để tăng hiệu quả quang hợp ở nhiệt độ thấp. Ảnh: Charles Pignon, Marjorie Lundgren, Colin Osborne, and Stephen Long.

Khi nhiệt độ giảm xuống, vai trò của enzyme Rubisco lên sự sinh trưởng và năng suất cây trồng trở nên suy giảm. Nhiều cây trồng bù đắp lại bằng cách sản xuất nhiều Rubisco hơn, tuy nhiên, các nhà khoa học đã suy đoán rằng một số loại cây trồng có thể thiếu khoảng không trong lá để thúc đẩy quá trình sản sinh enzyme này, khiến chúng nhạy cảm với lạnh hơn. Một nghiên cứu mới của Đại học Illinois và Viện Công nghệ Massachusetts bác bỏ lý thuyết này nhưng cũng phát hiện ra rằng các loại cây trồng này khó đạt được tiềm năng quang hợp của chúng.

Các nhà khoa học cây trồng đã biết đậu nành, lúa và các loại cây trồng C3 khác có khoảng không nhiều để chứa Rubisco trong lá của chúng. Tuy nhiên, các cây trồng C4 - chẳng hạn như bắp và mía - sử dụng các tế bào mesophyll để chuyển carbon dioxide theo con đường sinh hóa vào các tế bào bên trong của chúng, được gọi là bao mạch của lá, nơi Rubisco cư trú trong các mức nồng độ carbon dioxide mà cao gấp 10 lần so với mức khí quyển. Càng nhiều carbon dioxide càng giúp Rubisco hiệu quả hơn.
 

Stephen Long, Chủ tịch Đại học Khoa học cây trồng và Sinh học thực vật của Ikenberry Endowed tại Viện Sinh học Hệ gen sinh học Carl R. Woese ở Illinois đã bày tỏ "Nhưng bằng cách cô lập enzyme chỉ là một phần của lá, liệu có đủ khoảng không cho lượng Rubisco lớn hơn khi cần ở nhiệt độ thấp hơn không?".

Được xuất bản trong Tạp chí Journal of Experimental Botany, công trình đã đo khoảng không của lục lạp giữ Rubisco nằm ở trong bao mạch lá của bắp, mía, cũng như cỏ Miscanthus chịu lạnh. Nhóm nghiên cứu kết luận rằng các khoảng không của lục lạp trong các cây C4 này là đủ để giữ nhiều hơn lượng Rubisco cho việc quang hợp ở nhiệt độ thấp. Một cách bất thường, cây Miscanthus có lục lạp nhỏ nhất, cho thấy không có liên quan giữa khoảng không của lục lạp với khả năng chịu lạnh của cây.
 

"Tuy nhiên, những cây trồng này vẫn không thể đạt được tiềm năng quang hợp tối đa của chúng", tác giả chính Charles Pignon, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Illinois, cho biết công trình được hỗ trợ bởi nguồn tài trợ của Edward William và Jane Marr Gutgsell. "Bây giờ chúng tôi đã loại trừ khoảng không (của lục lạp) như là một yếu tố hạn chế, chúng tôi cần phải khám phá những yếu tố khác đang tác động đến khả năng chịu lạnh của những loại cây trồng quan trọng này".

Bằng cách khám phá ra vấn đề then chốt đối với việc chống chịu lạnh, các nhà khoa học cây trồng có thể mở rộng vùng sản xuất và mùa vụ của các loại cây trồng này để thúc đẩy sản xuất thực phẩm và năng lượng sinh học trên toàn cầu. Tiếp theo đó, các nhà nghiên cứu lên kế hoạch so sánh tính chịu lạnh của các giống cỏ Miscanthus để tìm ra những khác biệt quan trọng.

Nguyễn Tiến Hải theo Sciencedaily.