Rút ngắn quang hô hấp: Con đường cải thiện cây trồng tương lai

Thí nghiệm đồng ruộng trên giống đậu nành nhằm thiết lập các đường tắt quang hô hấp tại Trang trại Năng lượng của Đại học Illinois Urbana-Champaign.

Khi dân số toàn cầu tiếp tục gia tăng và nhiệt độ không ngừng tăng cao, các nhà nghiên cứu đang tích cực tìm kiếm những chiến lược nhằm nâng cao khả năng chống chịu của cây trồng trước các đợt nắng nóng thông qua việc tối ưu hóa quá trình quang hợp. Trong một bài Tansley Review được công bố trên tạp chí New Phytologist, nhóm nghiên cứu thuộc dự án Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) đã tổng hợp những tiến bộ gần đây trong việc thiết kế cây trồng để bỏ qua quá trình quang hô hấp — một cơ chế tiêu tốn nhiều năng lượng và làm hạn chế năng suất — đồng thời nêu bật những thách thức cũng như định hướng tương lai cần thiết để chuyển giao các phát hiện này vào thực tiễn sản xuất nông nghiệp.

“Cần có sự chung tay của cộng đồng toàn cầu để đưa công nghệ này đến với người nông dân”, Katherine Meacham-Hensold, giám đốc chương trình khoa học của RIPE cho biết. RIPE là một dự án nghiên cứu quốc tế nhằm thiết kế cây trồng có năng suất cao hơn thông qua việc cải thiện quá trình quang hợp. Dự án này nhận được sự hỗ trợ từ Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One).

Quang hợp là quá trình tự nhiên mà tất cả các loài thực vật sử dụng để chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành chất dinh dưỡng. Mối liên hệ giữa quang hợp và quang hô hấp nằm ở một yếu tố then chốt: Rubisco. Đây là loại enzyme phổ biến nhất trên Trái Đất, có vai trò bắt giữ khí carbon dioxide từ khí quyển để tổng hợp đường cho cây. Tuy nhiên, Rubisco tồn tại một hạn chế đáng kể: Khoảng một phần ba thời gian, nó lại gắn và sử dụng oxy thay vì carbon dioxide.

“Quang hô hấp là một quá trình tiêu tốn năng lượng lớn ở hầu hết các loại cây trồng. Nếu chúng ta có thể bỏ qua quá trình này, hiệu suất quang hợp sẽ được cải thiện, từ đó hứa hẹn mang lại năng suất cây trồng cao hơn”, Jooyeon Jeong, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ trong nhóm của giáo sư danh dự Don Ort thuộc Bộ môn Sinh học Thực vật và Khoa học Cây trồng, cho biết.

Khi nhiệt độ tăng cao, Rubisco càng thường xuyên gắn kết với oxy, qua đó càng làm nổi bật nhu cầu giảm thiểu những bất cập trong hoạt động của enzyme này. Để giải quyết vấn đề, các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đã phát triển nhiều phương pháp nhằm can thiệp vào các con đường trao đổi chất. Bằng cách đưa thêm các gen mới vào cây trồng, quá trình quang hô hấp có thể được phần nào bỏ qua, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quang hợp.

Trong các nghiên cứu trước đây của nhóm Ort, kết quả cho thấy cây thuốc lá được thiết kế để bỏ qua quá trình quang hô hấp có thể tăng tới 20% sinh khối, trong khi khoai tây đạt mức tăng 30% khối lượng củ khi trồng dưới điều kiện nắng nóng. Ort lưu ý rằng mặc dù những dữ liệu này rất hứa hẹn, vẫn còn nhiều khoảng trống trong hiểu biết cần được lấp đầy trước khi công nghệ sinh học này có thể chuyển từ phòng thí nghiệm ra thực tiễn sản xuất nông nghiệp toàn cầu.

Meacham-Hensold cho biết: “Nhiều phòng thí nghiệm đã thử nghiệm các con đường khác nhau và đạt được nhiều thành công trong phòng thí nghiệm, trên các loài mô hình cũng như trong các thử nghiệm thực địa ban đầu. Tuy nhiên, thách thức chung là làm thế nào để liên kết chính xác sự gia tăng năng suất với các con đường mà chúng tôi đã đưa vào và thay đổi”.

Trong bài tổng quan, nhóm nghiên cứu đã hệ thống hóa tất cả các phương pháp rút ngắn quang hô hấp đã được phát triển, đồng thời báo cáo lợi ích và hạn chế của chúng. Khi xem xét tổng thể, có thể thấy tồn tại nhiều điểm không nhất quán. Ngay tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, các nhà khoa học cũng ghi nhận dữ liệu trái ngược khi áp dụng các phương pháp bỏ qua quang hô hấp ở những nghiên cứu hoặc loài cây khác nhau.

Những bất nhất này phần lớn xuất phát từ việc thiếu dữ liệu quan trọng để hiểu rõ các quá trình ở cấp độ sinh hóa. Trong khi việc xác định năng suất cuối mùa vụ khá đơn giản - chẳng hạn đo chiều cao cây hoặc cân khối lượng củ - thì việc đo các dòng chuyển hóa tạm thời lại vô cùng khó khăn. Meacham-Hensold giải thích: “Khi chúng ta thay đổi con đường trao đổi chất, chúng ta kích hoạt sự cân bằng chất chuyển hóa khác nhau, vốn rất khó đo lường ngoài thực địa. Bạn phải lấy mẫu lá, làm lạnh nhanh rồi gửi về phòng thí nghiệm để phân tích. Vì vậy, đó chỉ là một lát cắt tức thời”.

Những lát cắt này chỉ cung cấp một phần nhỏ của bức tranh, chứ chưa đủ để mô tả toàn diện các dòng chuyển hóa. Thêm vào đó, môi trường thực địa vốn khó dự đoán càng làm phức tạp thêm bài toán. Amanda Cavanagh, đồng tác giả và giảng viên cao cấp tại Đại học Essex, cho biết: “Rất khó để hiểu động học nhiệt độ ngoài thực địa, bởi việc tạo ra điều kiện nhiệt độ gây stress là không đơn giản. Nếu chỉ dựa vào các đợt nắng nóng tự nhiên, bạn phải nhanh chóng lấy mẫu đúng thời điểm để theo dõi. Do đó, chúng ta chưa có dữ liệu tốt về ngưỡng nhiệt độ phù hợp cho từng loài và từng giai đoạn sinh trưởng để áp dụng phương pháp bỏ qua quang hô hấp”.

Tổng thể, bài tổng quan này đóng vai trò như một lời kêu gọi hành động, nhấn mạnh nhu cầu hợp tác toàn cầu để bổ sung dữ liệu về chuyển hóa và sự phụ thuộc nhiệt độ. Đồng thời, việc triển khai các thử nghiệm thực địa quy mô lớn ở nhiều địa điểm và môi trường khác nhau sẽ giúp tiến gần hơn tới mục tiêu chung của cây trồng rút ngắn quang hô hấp.

Meacham-Hensold khẳng định: “Mục tiêu chính của chúng tôi là đưa công nghệ này đến tay những nông dân sản xuất tự cung tự cấp ở các khu vực đang đối mặt với thách thức an ninh lương thực và gia tăng các đợt nắng nóng. RIPE đặc biệt tập trung vào việc chuyển giao nghiên cứu này cho cây đậu nành và đậu cowpea. Bài báo này nhằm tổng hợp những khoảng trống và thách thức để từ vị trí hiện tại tiến tới việc đưa sản phẩm cây trồng bỏ qua quang hô hấp đến với nông dân”.

Bùi Anh Xuân theo Đại học Illinois Urbana-Champaign.