Tổng quan gần đây làm nổi bật những vấn đề mới quan trọng trong quy định của rubisco nhằm nâng cao năng suất cây trồng

Sự đa dạng tự nhiên ở Rubisco activase (Rca) từ loài mô hình Arabidopsis (At) và thuốc lá (Nt) và các loài cây trồng lúa mì (Ta).

Rubisco là loại protein dồi dào nhất trên Trái đất và đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp cho phép thực vật phát triển và tạo ra thức ăn mà mọi thứ trên Trái đất cần để tồn tại. Tuy nhiên, cực kỳ quan trọng không có nghĩa là nó hoạt động cực kỳ tốt. Trên thực tế, Rubisco được mô tả là một loại enzyme kém hiệu quả. Vấn đề này nhiều đến mức các nhà nghiên cứu như Elizabete Carmo-Silva với Dự án Tăng cường Hiệu quả Quang hợp (RIPE) đã dành nhiều thập kỷ để tìm cách cải thiện quy định và hiệu quả của nó.

Trong quá trình quang hợp, Rubisco có nhiệm vụ lấy CO₂ và chuyển hóa thành glucose và năng lượng cho cây. Điều này có nghĩa là nó kiểm soát lượng năng lượng mà cây có để tạo ra thức ăn và tốc độ tạo ra thức ăn đó. Tuy nhiên, 25% Rubisco nghĩ là O₂ với CO₂, tạo ra chất độc cho cây thay vì năng lượng. Điều này thường trở nên trầm trọng hơn trong điều kiện môi trường không tối ưu như nắng nóng và hạn hán.

Nghiên cứu đáng chú ý trong vài thập kỷ qua đã tập trung vào cách cải thiện loại enzyme không hiệu quả nhưng cần thiết này. Đây là mối quan tâm đặc biệt trong các kịch bản khí hậu hiện tại và tương lai, trong đó việc tối ưu hóa quy trình sử dụng Rubisco (còn được gọi là quy định) có thể giúp cải thiện quá trình quang hợp và năng suất cây trồng. Trong một bản thảo gần đây được xuất bản trên tạp chí New Phytologist, Carmo-Silva và hai đồng nghiệp đã xem xét những điều đã biết và nêu bật những hiểu biết sâu sắc về quy định Rubisco đối với cây trồng.

Carmo-Silva, giáo sư Sinh lý học Cây trồng tại Đại học Lancaster cho biết: “Hàng thập kỷ nghiên cứu đã tiết lộ sự phức tạp của quy định Rubisco và cho thấy đây là một quá trình tích hợp cao xảy ra ở tất cả các loài thực vật. Bản thảo đề xuất những ẩn số quan trọng cần được giải quyết để đưa ra các chiến lược hiệu quả nhằm cải thiện năng suất cây trồng và khả năng phục hồi khí hậu”.

Nghiên cứu trước đây đã được chia thành ba loại dựa trên cách các nhà khoa học tiếp cận quy định Rubisco: 1) Quy định của Rubisco Activase, 2) Quy định bởi những thay đổi do khí hậu thúc đẩy trong môi trường đệm lục lạp và 3) các cơ hội mới để tăng cường quy định, trong đó các tác giả chỉ ra những nỗ lực trong tương lai nên tập trung. Một trong những lựa chọn mà Carmo-Silva tin là một cơ hội tuyệt vời là tăng tốc độ phản ứng của Rubisco trước những môi trường đang thay đổi.

Carmo-Silva cho biết: “Nếu chúng ta muốn tập trung vào việc cải thiện năng suất cây trồng và khả năng phục hồi khí hậu của cây trồng, chúng ta nên tập trung vào việc ứng phó với những thay đổi về ánh sáng và nhiệt độ ngày càng tăng vì đó là hai điều kiện mà hoạt động của Rubisco bị hạn chế nhất. Việc điều chỉnh hoạt động Rubisco trong lá cây là rất quan trọng để tối đa hóa sự thành công của các phương pháp cải tiến cây trồng”.

Carmo-Silva dẫn đầu các nỗ lực nghiên cứu của Rubisco nhằm Thực hiện Hiệu quả Quang hợp Tăng lên (RIPE), một dự án nghiên cứu quốc tế nhằm biến đổi cây trồng để có năng suất cao hơn bằng cách cải thiện quá trình quang hợp, quá trình tự nhiên mà tất cả thực vật sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng và sản lượng. Công việc của cô đã được hỗ trợ bởi Quỹ Bill & Melinda Gates, Quỹ Nghiên cứu Thực phẩm & Nông nghiệp, Văn phòng Phát triển & Đối ngoại, Khối thịnh vượng chung của Vương quốc Anh và Cơ quan Đổi mới Nông nghiệp Bill & Melinda Gates (Gates Ag One).

Việc biên soạn đánh giá này rất quan trọng đối với Carmo-Silva về mặt chuyên môn và cá nhân. Ngoài việc tập hợp tất cả các nghiên cứu ở một nơi, cô còn có thể làm như vậy với hai nhà nghiên cứu nữ, giống như cô, là những người nói tiếng Bồ Đào Nha bản địa. Đồng tác giả Joana Amaral và Ana KM Lobo là đồng nghiệp của Carmo-Silva tại Trung tâm Môi trường Lancaster.

Amaral và Lobo lần lượt là một phần trong các dự án chị em Horizon 2020 của Liên minh Châu Âu VỐN BẢN (Kết hợp các phương pháp cải thiện quang hợp để cho phép tăng tính bền vững trong nông nghiệp Châu Âu) và PhotoBoost (Một cách tiếp cận toàn diện để cải thiện hiệu suất quang hợp và năng suất của cây trồng C3 trong các điều kiện môi trường khác nhau). Cả hai dự án đều nhằm mục đích cải thiện quá trình quang hợp cho các loại cây trồng có năng suất cao hơn ở Châu Âu (cà chua, lúa mạch, ngô, khoai tây và lúa gạo), trong khi RIPE tập trung vào các loại cây trồng là nguồn cung cấp calo và protein chính ở Châu Phi cận Sahara (ví dụ: đậu đũa).

Amaral cho biết: “Đánh giá này kết hợp cuộc thảo luận thú vị về các bài báo khoa học cơ bản có liên quan và các phương pháp nghiên cứu gần đây”. Lobo cho biết thêm: “Chúng tôi rất biết ơn những phản hồi mang tính xây dựng từ những người đánh giá và biên tập viên, đồng thời tự hào về kết quả cuối cùng”. Các bài đánh giá của Tansley nhằm mục đích dễ tiếp cận và ba tác giả đã chấp nhận thách thức đơn giản hóa quy định phức tạp của Rubisco.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo RIPE.