Bước đột phá về tăng hiệu quả quang hợp của cây trồng

Theo tạp chí Science, cả nhân loại lẫn hầu như tất cả sự sống trên Trái đất đều dựa vào quá trình quang hợp - một loạt các phản ứng được thực hiện bởi thực vật, vi khuẩn lam và một số sinh vật khác, trong đó năng lượng của ánh sáng Mặt trời được sử dụng để tổng hợp các phân tử hữu cơ từ nước và carbon dioxide, có liên quan đến quá trình chuyển hóa.

Được biết, enzyme Rubisco có trong lá của tất cả các loài thực vật và được coi là enzyme gần phổ biến nhất trên hành tinh, nhưng đây không phải là enzyme hiệu quả nhất. Protein cũng có khi thay vì liên kết với carbon dioxide thì lại liên kết với oxy, dẫn đến sự xuất hiện của các sản phẩm phụ không quá quan trọng đối với tế bào, chẳng hạn như glycolic acid phosphate. Các phân tử này được cây trồng tận dụng, nhưng khó và không phải lúc nào cũng ở tốc độ phù hợp, còn khi tích tụ lại, chúng có thể phá vỡ quá trình quang hợp bình thường.

Hậu quả, năng suất của cây cối bị giảm, ví dụ cây lúa, theo các ước tính khác nhau, có thể tạo ra năng suất cao hơn từ 20 đến 50% nếu enzyme Rubisco hoạt động với độ chính xác cao hơn.

Nhóm khoa học do Giáo sư Donald Ort tại Đại học Illinois (Mỹ) hướng dẫn, đã tiến hành các thử nghiệm dùng các phương pháp mới hiệu quả hơn thay thế tự nhiên để xử lý các sản phẩm phụ của phản ứng enzyme Rubisco với oxy. Thông thường, phải cần tới 9 phản ứng, nhưng các phương án thay thế cho phép thực hiện các phép biến đổi cần thiết trong ít bước hơn. Các nhà khoa học đã thành công chỉ trong 2 bước, sử dụng các enzyme có gien được vay mượn từ cây bí ngô và tảo đơn bào để biến glycolic acid phosphate thành axit malic, được tế bào thực vật sử dụng dễ hơn.

Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa enzyme Rubisco, ông Donald Orth và các đồng nghiệp đã đưa nó vào bộ gien cây thuốc lá. Cây thuốc lá được trồng trong nhà kính và các nhà khoa học đã theo dõi những thay đổi trong năng suất của chúng. Họ đã thấy kiểu quang hợp trước đây là không hiệu quả và chỉ giúp tăng tối đa 15% sinh khối. Tuy nhiên, phương pháp 2 bước mới do các nhà khoa học phát triển đã cho phép tăng trung bình 25% và trong một số trường hợp là 40% sinh khối.

Stephen Long, người đứng đầu công trình nghiên cứu RIPE – thực hiện quang hợp hiệu quả cao (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) so sánh các phương pháp giúp cây trồng tăng hiệu quả quang hợp như việc kênh đào Panama trở thành một dự án kỹ thuật giúp tăng hiệu quả của các tuyến thương mại.

Dự án quốc tế RIPE quy mô lớn này đang được thực hiện với sự hỗ trợ của các tổ chức nhà nước và phi chính phủ với mục tiêu phát triển các giống cây trồng mới có khả năng quang hợp hiệu quả hơn. Thành tựu của các nhà khoa học Mỹ là một bước tiến lớn hướng tới mục tiêu này. Theo Giáo sư Donald Orth, nhờ cải tiến nói trên, cây trồng ở vùng Trung Tây (Midwestern United States) nước Mỹ sẽ tạo thêm lượng calo bổ sung đủ nuôi sống được 200 triệu người.

Vũ Trung Hương