Lá lớn không phải luôn luôn tốt: lá nhỏ hơn giúp tối ưu hóa việc sử dụng ánh sáng ở cây đậu tương

Thí nghiệm thực địa đậu tương với các dòng lá hẹp và lá rộng. Nguồn: Bishal Tamang.

Trong nỗ lực hiểu rõ hơn về cách cây đậu tương hấp thụ và sử dụng ánh sáng, các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign đã điều tra xem kích thước và hình dạng lá ảnh hưởng như thế nào đến sự phân bố ánh sáng trong tán cây. Sử dụng các phương pháp di truyền có kiểm soát, nhóm nghiên cứu đã thay đổi hình dạng lá đậu tương và phát hiện ra rằng lá hẹp hơn có thể cải thiện hiệu quả sử dụng ánh sáng sẵn có của cây.

Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Plant Physiology, do Giám đốc RIPE và Chủ tịch Charles Adlai Ewing về Sinh lý học cây trồng Lisa Ainsworth dẫn đầu.

“Chỉ bằng cách thay đổi hình dạng lá từ rộng sang hẹp thông qua một gen duy nhất, chúng tôi đã giảm tổng diện tích lá trên cây đậu tương của mình xuống 13% mà không làm giảm năng suất. Điều này có nghĩa là cây trồng đang làm được nhiều hơn với ít tài nguyên hơn - về cơ bản chúng đang trở nên hiệu quả hơn trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành hạt giống”, Bishal Tamang, nhà nghiên cứu sau tiến sỹ trong nhóm của Ainsworth và là tác giả chính của bài báo, cho biết.

Đậu tương là một trong những cây trồng quan trọng nhất trên thế giới và là nguồn cung cấp protein, dầu và thức ăn chăn nuôi chính. Cây đậu tương phát triển tán lá dày đặc với nhiều tầng lá. Khi cây phát triển, các tầng lá phía trên tiếp xúc với ánh nắng mặt trời sẽ chặn ánh sáng chiếu xuống các tầng lá phía dưới bị che khuất. Có sự biến đổi tự nhiên về diện tích và kích thước lá đậu tương, có loại dài và mảnh, có loại to và tròn. Tuy nhiên, các giống đậu tương hiện đại có xu hướng tiêu tốn năng lượng dư thừa để phát triển lá to tạo thành tán lá dày đặc, trong khi năng lượng đó có thể được sử dụng để phát triển cây đậu tương.

“Bạn có thể tưởng tượng rằng khi lá to và tròn, phần ngọn cây che phủ toàn bộ tán lá và phần dưới thường bị thiếu ánh sáng. Nhưng nếu chúng ta làm cho lá hẹp hơn, chúng ta sẽ mở rộng chiều cao của tán lá. Điều đó có nghĩa là chúng ta đang cải thiện hiệu quả sử dụng ánh sáng của cây”, Tamang nói.

Công trình này được thực hiện như một phần của dự án RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), một sự hợp tác nghiên cứu quốc tế tập trung vào việc cải thiện cách cây lương thực sử dụng ánh sáng mặt trời. Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One) và đóng góp vào mục tiêu Tối ưu hóa tán cây của RIPE, nghiên cứu về cách phân bố ánh sáng trong tán cây trồng.

Đặc điểm lá hẹp ở cây đậu tương được kiểm soát bởi một gen duy nhất – GmJAG1. Sử dụng các chiến lược lai tạo có kiểm soát, các nhà nghiên cứu đã thay đổi biểu hiện gen của GmJAG1 để phát triển 204 dòng cây đậu tương khác nhau. Những dòng này thể hiện nhiều hình dạng lá khác nhau, trong khi vẫn có mã di truyền gần như giống hệt nhau.

Họ so sánh năng suất của cây (số quả và số hạt trên quả) với sự khác biệt về chỉ số diện tích lá (diện tích lá trên một đơn vị diện tích đất) để xác định xem tán cây đậu tương có lá hẹp có hiệu quả sử dụng ánh sáng tốt hơn hay không. Kết quả cho thấy đối với các dòng lá hẹp, diện tích lá tán có thể giảm 13% mà không ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất đậu tương. Việc giảm diện tích lá tán cho thấy ánh sáng xuyên qua tán cây tốt hơn. Cây đậu tương có lá hẹp cũng cho tỷ lệ quả đậu tương có 4 hạt cao hơn.

Những phát hiện này thách thức các chiến lược lai tạo đậu tương truyền thống vốn dẫn đến sự thâm nhập ánh sáng không tối ưu vào tán cây và cho thấy rằng việc kiểm soát hình dạng lá bằng một gen duy nhất thông qua GmJAG1 là một cách tiếp cận tốt để tạo ra các dòng đậu tương sử dụng tài nguyên hiệu quả.

“Trong dự án RIPE, chúng tôi đang thử nghiệm các chiến lược chuyển gen khác nhau để cải thiện hiệu quả quang hợp. Chúng tôi đã sử dụng các mô hình tính toán để chứng minh rằng nhiều chiến lược trong số đó sẽ hiệu quả hơn trong môi trường ánh sáng mạnh. Các dòng đậu tương của chúng tôi với diện tích lá nhỏ hơn cung cấp cấu trúc tán cây được cải thiện mà chúng tôi nghĩ rằng sẽ làm tăng khả năng đạt được hiệu quả quang hợp cao hơn với các phương pháp chuyển gen của chúng tôi”, Ainsworth nói.

Trong tương lai, những thay đổi về cấu trúc tán cây này có thể được kết hợp với các chiến lược khác để tăng hiệu quả sử dụng ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng nhằm tăng sản lượng đậu tương tổng thể.

“Ngoài việc cải thiện quang hợp tán cây và năng suất, chúng tôi cũng muốn cải thiện hiệu quả sử dụng nước của cây trồng để đối phó với một thế giới ấm lên với nhu cầu bốc hơi lớn hơn”, Ainsworth nói.

Võ Như Cầm theo Dự án RIPE.