Ngô và các cây trồng khác không thích nghi để được hưởng lợi từ mức CO2 cao

Các nhà khoa học đã phân tích 49 loài cỏ và phát hiện ra rằng để cách tái cân bằng các nguồn tài nguyên của lá, cây sẽ phát triển tốt hơn trong khí hậu ngày nay. Ảnh: Từ dự án của WEST thử nghiệm thực hiện trên đa dạng cây hạt kê từ năm 2017.

Thông qua quá trình quang hợp, thực vật có thể biến CO₂ thành sinh khối. Logic cho chúng ta biết rằng nhiều CO₂ hơn sẽ thúc đẩy năng suất canh tác, nhưng một đánh giá mới từ Đại học Illinois cho thấy một số loại cây trồng, bao gồm cả ngô, thích nghi với môi trường tiền công nghiệp và không thể điều phối tài nguyên của chúng một cách hiệu quả để tận dụng thêm CO₂ đang gia tăng.

Hầu hết các loại thực vật (bao gồm đậu nành, lúa gạo, cải dầu và tất cả các loài cây) là cây C3 vì chúng cố định CO₂ thành một carbohydrate chứa ba nguyên tử carbon. Ngô, lúa miến và mía thuộc một nhóm thực vật đặc biệt được gọi là cây C4, vì chúng cố định CO₂ thành một carbohydrate bốn carbon trong quá trình quang hợp. Trung bình, cây C4 có năng suất sinh khối cao hơn 60% so với cây C3.

Khi cây được trồng trong môi trường CO₂ cao, bắt chước điều kiện khí quyển trong tương lai, nghiên cứu cho thấy rằng cây trồng C3 có thể gia tăng năng suất hơn trong khi một số thí nghiệm cho thấy cây trồng C4 sẽ không có năng suất cao hơn trong môi trường có lượng CO₂ cao hơn.

Charles Pignon, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Illinois, cho biết: “Là các nhà khoa học, chúng ta cần phải suy nghĩ trước vài bước để dự đoán Trái đất sẽ trông như thế nào từ 5 đến 30 năm nữa và cách chúng ta có thể tạo ra cây trồng hoạt động tốt trong những điều kiện đó. Chúng tôi quyết định làm một đánh giá tài liệu và một phân tích về những hạn chế sinh hóa trong quá trình quang hợp, điều đó sẽ cung cấp cho chúng tôi một số hiểu biết về lý do tại sao cây C4 có thể không thích ứng với mức CO₂ cao và cách chúng tôi có thể thay đổi điều này".

Bài đánh giá tài liệu được xuất bản trên tạp chí Plant, Cell & Environment, được hổ trợ bởi Water Efficient Sorghum Technologies (WEST), một dự án nghiên cứu nhằm phát triển các loại cây trồng năng lượng sinh học tạo ra nhiều sinh khối hơn với ít nước hơn, với sự tài trợ của Cơ quan Năng lượng-Dự án Nghiên cứu Tiên tiến (ARPA-E).

Nhóm nghiên cứu đã tập hợp một bộ dữ liệu về các phép đo quang hợp từ 49 loài C4, bao gồm cả những loại cây trồng có thể bộc lộ những hạn chế về quang hợp. Mô hình nhất quán nổi lên là ở mức CO₂ thấp - thấp hơn nhiều so với những gì thực vật đã trải qua trước cuộc cách mạng công nghiệp - quá trình quang hợp C4 bị hạn chế bởi hoạt động của enzyme cố định CO₂. Tuy nhiên, ở mức CO₂ ngày nay, quá trình quang hợp C4 bị giới hạn bởi khả năng cung cấp phân tử ba carbon chấp nhận CO₂ thứ tư. Đồng tác giả Stephen Long, Chủ tịch Stanley O. Ikenberry, Giáo sư về Sinh học Thực vật và Khoa học Cây trồng, cho biết: “Phát hiện này tương tự như một dây chuyền lắp ráp xe hơi, nơi cung cấp động cơ nhiều hơn nguồn cung khung gầm để chấp nhận chúng. Chúng ta cần thiết kế các cây trồng này lại để cân bằng tốt hơn các nguồn lực của chúng theo một hoặc cả hai cách".

Đầu tiên, các tác giả đề xuất rằng cây trồng C4 cần cắt giảm lượng enzyme được sử dụng để cố định CO₂ và đầu tư tiết kiệm lại các nguồn lực để tạo ra nhiều phân tử có thể nhận CO₂ hơn.

Thứ hai, chúng cần hạn chế việc cung cấp CO₂ vào lá bằng cách giảm số lượng khí khổng trên bề mặt lá. Long cho biết: “Giảm CO₂ trong lá sẽ tối ưu hóa lại quá trình sinh hóa, mà không làm giảm tốc độ quang hợp và với ít khí khổng hơn, nước sẽ mất ít hơn, vì vậy tăng hiệu quả sử dụng nước của cây trồng”.

Lê Thị Kim Loan theo Phys.org