Xác định các gen mới có thể nâng cao hiệu quả quang hợp, thúc đẩy gia tăng năng suất cây trồng

Những cơ hội bị bỏ lỡ đáng giá trong mùa hè để thu nhận ánh sáng có thể những cánh đồng ngô và những người canh tác chúng phải trả giá, là một phần đáng kể trong vụ thu hoạch tiềm năng mà chúng mang lại vào mùa thu. Những kết quả mới từ Kasia Glowacka của Nebraska và các đồng nghiệp có thể giúp thay đổi điều đó.

Nguồn: Shutterstock / Kasia Glowacka / Scott Schrage.

Đắm mình trong biển lá của những người anh em, một chiếc lá ngô ở thấp nhất của thân cây dành phần lớn buổi chiều tháng Sáu dưới bóng râm do những chiếc lá phía trên phủ xuống.

Sau đó, một cơn gió mạnh bắt đầu đẩy, kéo và xoắn trong một bản phối hợp, làm nứt cửa sổ dẫn đến quả cầu lửa đang cuộn trào cách đó 93 triệu dặm. Đó là cơ hội quý giá tuyệt vời để quang hợp biến ánh sáng mặt trời thành thức ăn. Thật không may, khả năng quang hợp tương đương với một chất chống sét lan truyền, một chất được phát triển để giúp thực vật giảm thiểu thiệt hại do các tia sáng cường độ cao đột ngột gây ra, tái thiết lập chậm sau một thời gian dài ở trong bóng râm. Cơn gió tan đi, khoảnh khắc trôi qua trước khi chiếc lá và ngăn bên trong di động của nó có thể tận dụng.

Một phút đáng giá của mùa hè nhưng những cơ hội bị bỏ lỡ để thu hoạch ánh sáng có thể khiến những cánh đồng ngô và những người trồng chúng phải trả giá bằng một phần đáng kể trong vụ thu hoạch tiềm năng mà chúng mang lại vào mùa thu. Gần đây, bằng cách xác định và đo lường ảnh hưởng của các gen mới điều chỉnh bộ bảo vệ đột biến, Kasia Glowacka của Đại học Nebraska–Lincoln và các đồng nghiệp có thể giúp tăng sản lượng đó lên tới 20%.

Điều này không có nghĩa là hạ thấp tầm quan trọng của biện pháp bảo vệ, được gọi là quá trình dập tắt không quang hóa, hay NPQ và có thể biến ánh sáng thành nhiệt bất cứ khi nào cây hấp thụ nhiều chất trước đó hơn mức nó có thể đưa vào quá trình quang hợp. Rốt cuộc, việc không cắt được mạch sinh hóa có thể dẫn đến sự tích tụ độc hại của oxy siêu phản ứng làm hỏng DNA và thậm chí có thể giết chết tế bào. Nhưng biện pháp an toàn có một nhược điểm: Việc thư giãn và tiếp tục để ánh sáng hấp thụ nhiên liệu quang hợp càng chậm thì càng lãng phí ánh sáng cung cấp năng lượng đó.

Glowacka, trợ lý giáo sư hóa sinh tại Nebraska cho biết: “Khi bạn nghĩ từ góc độ lục lạp trong tế bào thực vật, sự sống thực sự khó khăn. Cứ sau vài giây, môi trường lại thay đổi”.

Vào năm 2016, một nghiên cứu có Glowacka tham gia cho thấy rằng việc tăng cường hoạt động của ba gen cụ thể đã cho phép cây thuốc lá mở và tắt NPQ với tốc độ nhanh hơn nhiều, giúp cây thuốc lá được bảo vệ tốt hơn và quang hợp hiệu quả hơn. Đổi lại, loại thuốc lá đó đã tạo ra những chiếc lá lớn hơn khoảng 20%, với các mô phỏng cho thấy rằng có thể đạt được mức tăng lớn hơn nữa. Nghiên cứu tiếp theo đã phát hiện ra rằng kỹ thuật tương tự có thể tạo ra những lợi ích tương tự đối với cây đậu tương - không chỉ đối với lá mà cả hạt đậu.

Nhưng thuốc lá và đậu tương sử dụng một hình thức quang hợp khác so với ngô, lúa miến, mía và một số loại cây trồng khác phù hợp hơn với điều kiện khô và nóng - những loại cây trồng mà năng suất phải tăng lên để giúp nuôi sống 10 tỷ người toàn cầu dự kiến sẽ có vào năm 2050. Glowacka băn khoăn. liệu các gen mã hóa cho hoạt động NPQ ở loài này có thể đóng vai trò tương tự ở loài kia hay không. Ngay cả khi họ đã làm, James Schnable và Glowacka của Nebraska cho rằng phải có những gen khác hỗ trợ một quá trình phức tạp như NPQ.

Họ đã đúng. Khám phá của họ bắt đầu bằng cách làm việc cực nhọc trên cánh đồng vào mùa hè năm 2020 và 2021, khi nhóm trồng hơn 700 dòng ngô khác nhau về mặt di truyền tại Trang trại nghiên cứu Havelock ở đông bắc Lincoln. Kế hoạch của Glowacka: tìm kiếm sự khác biệt về hiệu suất NPQ giữa các dòng, sau đó cố gắng tìm ra gen nào chịu trách nhiệm cuối cùng cho những khác biệt đó. Tuy nhiên, Glowacka biết rằng các phương pháp hiện có để đo NPQ rất tốn kém và tốn thời gian. Hơn thế nữa, họ phải vật lộn để làm phẳng sự chênh lệch hàng ngày về mức độ tiếp xúc với ánh sáng của mỗi dòng, điều này có khả năng làm hỏng tính hợp lệ của bất kỳ phát hiện nào.

Thay vì giải quyết, Glowacka đã phát triển phương pháp của riêng mình. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một dụng cụ đục lỗ đã được sửa đổi để trích xuất các mẫu nhỏ từ lá của mọi dòng trên cánh đồng. Quay trở lại phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã cho các mẫu mô gần một ngày để thích nghi với bóng tối, cuối cùng đo huỳnh quang của chúng - một đại diện cho quá trình quang hợp và NPQ - trước và sau khi cho chúng tiếp xúc với ánh sáng nhấp nháy. Thay vì đo một mẫu cứ sau 20 phút, nhóm có thể xử lý 96 mẫu trong cùng khoảng thời gian đó.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tốc độ và cường độ của các phản ứng NPQ rất khác nhau giữa các dòng, một thực tế đã giúp dễ dàng tìm kiếm bất kỳ gen mới nào có khả năng dẫn đến sự biến đổi đó ở ngô. So sánh mã di truyền của các dòng, được tham chiếu chéo với sự khác biệt về hiệu suất NPQ, cuối cùng đã tiết lộ sáu ứng cử viên gen đầy triển vọng. Một số ứng cử viên đó đã quen thuộc với nhóm. Những số khác thì không - bao gồm cả một gen được gọi là PSI3, đã giới thiệu nhiều biến thể đó hơn bất kỳ ứng cử viên nào khác.

Sau khi xác định các bản sao của sáu gen đó trong cây Arabidopsis, một loài thực vật có hoa thường được sử dụng để nghiên cứu sinh học thực vật, nhóm đã tiến hành đặt hàng các đột biến: mỗi hạt Arabidopsis thiếu một trong sáu gen. Trong tất cả sáu đột biến, thiết bị chống sét lan truyền nhìn chung phản ứng chậm chạp dưới ánh đèn nhưng cũng chậm nhẹ nhàng hơn khi tắt đèn. Các điểm đỉnh NPQ cũng thường thấp hơn và các đáy cao hơn, cho thấy rằng cả thực vật đều có khả năng được đệm ít hơn trước các đợt dâng và lãng phí nhiều ánh sáng có sẵn cho quá trình quang hợp.

Các nhà nghiên cứu cho biết việc xác định các gen đó, kết hợp với lượng biến thể NPQ tự nhiên giữa các dòng ngô, có thể mở đường cho việc nhân giống cây trồng tốt hơn nhiều trong việc tận dụng ánh sáng mặt trời để tăng năng suất, các nhà nghiên cứu cho biết. Schnable cho biết thêm: “Trong trường hợp tốt nhất, những nỗ lực đó có thể đơm hoa kết trái chỉ sau nửa chục năm nữa”.

Nếu họ làm như vậy, kết quả có thể chứng minh một lợi ích cho các nhà nhân giống cây trồng hiện đang điều tra mọi khả năng để ngăn chặn tình trạng thiếu lương thực toàn cầu trong những thập kỷ tới.

Glowacka cho biết: “Chúng tôi có thể thu được 22% sản lượng đó từ các loại cây trồng nếu chúng tôi tăng tốc NPQ”.

Họ cho rằng các nhà nghiên cứu đã bắt đầu nghiên cứu vào đầu năm 2020, những nỗ lực của họ nhằm giúp ngăn chặn một cuộc khủng hoảng toàn cầu sắp xảy ra đồng nghĩa với việc đối phó với một cuộc khủng hoảng hiện đại.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí New Phytologist.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org