Cung cấp thường xuyên magiê có thể tối ưu hóa năng suất cây trồng

Nguồn: CC0 Public Domain.

Quá trình nền tảng của sự sống trên trái đất là quang hợp, mọi sinh vật đều phụ thuộc trực tiếp hoặc gián tiếp vào quá trình này. Quy trình rất đơn giản: thực vật (và các sinh vật khác có lục lạp, nơi diễn ra quá trình quang hợp và tạo màu xanh đặc trưng cho lá) chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển và các sinh vật bậc cao khác phụ thuộc vào các loài thực vật này hoặc những sinh vật nuôi sống các loại thực vật này duy trì nòi giống của chúng.

Nhưng trong thực tế và đặc biệt tại thời điểm này trong lịch sử sinh học, quá trình này không đơn giản như vậy. Dân số loài người đang tăng với tốc độ chưa từng thấy, tài nguyên chúng ta có không đủ để nuôi sống hàng tỷ người trên trái đất ngày nay. Trong khi các nhà hoạch định chính trị và chính trị gia đang cố gắng tối ưu hóa việc sử dụng các nguồn tài nguyên hiện có, các nhà khoa học đang nỗ lực bằng cách tìm ra cách cải thiện những nguồn tài nguyên bằng cách khám phá liệu quá trình quang hợp tự nhiên có thể được sửa đổi thông qua các công nghệ mới nhất để cải thiện năng suất cây trồng hay không.

Một nhóm các nhà khoa học do Giáo sư Jian Feng Ma dẫn đầu từ Đại học Okayama, Nhật Bản và Giáo sư Zhichang Chen từ Đại học Pujian A & F, Trung Quốc, cũng bắt đầu khám phá quá trình quang hợp này. Trong khi nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào việc cố gắng sửa đổi các phản ứng hóa học trực tiếp liên quan đến quang hợp, nhóm nghiên cứu quyết định xem xét những biến đổi "diel" hoặc các biến đổi xảy ra trong một chu kỳ 24 giờ trong quá trình quang hợp.

Nhiều quá trình quang hợp xuất hiện các biến đổi 24 giờ không lấy gì ngạc nhiên, vì toàn bộ quá trình này phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời. Ngoài điều kiện sáng-tối bên ngoài, những thay đổi “diel” này cũng có thể được điều khiển bởi các cơ chế di truyền bên trong.

Nhưng chính xác những gì các nhà khoa học đã tìm kiếm? "Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào magiê vì nhiều lý do khác nhau", giáo sư Ma giải thích. "Magiê là một chất dinh dưỡng đa lượng thiết yếu cho thực vật, nhưng khoảng 15-35% tổng lượng magiê được phân bổ cho lục lạp, nơi nó không chỉ làm nhiệm vụ như một thành phần cấu trúc của diệp lục mà còn là chất kích hoạt cho một số enzyme quang hợp. Điều này có nghĩa là việc nghiên cứu thay đổi trong magiê có thể làm sáng tỏ khía cạnh chức năng quan trọng và mục tiêu tiềm năng cho sự quang hợp”.

Phiến lá của cây lúa được lấy mẫu cứ mỗi 2 giờ trong 2 ngày. Biểu hiện của gen OsMGT3 so sánh lúc 0 giờ. Nguồn: 2020 Nature Plants.

Thông qua các nghiên cứu gen trên cây lúa (kết quả được công bố trên Nature Plants), các nhà nghiên cứu đã quyết định thu hẹp một chất vận chuyển ion magiê OsMGT3, được tìm thấy trong lục lạp và được biết hoạt động nhịp nhàng trong các tế bào "mesophyll", những tế bào chuyên biệt cho quang hợp.

Họ đã tạo ra những cây lúa biến đổi gen mà ở đó không có sự hiện diện của OsMGT3, họ phát hiện những cây này hấp thu magiê bị suy giảm đáng kể và giảm biên độ dao động ion magiê tự do trong lục lạp. Điều này dẫn đến sự giảm hoạt động của ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase, một enzyme cơ bản cho quá trình quang hợp, từ đó dẫn đến giảm mức độ quang hợp. Tiếp theo, thông qua các kỹ thuật di truyền, họ đã gây ra sự sản xuất quá mức OsMGT3 trong các tế bào trung mô ở cây lúa bình thường và thấy rằng hiệu quả quang hợp và tăng trưởng được cải thiện ở những cây này.

Các thí nghiệm đã chứng minh rằng OsMGT3 kiểm soát một phần biến động magiê trong lục lạp và những biến động này có thể góp phần vào các hoạt động của enzyme phụ thuộc vào magiê để quang hợp trong chu kỳ hàng ngày.

Vậy điều gì giúp chúng ta tối ưu hóa năng suất cây trồng và nuôi sống quần thể? Giáo sư Ma tuyên bố rằng những phát hiện mở ra những con đường chưa được khám phá và "Các nghiên cứu của chúng tôi đưa magiê vào ánh đèn sân khấu. Điều chỉnh đưa magiê vào lục lạp có thể là một cách tiếp cận hiệu quả nhằm cải thiện quang hợp ở thực vật và cuối cùng có thể cải thiện năng suất cây trồng".

Nghiên cứu này, cùng với các nghiên cứu trong tương lai sẽ chứng minh chính xác magiê nên được nhắm đến như thế nào, có thể là một câu trả lời tiềm năng cho tình trạng thiếu hụt lương thực toàn cầu.

Nguyễn Bình Duy theo Phys.org