TĂNG NĂNG SUẤT CÂY TRỒNG BẰNG VIỆC ĐẨY NHANH QUÁ TRÌNH QUANG HÔ HẤP (PHOTORESPIRATION)

Ngày đăng: Jun 02, 2018 8:40:53 AM

TS. Chung Anh Dũng lược dịch (02/06/2018)

Các loại thực vật như đậu nành và lúa mì thải ra từ 20 đến 50% chất độc hại từ quá trình tái tạo năng lượng của chúng khi enzyme Rubisco - loại enzyme phổ biến nhất trên thế giới - lấy các phân tử oxy thay vì các phân tử carbon dioxide. Theo một nghiên cứu mới do các nhà khoa học tại Đại học Essex công bố ngày hôm nay trên tạp chí Plant Biotechnology Journal, việc tăng sản lượng protein tự nhiên phổ biến trong lá cây có thể làm tăng sản lượng của cây lương thực chính lên gần 50%.

Công trình này là một phần của dự án nghiên cứu quốc tế “Thực hành gia tăng hiệu quả quang hô hấp” (Realizing Increased Photorespiration Efficiency-RIPE) được hỗ trợ bởi Quỹ Bill & Melinda Gates, Quỹ Nghiên cứu Thực phẩm và Nông nghiệp và Bộ Phát triển Quốc tế Vương quốc Anh.

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một mô hình cây trồng để biểu hiện quá mức protein tự nhiên có liên quan đến quá trình tái chế được gọi là photorespiration (quang hô hấp). Qua hai năm thử nghiệm thực địa, họ thấy rằng việc tăng lượng H-protein trong lá của cây sẽ làm tăng sản lượng từ 27 đến 47%. Tuy nhiên, việc tăng lượng protein này trong suốt quá trình tăng trưởng của cây sẽ làm tăng trưởng và chuyển hóa, dẫn đến các cây trồng 4 tuần tuổi chỉ bằng một nửa kích thước của các đối tác không bị thay đổi.

"Các nhà khoa học thực vật thường sử dụng các promoter biểu hiện protein ở mức cao trong toàn bộ cây trồng, và có nhiều ví dụ cho thấy điều này đã hoạt động rất tốt", tác giả chính Patricia Lopez-Calcagno, một nhà nghiên cứu cao cấp tại Essex cho biết. "Nhưng đối với H-protein, chúng tôi đã chỉ ra rằng không phải lúc nào nhiều H-protein cũng là tốt, nhất là khi chúng tôi chuyển phương pháp này sang các cây trồng khác, chúng tôi sẽ cần điều chỉnh những thay đổi về protein ở mức thích hợp trong các mô đúng”

Các nghiên cứu trước đây đã làm tăng hàm lượng H-protein trong cây Arabidopsis, một cây mô hình nhỏ được sử dụng trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Đây là lần đầu tiên protein H được đánh giá trong một vụ mùa trong các điều kiện phát triển thực tế. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng thuốc lá, được coi là một con chuột thí nghiệm về sinh học thực vật bởi vì nó rất dễ dàng để biến đổi gen và có thể nhanh chóng được trồng và thử nghiệm trong các thử nghiệm ngoài trời. Một khi một sửa đổi đã được chứng minh là có hiệu quả trong thuốc lá, cách tiếp cận tương tự có thể được áp dụng cho các loại cây lương thực cần thiết để nuôi sống dân số ngày càng tăng của chúng ta.

"Thực tế là khi nhiệt độ mùa phát triển tiếp tục tăng, sản lượng gây ra bởi sự phát quang cũng sẽ tăng lên", đồng tác giả Paul South, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ USDA-ARS tại Viện Sinh học Genomic Carl R. Woese cho biết. Đại học Illinois. "Nếu chúng ta có thể áp dụng phát hiện này sang cây lương thực, chúng ta có thể trang bị cho nông dân những giống cây có khả năng phục hồi tốt để tạo ra nhiều thực phẩm, mặc dù nhiệt độ tăng lên."

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu lên kế hoạch tăng mức protein tự nhiên này trong đậu tương, đậu đũa (đậu đen) và sắn, một loại cây trồng nhiệt đới, là cây lương thực cho hơn một tỷ người trên khắp thế giới. Mục tiêu của họ là tăng sản lượng và cơ hội cho nông dân trên toàn thế giới, đặc biệt là nông dân sản xuất nhỏ ở vùng cận Sahara châu Phi và Đông Nam Á.

Để tăng thêm sản lượng, nhóm nghiên cứu có kế hoạch kết hợp đặc điểm này với các đặc điểm khác được phát triển bởi dự án RIPE, bao gồm một phương pháp được báo cáo trong Science giúp tăng sản lượng lên 20% bằng cách giúp cây thích ứng với mức ánh sáng dao động nhanh hơn.

"Những cải tiến thu được với trên các tính trạng đơn lẻ được mô tả ở đây, mang lại cho chúng ta một bước gần hơn để đáp ứng nhu cầu thực phẩm gia tăng sắp xảy ra vào năm 2050 - Ngoài ra, bằng cách kết hợp đặc điểm này với các đặc điểm thành công khác trong RIPE, chúng ta có thể làm tăng năng suất cây trồng để đáp ứng đủ nhu cầu thực phẩm khi dân số gia tăng trong thế kỷ này. "Điều tra viên chính Christine Raines, một giáo sư sinh lý phân tử thực vật tại Essex cho biết. "Chúng tôi cam kết phát triển những công nghệ bền vững này càng nhanh càng tốt và đảm bảo rằng nông dân và cộng đồng trên toàn cầu có quyền truy cập vào các công nghệ này."

Nguồn Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign

“Scientists boost crop production by 47 percent by speeding up photorespiration”

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180531084434.htm