|
 Đang trực tuyến :
14 |
|
 Số lượt truy cập :
35360560 |
|
|
|
|
|
Thiết kế các loại cây trồng năng lượng sinh học hiệu quả cần ít nước hơn để phát triển
Thứ năm, 19-09-2024 | 08:13:34
|
|
So sánh trực tiếp giữa giống Sorguhum hoang dã và giống đã được cải tiến có ít khí khổng hơn cho thấy cây trồng biến đổi gen có thể duy trì năng suất cây trồng với ít nước hơn. Nguồn: Daniel Lunn/Trung tâm đổi mới năng lượng sinh học và sản phẩm sinh học tiên tiến (CABBI).
Căng thẳng khô hạn từ lâu đã là yếu tố hạn chế sản xuất cây trồng trên toàn thế giới, thách thức này càng trầm trọng hơn do biến đổi khí hậu.
Trong hơn một thế kỷ, các nhà khoa học đã nhắm đến một đặc điểm quan trọng của cây trồng được gọi là hiệu quả sử dụng nước (WUE, water use efficiency ) để giúp cây trồng phát triển với ít nước hơn và tránh bị ức chế do hạn hán. Hiệu quả sử dụng nước (WUE) lớn hơn có thể giúp cây trồng tránh được căng thẳng do khô hạn, nhưng đối với hầu hết các loại cây trồng, nó cũng liên quan đến năng suất thấp hơn khi có nhiều nước.
Trong một cặp nghiên cứu được công bố trên tạp chí Experimental Botany, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Đổi mới Năng lượng sinh học và Sản phẩm sinh học Tiên tiến (CABBI) đã sử dụng kỹ thuật di truyền để thúc đẩy cải thiện hiệu quả sử dụng nước ở các loại cây trồng năng lượng sinh học C4 thân thiện với khí hậu mà không làm giảm năng suất, một bước tiến đáng kể cho sự phát triển của nền kinh tế sinh học bền vững.
Trong nghiên cứu đầu tiên, nhóm CABBI đã có thể giảm lượng nước thoát ra từ cây lúa miến sorghum bằng cách giảm số lượng khí khổng hoặc lỗ khí trên bề mặt lá, cải thiện hiệu quả sử dụng nước mà không hạn chế quá trình quang hợp và sản xuất sinh khối. Các nhà nghiên cứu đã đưa một gen vào cây làm thay đổi mô hình phát triển của chúng và giảm mật độ khí khổng.
"Với các loài C4, chúng tôi nghĩ rằng chúng ta có thể có được bữa trưa miễn phí. Chúng ta có thể cải thiện hiệu quả sử dụng nước mà không phải đánh đổi mức độ phát triển của cây khi cây có đủ nước. Và đó là một trường hợp đặc biệt", Giám đốc CABBI Andrew Leakey, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết.
Các nhà nghiên cứu trong nghiên cứu thứ hai phát hiện ra rằng việc giảm mật độ khí khổng ở mía và các loại cây trồng C4 khác trùng với việc lỗ khí khổng mở rộng hơn. Điều này làm mất đi một số cải thiện dự kiến trong WUE.
Cơ chế cơ bản cho phản ứng này vẫn chưa được hiểu đầy đủ, do đó, khám phá này là mục tiêu mới có giá trị cho việc chế tạo một loại cây trồng hiệu quả hơn nữa.
Leakey, Chủ tịch Michael Aiken và giáo sư tại Khoa Sinh học Thực vật và Khoa học Cây trồng và Viện Sinh học Bộ gen Carl R. Woese (IGB) thuộc Đại học Illinois Urbana-Champaign, cho biết những phát hiện này sẽ giúp tối đa hóa sản lượng nguyên liệu đầu vào cho năng lượng sinh học, hỗ trợ cây trồng giảm thiểu tác động của tình trạng cung cấp nước không đủ và mở ra những hướng nghiên cứu thực vật mới.
Nhà nghiên cứu sau tiến sỹ Daniel Lunn của CABBI thuộc Khoa Sinh học thực vật, IGB và Trung tâm Nông nghiệp kỹ thuật số tại Illinois, tác giả chính của nghiên cứu về mía, cho biết: "Nghiên cứu này mang đến cơ hội thú vị cho các khám phá khoa học và chiến lược kỹ thuật mới".
Trong quá trình quang hợp ở thực vật, năng lượng ánh sáng được thu thập và sử dụng để chuyển đổi nước và carbon dioxide (CO 2) thành các hợp chất hữu cơ giàu năng lượng.
Hiệu quả sử dụng nước đề cập đến lượng cacbon quang hợp mà cây đạt được, hay nói chung hơn là lượng sinh khối được tạo ra, so với lượng nước mà cây sử dụng. Trong các nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu tập trung vào cấp độ lá, đo lượng nước và CO2 đi vào và ra qua khí khổng.
Ở phần lớn các loài thực vật và phần lớn các nỗ lực nhằm tăng hiệu quả sử dụng dụng nước ở thực vật, các nhà khoa học phải đối mặt với sự đánh đổi kìm hãm sự cải thiện cây trồng: Làm cho chúng tiết kiệm nước hơn sẽ làm giảm năng suất vốn có, lượng carbon quang hợp và tốc độ tăng trưởng của chúng. "Và do đó, chúng phát triển tốt hơn khi không có đủ nước, nhưng chúng lại kém hơn khi có đủ nước. Theo quan điểm nông nghiệp rộng hơn, đó là một sự đánh đổi khá không mong muốn", Leakey cho biết.
Nhưng các loại cây trồng C4 - bao gồm lúa miến, mía và miscanthus, các loại cây trồng năng lượng sinh học mục tiêu của CABBI, được xây dựng theo cách khác. Chúng có "phiên bản quang hợp được phun nhiên liệu" tập trung CO2 bên trong lá trước khi thu giữ, "trong khi hầu hết các loại cây đều giống như một chiếc xe Ford Model T, chạy bằng động cơ hút khí tự nhiên", Leakey cho biết.
Mặc dù cây trồng C4 chỉ chiếm 5% trong tổng số các loài thực vật, nhưng chúng đang trở nên quan trọng hơn đối với sản xuất nông nghiệp về thực phẩm, nhiên liệu và chất xơ. Chúng là những ví dụ quan trọng về cây trồng sinh khối mới nổi, bao gồm mía và miscanthus, giúp cô lập carbon đồng thời tạo nền tảng để tạo ra các sản phẩm sinh học.
Leakey cho biết, với nghiên cứu mới về hiệu quả sử dụng nước, "chúng tôi đang sử dụng những loại cây vốn đã có lợi thế làm cây trồng và sau đó có khả năng cải tạo chúng tốt hơn mà không làm giảm lượng carbon hấp thụ".
Nhóm nghiên cứu đang khám phá phương pháp tiếp cận kỹ thuật này ở nhiều loài thực vật CABBI hơn và tinh chỉnh thiết kế. Công trình đột phá về miscanthus của các nhà nghiên cứu khác trong nhóm Sản xuất nguyên liệu của CABBI, giải trình tự bộ gen miscanthus và phát triển các kỹ thuật chỉnh sửa gen đầu tiên sẽ "cho phép chúng tôi theo đuổi chiến lược kỹ thuật này trong một loại cây trồng nguyên liệu lâu năm mới nổi rất quan trọng có khả năng cô lập nhiều carbon", Leakey cho biết.
Ông nói thêm: "Việc khắc phục những hạn chế về nước đối với sản xuất cây trồng thực sự đóng vai trò rất quan trọng trong việc thực hiện sứ mệnh của chúng ta là xây dựng nền kinh tế sinh học có lợi nhuận, bền vững và có khả năng phục hồi".
Leakey cho biết lá, rễ và các đặc điểm khác của thực vật đã tiến hóa để giải quyết sự đánh đổi cơ bản giữa lượng carbon hấp thụ và lượng nước mất đi trong quá trình quang hợp và những quá trình đó có tác động lớn đến nơi cây trồng có thể phát triển mà không cần tưới tiêu.
Việc phát triển các loại cây trồng cần ít nước hơn từ 10% đến 20% có thể mở rộng vùng nông nghiệp không cần nước mưa của Hoa Kỳ về phía tây hơn nữa và cho phép nông dân trong vùng trồng trọt hiện tại duy trì vụ thu hoạch có lãi ngay cả trong những năm không có đủ lượng mưa - một mối đe dọa thường xuyên hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
Leakey cho biết: "Một phần trong những gì chúng tôi đang cố gắng thực hiện ở đây là duy trì năng suất cao hơn ở những thời điểm và địa điểm mà nguồn cung cấp nước không đủ".
Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org
|
Trở lại
In
Số lần xem: 227
|
|
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|
(308).png "Thiết kế các loại cây trồng năng lượng sinh học hiệu quả cần ít nước hơn để phát triển")
