Loại cây nhỏ kỳ lạ này có thể giúp thúc đẩy năng suất cây trồng

Phaeoceros laevis, một loài rêu sừng thường được biết đến với tên gọi rêu sừng trơn. Nguồn: Des Callaghan.

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã phát hiện ra một thủ thuật phân tử đáng chú ý được sử dụng bởi một nhóm thực vật trên cạn độc đáo, một thủ thuật mà cuối cùng có thể được ứng dụng vào các loại cây trồng như lúa mì và gạo để tăng đáng kể hiệu quả chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành thức ăn.

Nghiên cứu này, do các nhà nghiên cứu tại Viện Boyce Thompson (BTI), Đại học Cornell và Đại học Edinburgh dẫn đầu, tập trung vào một vấn đề cơ bản trong nông nghiệp: Enzyme chịu trách nhiệm thu giữ carbon dioxide từ không khí trong quá trình quang hợp - gọi là Rubisco - hoạt động chậm và kém hiệu quả.

“Rubisco có thể được coi là enzyme quan trọng nhất trên hành tinh vì nó là điểm khởi đầu cho gần như toàn bộ lượng carbon trong thức ăn chúng ta ăn”, giáo sư Fay-Wei Li thuộc BTI, đồng chủ trì nghiên cứu, cho biết. “Nhưng nó hoạt động chậm và dễ bị tác động bởi oxy, điều này gây lãng phí năng lượng và hạn chế hiệu quả sinh trưởng của cây trồng”.

Một số sinh vật đã tiến hóa một cách thức khéo léo để khắc phục vấn đề. Nhiều loài tảo đóng gói enzyme Rubisco vào các ngăn nhỏ chuyên biệt bên trong tế bào của chúng gọi là pyrenoid - về cơ bản là những bong bóng siêu nhỏ tập trung khí carbon dioxide xung quanh enzyme, giúp nó hoạt động hiệu quả hơn nhiều.

Các nhà khoa học từ lâu đã mơ ước lắp đặt hệ thống tăng áp này vào cây trồng lương thực, vốn thiếu pyrenoid. Nhưng việc chuyển giao cơ chế hoạt động của tảo lại tỏ ra vô cùng khó khăn.

Bước đột phá đến từ việc nghiên cứu rêu sừng – loài thực vật trên cạn duy nhất được biết đến có các ngăn tập trung CO₂ tương tự như ở tảo. Bởi vì rêu sừng có lịch sử tiến hóa gần đây hơn với cây trồng so với tảo, nhóm nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng bộ máy phân tử của chúng có thể được chuyển giao dễ dàng hơn. Những gì họ tìm thấy lại ngoài sức tưởng tượng.

“Chúng tôi cho rằng rêu sừng sẽ sử dụng một chất tương tự như tảo – một loại protein riêng biệt giúp tập hợp Rubisco lại với nhau”, Tanner Robison, nghiên cứu sinh làm việc với Li và là đồng tác giả chính của bài báo, cho biết. “Thay vào đó, chúng tôi phát hiện ra rằng chúng đã tự biến đổi Rubisco để thực hiện công việc đó”.

Điểm mấu chốt nằm ở một thành phần protein bất thường mà các nhà nghiên cứu đã đặt tên là RbcS-STAR. Rubisco được cấu tạo từ các mảnh protein lớn và nhỏ. Ở rêu sừng, một phiên bản của mảnh nhỏ này mang thêm một đuôi – vùng STAR – hoạt động như một loại khóa dán phân tử, khiến các protein Rubisco kết tụ lại thành hình chòm sao.

Để kiểm tra xem STAR có thể hoạt động bên ngoài loài rêu sừng bản địa của nó hay không, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt thí nghiệm. Đầu tiên, họ đưa RbcS-STAR vào một loài rêu sừng có quan hệ gần gũi nhưng thiếu thể pyrenoid. Kết quả: Rubisco đã được tổ chức lại từ sự phân bố rải rác thành các cấu trúc tập trung, giống như thể pyrenoid.

Sau đó, họ tiến hành thí nghiệm tương tự trên cây Arabidopsis, một loại cây thường được sử dụng trong nghiên cứu phòng thí nghiệm. Một lần nữa, Rubisco tạo thành các ngăn đặc bên trong lục lạp của cây.

“Chúng tôi thậm chí đã thử gắn riêng phần đuôi STAR vào Rubisco bản địa của Arabidopsis và nó đã tạo ra hiệu ứng tập hợp tương tự”, Alistair McCormick , giáo sư tại Đại học Edinburgh, đồng chủ trì nghiên cứu, cho biết. “Điều đó cho chúng ta biết STAR thực sự là động lực chính. Nó là một công cụ dạng mô-đun có thể hoạt động trên các hệ thống thực vật khác nhau”.

Khả năng ứng dụng rộng rãi này chính là điều khiến phát hiện này trở nên quan trọng đối với nông nghiệp. Nó cho thấy các nhà nghiên cứu có thể kích hoạt sự tập trung của Rubisco trong cây trồng bằng cách đưa vào một loại "khóa dán" phổ quát duy nhất, thay vì phải trải qua những quy trình phức tạp và tốn kém.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng vẫn còn những thách thức. Hiện tại cần một hệ thống đường ống dẫn khí để cung cấp CO₂ cho Rubisco. “Chúng tôi đã xây dựng một ngôi nhà Rubisco, nhưng nó sẽ không hiệu quả nếu chúng tôi không nâng cấp hệ thống HVAC”, Laura Gunn , trợ lý giáo sư tại Đại học Cornell, người đồng dẫn đầu nghiên cứu, cho biết. Nhóm nghiên cứu hiện đang nỗ lực giải quyết thách thức này.

Tuy nhiên, phát hiện này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong một lĩnh vực có tiềm năng tác động to lớn. Việc cải thiện hiệu quả quang hợp, dù chỉ ở mức độ khiêm tốn, cũng có thể làm tăng năng suất cây trồng đồng thời giảm thiểu tác động môi trường của nông nghiệp – một mục tiêu quan trọng khi thế giới đang hướng tới sản xuất lương thực bền vững hơn.

“Nghiên cứu này cho thấy thiên nhiên đã thử nghiệm những giải pháp mà chúng ta có thể học hỏi”, Li nói. “Nhiệm vụ của chúng ta là hiểu rõ những giải pháp đó để áp dụng chúng vào những nơi cần thiết nhất - trong các loại cây trồng nuôi sống thế giới”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Boyce Thompson.