Nghiên cứu về khả năng của các loại cây trồng trong việc chống chọi với biến đổi khí hậu

Amanda Cavanagh, một giảng viên tại Đại học Essex là người chủ trì thực hiện nghiên cứu này.

Nghiên cứu này là một phần của Dự án Thực hiện tăng hiệu quả quang hợp (RIPE), một dự án nghiên cứu quốc tế nhằm mục đích tăng sản lượng lương thực toàn cầu bằng cách phát triển các loại cây lương thực biến năng lượng mặt trời thành thực phẩm hiệu quả hơn với sự hỗ trợ của Quỹ Bill & Melinda Gates.

Quang hợp, quá trình tự nhiên mà tất cả các loài thực vật sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng và sản lượng, dựa vào enzim Rubisco để biến các-bon điôxit thành đường và nuôi sống thế giới. Trong khi đó, quá trình quang hợp tạo ra bầu không khí giàu oxy, khiến công việc của Rubisco trở nên phức tạp. Khoảng 20% thời gian Rubisco lấy oxy thay vì các-bon điôxit, dẫn đến một quá trình tái chế tốn kém năng lượng cho cây trồng, được gọi là quang hô hấp. Trong điều kiện hiện tại, sự kém hiệu quả của quá trình quang hô hấp có thể làm giảm năng suất của một loại cây ngũ cốc như lúa mì khoảng 36%. Sản lượng bị mất này tương đương với 148 nghìn tỷ calo trong lúa mì và đậu tương, lượng calo có thể cung cấp cho hàng triệu người.

Cavanagh cho biết: “Chúng tôi biết rằng khi nhiệt độ tăng lên, Rubisco gặp khó khăn hơn trong việc phân biệt giữa các-bon điôxit và oxy, và do đó tốc độ phân tán quang tăng lên. Do đó, chúng tôi nghĩ rằng thao tác phân tích quang học có thể là một cách để giúp cây trồng hấp thụ nhiệt và giảm thiểu tổn thất năng suất do nhiệt độ cao hơn”.

Từ quan điểm kinh tế, sự suy giảm năng suất, được báo cáo là cao tới 40 - 50% ở miền nam Hoa Kỳ, khiến các nhà sản xuất thiệt hại khoảng 500 triệu USD trong năm 2012. Các nhà sản xuất ở các khu vực xung quanh xích đạo có thể bị thiệt hại nhiều hơn do nhiệt độ tăng lên, với vấn đề dự kiến ​​sẽ trầm trọng hơn trên toàn thế giới do biến đổi khí hậu.

Paul South, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Sử dụng phương pháp tiếp cận kỹ thuật, chúng tôi đã thiết kế nhiều con đường trao đổi chất thay thế phản ứng quang học. Thử nghiệm trên thực địa cho thấy các cây trồng của chúng tôi có thể chịu được áp lực nhiệt độ khá khắc nghiệt. Khi những thay đổi về khí hậu và áp lực về nhiệt độ làm tăng áp lực lên nguồn cung cấp lương thực toàn cầu của con người, người nông dân sẽ cần mọi công cụ có sẵn, bao gồm cả các phương pháp tiếp cận kỹ thuật như sinh học tổng hợp để duy trì vụ thu hoạch an toàn và hiệu quả”.

Trong nghiên cứu gần đây được công bố trên Tạp chí Công nghệ Sinh học Thực vật, Cavanagh, South, và cố vấn của họ khi đó là Don Ort, đã thử nghiệm cây của họ với hiệu quả phân tích ánh sáng hiệu quả hơn để xem chúng có thích nghi tốt hơn với nhiệt độ ấm hơn hay không. Nhóm hợp tác với nhà nghiên cứu RIPE Carl Bernacchi, Nhà nghiên cứu sinh lý thực vật của Sở Nghiên cứu Nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ. Họ cùng nhau trồng cây thuốc lá trên một cánh đồng có đặt máy sưởi để giữ cho cây của họ ấm hơn 5°C so với nhiệt độ môi trường xung quanh. Một nửa số thuốc lá đã được biến đổi gien để có quá trình phân tích quang tốn ít năng lượng hơn.

Kết quả cho thấy các cây được biến đổi gien tạo ra sinh khối nhiều hơn 26% so với các cây tự nhiên tiếp xúc với cùng nhiệt độ. Các cây được biến đổi gien cũng có mức giảm năng suất thấp hơn 15% khi ở nhiệt độ cao hơn so với các cây không được biến đổi gien. Điều này đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu cái nhìn sâu sắc về cách cải thiện năng suất cây lương thực trong điều kiện khí hậu thay đổi.

Thuốc lá được chọn làm cây trồng thử nghiệm ban đầu vì nó tương đối dễ thực hiện trong thực nghiệm và có thể thấy kết quả nhanh hơn rất nhiều. Với thuốc lá, các nhà nghiên cứu có thể đi từ chuyển đổi gien đến hoàn thành thử nghiệm trên thực địa trong vòng 12 tháng, so với 3-5 năm cần thiết đối với nhiều loại cây lương thực. Giờ đây, khái niệm này đã được chứng minh trên cây thuốc lá. Nghiên cứu đang được tiến hành để lấy gien di truyền tương tự được sử dụng trong cây thuốc lá thử nghiệm và đưa nó vào cây lương thực như khoai tây và đậu nành, cho phép tăng sản lượng lương thực, bất chấp nhiệt độ ngày càng tăng trên khắp thế giới.

Nguyễn Minh Thu (Theo sciencedaily)