Coralie Salesse-Smith (phải) và Steve Long đã chứng minh trên một mô hình cây trồng rằng có thể thiết kế được sự gia tăng độ dẫn của lá và điều đó dẫn đến sự gia tăng quá trình quang hợp.

Có thể thiết kế kỹ thuật tăng độ dẫn của lá ở thực vật theo nghiên cứu mới của Đại học Illinois Urbana-Champaign. Độ dẫn của lá đóng một vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp và đề cập đến mức độ dễ dàng mà CO₂ có thể khuếch tán qua các tế bào của lá trước khi đến vị trí mà cuối cùng nó được chuyển thành đường để nuôi cây (cố định carbon). CO₂ phải đối mặt với các rào cản khi nó di chuyển qua lá, bao gồm cả thành tế bào của chính nó. Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Long ở Illinois phát hiện ra rằng bằng cách tăng tính thấm và giảm nhẹ độ dày của thành tế bào, họ có thể làm tăng sự khuếch tán và hấp thu CO₂ trong cây trồng mô hình.

Coralie Salesse-Smith, nhà nghiên cứu sau tiến sỹ tại Long Lab và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Đây là một trong số ít thử nghiệm thành công về khái niệm cho thấy rằng chúng tôi có thể thiết kế để tăng độ dẫn của lá và dẫn đến tăng cường quang hợp trên thực địa”. Bài báo về nghiên cứu, được công bố gần đây trên tạp chí Plant Biotechnology Journal. “Lý thuyết cho chúng ta thấy rằng có thể đạt được việc tăng độ dẫn của lá để tăng khả năng quang hợp mà không cần tốn nhiều nước hơn. Điều này rất quan trọng khi xét tới nhu cầu cấp thiết về tăng sản lượng cây trồng và sử dụng nước bền vững”.

Quang hợp là quá trình tự nhiên mà tất cả thực vật sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide thành năng lượng và nông sản. Hành trình của CO₂ để trở thành đường (năng lượng) hữu ích cho cây trồng bắt đầu khi nó đi qua các lỗ nhỏ trên lá gọi là khí khổng. Để CO₂ đến được lục lạp (nơi nó được chuyển thành đường), nó phải đi qua một số rào cản, bao gồm cả thành tế bào. Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng nếu họ có thể cải thiện sự khuếch tán CO₂ qua thành tế bào bằng cách làm cho các rào cản này dễ dàng vượt qua hơn thì điều đó sẽ cải thiện độ dẫn của tế bào trung mô và từ đó cải thiện hiệu quả quang hợp. Tăng độ dẫn của lá có nghĩa là cây sẽ có nhiều CO₂ hơn để chuyển hóa thành thức ăn. Một bài báo trước đây của các đồng nghiệp của Salesse-Smith về Thực hiện hiệu quả quang hợp tăng cường (RIPE) đã chỉ ra rằng thành tế bào mỏng hơn có liên quan đến độ dẫn của lá cao hơn. Điều này cho thấy rằng việc cố tình giảm độ dày của các thành lá có thể thay đổi mức độ CO₂ di chuyển qua lá dễ dàng, có khả năng làm tăng quá trình quang hợp. Lấy cảm hứng từ bài báo này, Salesse-Smith muốn thử nghiệm ý tưởng này trong một mô hình thực vật.

Sau khi tổng quan tài liệu, Salesse-Smith thu hẹp trọng tâm của cô ấy về việc biểu hiện quá mức hoặc tăng số lượng CGR3, một gen đã được chứng minh là có thể làm thay đổi các thành phần thành tế bào. Gen này được đưa vào một loài thuốc lá và được trồng cùng với những cây không có gen trong một thử nghiệm thực địa trong mùa sinh trưởng năm 2022. Cây thuốc lá được sử dụng làm cây mẫu vì nó dễ làm việc hơn trong phòng thí nghiệm và trên đồng ruộng, đồng thời cũng vì nó cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra di truyền với tốc độ nhanh hơn so với cây lương thực.

“Việc nhắm mục tiêu vào thành tế bào là rất quan trọng vì nó là một trong những thành phần chính hạn chế độ dẫn điện của tế bào trung mô”, Salesse-Smith, nhà nghiên cứu sau tiến sỹ RIPE tại Long Lab cho biết, “Việc giảm độ dày của nó và làm cho nó dễ thấm hơn sẽ giúp CO₂ dễ dàng đi đến vị trí cố định carbon hơn. Bằng cách biểu hiện quá mức gen mục tiêu, chúng tôi có thể giảm độ dày thành tế bào và tăng tính thấm của nó, như chúng tôi đã đưa ra giả thuyết, cuối cùng đã làm tăng độ dẫn của tế bào trung mô và từ đó làm tăng khả năng quang hợp”.

Những cây biểu hiện quá mức gen CGR3 cho thấy độ dày thành tế bào giảm 7-13% và độ xốp tăng 75% khi so sánh với những cây không có gen này được bổ sung. Nhóm nghiên cứu đã đạt được mục tiêu là tạo ra những thay đổi ở thành tế bào, nhưng thước đo thành công thực sự là khi dữ liệu cũng cho thấy khả năng quang hợp tăng 8% trên thực địa.

“Chúng tôi hy vọng sự biến đổi này sẽ cho phép nhiều CO₂ đi vào lục lạp hơn và được sử dụng để tạo ra năng lượng dưới dạng đường, và điều đó đã xảy ra. Tuy nhiên, chỉ vì nó hoạt động trên cây trồng mẫu không có nghĩa là bạn nhận được kết quả tương tự với cây lương thực”, Salesse-Smith cho biết. “Điều quan trọng là phải kiểm tra xem điều gì xảy ra ở đậu tương để xem liệu có đạt được những cải thiện tương tự về độ dẫn của lá và quang hợp hay không và liệu điều đó có dẫn đến cải thiện năng suất hay không”.

Với những kết quả này, nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu thử nghiệm biến đổi này ở đậu tương để xem liệu cây lương thực có thể tăng cường quang hợp, hiệu quả sử dụng nước và năng suất hay không. Việc thử nghiệm trên cánh đồng đậu nành có thể diễn ra sớm nhất là vào mùa trồng trọt năm 2025.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Illinois Urbana-Champaign.