Nhiệt độ ngày càng tăng: Các nhà khoa học thuộc dự án RIPE cho biết các giống cây trồng có khả năng chống chịu trong tương lai

Nhiệt độ trái đất đang tăng lên và không có dấu hiệu ngừng lại. Điều này có thể trở thành thảm họa cho việc sản xuất cây lương thực, đặc biệt là các vùng vốn đã ấm áp. Ngày nay, các nhà khoa học ở Đại học Illinois và Cục Nghiên cứu Nông nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (ARS) cho thấy việc bỏ qua một sự cố nhỏ của quá trình quang hợp ở các cây trồng thông thường như đậu nành, gạo và lúa mì có thể bảo vệ cây trồng dưới áp lực của nhiệt độ khi trồng trên đồng ruộng.

Hình chụp từ trên cao - Máy sưởi trên đồng ruộng.

“Chúng ta cần sản lượng lương thực tăng gấp đôi vào năm 2050 để nuôi sống dân số đang ngày càng tăng trên toàn thế giới, không những chúng ta không đi đúng hướng để thực hiện việc này mà biến đổi khí hậu còn làm mọi thứ trong tương lai trở nên phức tạp hơn”, Amanda Cavanagh, giảng viên đại học Essex và là thành viên của IGB, tổ chức đã dẫn dắt công việc này đến với những cây trồng có tính chống chịu trong tương lai và bảo vệ mùa màng cho biết.

Nghiên cứu này là một phần của dự án: Thực hiện việc tăng hiệu quả quang hợp - Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), một dự án nghiên cứu quốc tế với mục tiêu tăng sản lượng lương thực trên toàn cầu bằng cách tăng trồng các loại cây lương thực để chuyển năng lượng mặt trời thành thực phẩm một cách hiệu quả hơn với sự hỗ trợ từ quỹ Bill & Melinda Gates, quỹ Nghiên cứu Nông nghiệp và Lương thực, Văn phòng đối ngoại – Khối thịnh vượng chung và phát triển thuộc Vương quốc Anh.

Quang hợp, một quá trình tự nhiên mà tất cả các loài thực vật sử dụng để chuyển ánh sáng mặt trời thành năng lượng và sản lượng, dựa vào enzyme Rubisco để chuyển hóa carbon dioxide thành đường. Ngoài ra, quang hợp cũng tạo ra oxy cho không khí, làm phức tạp thêm công việc của Rubisco. Khoảng 20% thời gian, Rubisco lấy oxy thay vì carbon dioxide dẫn đến kết quả cây trồng phải tốn năng lượng cho quá trình tái sản xuất, quá trình này gọi là quá trình quang hô hấp. Những phát hiện này đã được trình bày chi tiết trong các nghiên cứu trước đây. Trong các điều kiện hiện tại, quá trình quang hô hấp kém hiệu quả này có thể làm giảm năng suất của một số loại cây ngũ cốc như lúa mì khoảng 36%. Phần năng suất bị mất này tương đương với 148 nghìn tỷ calo trong lúa mì và đậu tương, lượng calo có thể cung cấp cho hàng triệu người.

Cavanagh nói tiếp: “Chúng tôi biết khi nhiệt độ tăng sẽ khó phân biệt được giữa carbon dioxide và oxygen, vì thế tốc độ quá trình quang hô hấp tăng lên. Do đó, chúng tôi nghĩ rằng việc phân tích quá trình quang hô hấp có thế là một cách giúp cây trồng hấp thu nhiệt và giảm thiểu những thiệt hại về năng suất do nhiệt độ cao hơn gây ra”.

Từ quan điểm kinh tế, thiệt hại năng suất được báo cáo là khoảng 40-50% ở miền Nam Hoa Hỳ, khiến các nhà sản xuất thiệt hại khoảng 500 triệu USD trong năm 2012. Các nhà sản xuất ở vùng gần xích đạo có thể sẽ bị thiệt hại nhiều hơn do nhiệt độ tăng, vấn đề đã được dự kiến sẽ leo thang do biến đổi khí hậu trên toàn cầu. 

“Sử dụng phương pháp kỹ thuật, chúng tôi đã thiết kế nhiều con đường trao đổi chất thay cho quá trình quang hô hấp. Thử nghiệm đồng ruộng cho thấy việc tăng năng suất dẫn đến việc Amanda đẩy nhanh tiến độ dự án bằng cách tạo các giống cây trồng có khả năng chống chịu các điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt”, theo Paul South – đồng tác giả, thành viên dự án RIPE, trợ lý giáo sư tại Đại học bang Louisiana. “Khi khí hậu thay đổi và nhiệt độ cao làm tăng áp lực cung cấp lương thực trên toàn cầu, người nông dân cần nhiều công cụ có sẵn bao gồm các phương pháp kỹ thuật như tổng hợp sinh học để duy trì mùa vụ an toàn và hiệu quả”.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Plant Biotechnology, Cavanagh, South và các cộng sự đã thử nghiệm các giống cây của họ với quá trình quang hô hấp có hiệu quả hơn để xem chúng có thích nghi tốt với nhiệt độ ấm hơn hay không. Nhóm đã hợp tác với nhà nghiên cứu Carl Bernacchi, thành viên dự án RIPE, nhà nghiên cứu sinh lý thực vật của ARS, họ đã cùng nhau trồng cây thuốc lá trên một cánh đồng có đặt máy sưởi và điều chỉnh nhiệt độ cao hơn 5^oC so với nhiệt độ môi trường xung quanh. Một nửa trong số các cây thuốc lá này là cây biến đổi gen để có quá trình quang hô hấp tốn ít năng lượng hơn.

Kết quả cho thấy các cây biến đổi gen đã cho sinh khối cao hơn 26% so với các cây khác khi trồng ở cùng điều kiện nhiệt độ. Điều này đã mang lại cái nhìn sâu sắc cho các nhà nghiên cứu về cách cải thiện năng suất cây lương thực trong điều kiện khí hậu thay đổi.

Thuốc lá được chọn là cây trồng thử nghiệm ban đầu vì nó tương đối dễ thực hiện và cho kết quả nhanh. Với cây thuốc lá, thời gian để các nhà nghiên cứu thực hiện việc chuyển gen cho đến khi trồng thử nghiệm chỉ trong 12 tháng, so với thời gian 3-5 năm ở với cây lương thực khác. Giờ đây, khái niệm này đã được chứng minh trên cây thuốc lá, nghiên cứu đang thực hiện để lấy gen di truyền tương tự trên cây thuốc lá và chuyển vào các cây lương thực khác như khoai tây và đậu nành, cho phép tăng sản lượng lương thực bất chấp việc nhiệt độ ngày càng tăng trên toàn cầu.

Cavanagh cho biết: “Sản xuất đủ lương thực để cung cấp cho dân số dự đoán vào giữa thế kỷ 21 là khoảng 9 tỷ người với tốc độ tăng khí carbon dioxide trong khí quyển được duy trì là một thách thức trong sự nghiệp của chúng tôi. Không có một động lực nào tốt hơn để bạn cố gắng hết sức trong công việc vì bạn đang mang đến các giải pháp để thích ứng với một thế giới đang vượt xa khả năng thích ứng của thực vật”.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Đại học Illinois.