Nghiên cứu: Chỉnh sửa quá trình quang hợp, tăng năng suất cây trồng 40%

Nếu không có quang hợp, sự sống mà con người vẫn biết trên Trái Đất này sẽ không tồn tại. Khi cây trồng chuyển hóa quang năng thành hóa năng, chúng thải ra sản phẩm phụ là khí oxy. Nhưng trong 1.000 năm qua, năng suất của quá trình này đang dần giảm sút. Các nhà nghiên cứu thuộc Bộ Nông Nghiệp Mỹ và trường Đại học Illinois đã tìm ra cách cải thiện sự suy giảm này và khiến cho cây trồng tăng 40% năng suất trong điều kiện canh tác thực tế hiện nay.

Vấn đề nằm ở một loại enzyme có tên Rubisco, viết tắt của “ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase”. Rubisco có vai trò sống còn trong quang hợp: nó chuyển hóa cácbon đioxít (CO2) vô cơ thành cácbon hữu cơ.

Mặc dù có vai trò tối quan trọng đến vậy với tất cả sự sống trên Trái Đất, nhưng các nhà khoa học nhận thấy nó hoạt động “cực kỳ kém hiệu quả.” Hầu hết các enzyme có thể xử lý hàng ngàn phân tử trong khoảng thời gian Rubisco xử lý được hai hoặc ba.

Thực vật đối phó với sự chậm chạp này bằng cách lấy số lượng bù chất lượng, tạo ra nhiều Rubisco tới nỗi nó là loại enzyme có số lượng nhiều nhất trên Trái Đất. Và trong phần lớn trường hợp, sự bù đắp này là hiệu quả. Rubisco chuyển hóa đủ nhiều CO2 thành các bon hữu cơ để khí quyển hiện tại của Trái Đất của đủ khí oxy.

Tuy vậy, loại enzyme thiếu hiệu quả này còn gặp phải một vấn đề khác. Nó bắt đầu nhầm lẫn giữa phân tử khí O2 và phân tử CO2. Và điều này là không tốt cho quá trình quang hợp. Khi Rubisco hấp thụ O2, điều mà giới khoa học cho rằng tần suất xảy ra là 20%, thì nó buộc thực vật phải trải qua một quá trình tiêu thụ năng lượng có tên là quang hô hấp (photorespiration).

Trong khi quang hô hấp, Rubisco vẫn xúc tác tạo ra Axit 3-Phosphoglyceric – nguồn năng lượng chủ yếu cho thực vật. Tuy nhiên con đường tạo ra nó lại lòng vòng phức tạp và tốn kém năng lượng hơn nhiều so với quá trình quang hợp bình thường.

“Quang hô hấp là quá trình chống lại sự quang hợp,” Paul South, chủ biên nghiên cứu, kiêm nhà nghiên cứu sinh học phân tử tại Cơ quan Nghiên cứu Nông nghiệp (trực thuộc Bộ Nông nghiệp Mỹ) cho biết trong một thông cáo báo chí. “Nó làm tiêu tốn năng lượng và các nguồn lực quý giá của cây mà đáng lẽ có thể sử dụng cho quang hợp để tạo ra sự tăng trưởng và năng suất cao hơn.”

Trong hai năm qua, nhóm tác giả nghiên cứu đã cố gắng điều chỉnh quá trình quang hô hấp theo hướng hiệu quả hơn. Sau khi thử nghiệm qua 1.700 cây, họ đã tìm ra ba phương pháp. Những phương pháp quang hô hấp mới này sử dụng các bộ chất hoạt hóa và gen khác, cho phép cây thu được hiệu quả tương tự nhưng sử dụng ít năng lượng hơn nhiều,

“Kênh đào Panama là một kỳ công về kỹ thuật giúp thúc đẩy thương mại, còn những đường tắt trong quá trình quang hô hấp của chúng tôi lại là kỳ công trong kỹ thuật thực vật học, là một phương cách độc đáo giúp gia tăng đáng kể hiệu năng của quang hợp,” Stephen Long, Chủ tịch Bộ môn Khoa học Cây trồng và Thực vật học tại Đại học Illinois và giám đốc của chương trình Gia tăng Hiệu năng Quang hợp (RIPE) cho biết.

>> Trồng cây giữa sa mạc: Bí quyết sử dụng nước của Israel

Trên nghiên cứu tại thực địa, các cây trồng tiếp nhận chỉnh sửa có thể phát triển nhanh hơn, mọc cao hơn và tạo ra sinh khối nhiều hơn 40%.

Mặc dù mới chỉ thử nghiệm trên cây thuốc lá (thuốc lá là loại thực vật lý tưởng cho thử nghiệm vì bộ gen đơn giản và lá có kích thước lớn,) nhưng các nhà khoa học hy vọng có thể mở rộng thử nghiệm ra các cây trồng nông nghiệp chính của nhân loại như: đậu nành, đậu đũa, lúa gạo, khoai tây, cà chua và cà tím. Họ dự đoán cần một thập kỷ để nhận được sự chấp thuận của các cơ quan quản lý cho phép kỹ thuật mới được phổ biến ra toàn thế giới.

Các trang trại nhỏ tại Tiểu vùng Sahara của châu Phi và Đông Nam Á có thể được tiếp cận miễn phí với kỹ thuật tiên tiến này nếu nó được chấp thuận triển khai trên quy mô thế giới.