Các nhà khoa học nghiên cứu cải thiện khả năng quang hợp và năng suất của cây trồng

 

Tảo lam (vi khuẩn lam) được biết là quang hợp hiệu quả hơn hầu hết các loại cây trồng, vì vậy các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để đưa các yếu tố từ vi khuẩn lam vào cây trồng.

Một nghiên cứu mới do Đại học Cornell dẫn đầu mô tả một bước quan trọng để đạt được mục tiêu đó. Nghiên cứu được công bố ngày 11 tháng 8 trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Sự vắng mặt của enzim các-bon trong lục lạp ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật C3 nhưng không ảnh hưởng đến quá trình quang hợp.

Maureen Hanson, Giáo sư sinh học phân tử thực vật, là tác giả chính của bài báo. Kevin Hines, một cựu sinh viên trong phòng thí nghiệm của Hanson, và Vishal Chaudhari, một cộng sự sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Hanson, là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu.

Khi thực vật quang hợp, chúng chuyển đổi các-bon đi-ô-xit, nước và ánh sáng thành oxy và su-crô-za, một loại đường được sử dụng để cung cấp năng lượng và xây dựng các mô mới. Trong quá trình này, Rubisco, một loại enzim được tìm thấy trong tất cả các loài thực vật, lấy các-bon vô cơ từ không khí và chuyển nó thành dạng hữu cơ mà thực vật sử dụng để xây dựng các mô.

Một trở ngại trong việc cải thiện quá trình quang hợp ở cây trồng là Rubisco phản ứng với cả các-bon đi-ô-xit và oxy trong không khí; phản ứng sau đó tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, làm chậm quá trình quang hợp và do đó làm giảm năng suất. Nhưng ở vi khuẩn lam, Rubisco được chứa trong các vi ngăn được gọi là carboxysomes giúp che chắn Rubisco khỏi oxy.

Carboxysome cũng cho phép vi khuẩn lam tập trung các-bon đi-ô-xit để Rubisco có thể sử dụng nó để cố định các-bon nhanh hơn, Hanson nói. “Cây trồng không có carboxysomes, vì vậy ý ​​tưởng cuối cùng là đưa toàn bộ cơ chế tập trung các-bon từ vi khuẩn lam vào cây trồng”.

Để hệ thống này hoạt động hiệu quả trên cây trồng, các nhà khoa học phải loại bỏ các-bo-nic anhydrase, một loại enzim tự nhiên, khỏi lục lạp, cơ quan quan trong tế bào thực vật, nơi xảy ra quá trình quang hợp. Đó là bởi vì vai trò của anhydrase là tạo ra sự cân bằng giữa CO2 và các-bon-nat axit trong tế bào thực vật, bằng cách xúc tác các phản ứng trong đó CO2 và nước tạo thành các-bon-nat axit và ngược lại. Nhưng để cơ chế tập trung các-bon từ vi khuẩn lam hoạt động trong cây trồng, các-bon-nat axit trong hệ thống phải đạt được mức cao hơn nhiều lần so với mức được tìm thấy ở trạng thái cân bằng.

Hanson nói: Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện bước loại bỏ enzim anhydrase cần thiết để làm cho carboxysome hoạt động.

Trong bài báo, các tác giả mô tả việc sử dụng công nghệ chỉnh sửa gien CRISPR/Cas9 để vô hiệu hóa các gien biểu hiện hai enzim anhydrase các-bo-nic có trong lục lạp. Trước đây, một nhóm nghiên cứu khác đã sử dụng một phương pháp khác để loại bỏ 99% hoạt tính của enzim anhydrase, cây vẫn phát triển bình thường. Nhưng khi Hanson và các đồng nghiệp loại bỏ 100% hoạt động của enzim, cây hầu như không phát triển. Hanson cho biết: “Thực vật cần loại enzim này để tạo ra các-bon-nat axit được sử dụng trong các con đường tạo ra các thành phần của mô lá”.

Khi họ đưa cây vào buồng sinh trưởng có CO2 cao, chúng lại tiếp tục phát triển bình thường, vì lượng CO2 cao dẫn đến phản ứng tự phát tạo thành các-bon-nat axit.

Nhóm nghiên cứu tin rằng họ có một giải pháp để loại bỏ enzim anhydrase mà vẫn có đủ các-bon-nat axit. Trong nghiên cứu gần đây được tài trợ bởi khoản tài trợ 3 năm gần 800.000 đô la của Quỹ Khoa học Quốc gia, họ có kế hoạch đặt một chất vận chuyển các-bon-nat axit trên màng lục lạp, để nhập các-bon-nat axit từ các phần khác của tế bào vào lục lạp. Ngoài việc làm cho enzim anhydrase không cần thiết, các-bon-nat axit bổ sung được cho là sẽ cải thiện quá trình quang hợp ngay cả trước khi các carboxysomes có thể được thiết kế thành lục lạp.

Các thí nghiệm cho thấy sự vắng mặt của enzim anhydrase các-bo-nic không gây trở ngại cho quá trình quang hợp, trái ngược với những quan điểm trước đây.

Một vấn đề tiềm ẩn là enzim anhydrase các-bo-nic được tìm thấy trong lục lạp được biết là có liên quan đến các con đường bảo vệ của thực vật. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu trong nhóm của Hanson đã phát hiện ra rằng họ có thể kết hợp một phiên bản không hoạt động bằng enzim anhydrase các-bo-nic và vẫn duy trì khả năng bảo vệ của cây.

Hanson cho biết: “Bây giờ chúng tôi biết rằng chúng tôi có thể tạo ra một loại enzim không hoạt động sẽ không ảnh hưởng đến cơ chế tập trung các-bon nhưng vẫn cho phép cây trồng có khả năng chống lại vi-rút”.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình Sinh học Tổng hợp của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.

Lê Hồng Vân (Theo sciencedaily) - mard.gov.vn