Giải pháp cải thiện hiệu năng quang hợp, tăng 40% năng suất cây trồng

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế lần đầu tiên đã chứng minh rằng có thể tăng khoảng 40% năng suất của cây trồng bằng cách khắc phục một trục trặc phổ biến thường xảy ra trong quá trình quang hợp. Nghiên cứu mang tính bước ngoặt cho thấy việc tối ưu hóa hiệu quả quang hợp của thực vật có thể làm tăng đáng kể năng suất thực phẩm trên toàn thế giới.

Quang hợp là quá trình thực vật chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và theo các nhà khoa học, nó không phải là một quá trình hoàn toàn hiệu quả. Một nhân tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp là enzyme có tên RuBisCO có chức năng nhận các phân tử carbon dioxide. Enzyme Rubisco có trong lá của tất cả các loài thực vật và được coi là enzyme gần phổ biến nhất trên hành tinh. Tuy nhiên, nó không phải là enzyme hiệu quả nhất. Khoảng 25% thời gian RuBisCO enzyme Rubisco hoạt động kém hiệu quả do nó nhận nhầm các phân tử oxy thay vì carbon dioxide. Sự nhầm lẫn dẫn đến tạo ra một sản phẩm phụ độc hại, làm gián đoạn toàn bộ quá trình quang hợp. Vì vậy, thực vật buộc phải trải qua một quá trình tiêu thụ năng lượng có tên gọi là quang hô hấp hay còn gọi là hô hấp sáng hoặc hô hấp ánh sáng để loại bỏ các sản phẩm phụ độc hại này.

Paul South, tác giả chính của nghiên cứu mới cho biết: "Hô hấp sáng là một quá trình hô hấp xảy ra ở thực vật trong điều kiện có nhiều ánh sáng nhưng ít CO2. Quang hô hấp và quang hợp là hai quá trình trái ngược nhau. Quang hô hấp tiêu tốn nhiều năng lượng và nguồn nguyên liệu quý giá mà lẽ ra thực vật sử dụng trong quá trình quang hợp để tạo ra tăng trưởng và năng suất cao hơn”.

Các nhà khoa học cho biết: quá trình hô hấp sáng có thể làm giảm từ 20 đến 50% năng suất quang hợp của các loại cây lương thực như đậu tương, gạo và lúa mì. Trên thực tế, năng suất có thể được cải thiện từ 20 đến 50% nếu enzyme Rubisco hoạt động với độ chính xác cao hơn. Vì vậy, các nhà khoa học vẫn đang nỗ lực để tìm ra giải pháp nhằm giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng của quá trình này.

Gia tăng hiệu năng quang hợp (RIPE - Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) là một dự án nghiên cứu quốc tế được thành lập vào năm 2012. Dự án được thực hiện với sự hỗ trợ chủ yếu bởi Quỹ Bill và Melinda Gates với mục tiêu chính là phát triển các phương pháp nhằm cải thiện năng suất cây lương thực bằng kỹ thuật quang hợp hiệu quả hơn. Đầu năm nay, dự án tiết lộ một bước đột phá trong nghiên cứu di truyền, góp phần tăng trung bình 25% sinh khối cây với lượng nước tiêu thụ ít hơn để tạo ra năng suất thường xuyên.

Để giải quyết vấn đề chi phí năng lượng của quá trình hô hấp sáng, một nhóm các nhà nghiên cứu đã thiết kế các lộ trình quang hô hấp hiệu quả và ngắn gọn hơn đáng kể. Công trình nghiên cứu với nhiều tính bất ngờ, về cơ bản, đã tạo ra các lộ trình hô hấp sáng thay thế trong một tế bào thực vật để có thể loại bỏ hiệu quả hơn các sản phẩm phụ độc hại bằng cách sử dụng ít năng lượng hơn.

"Giống như Kênh đào Panama, một trong những thành tựu kỹ thuật xây dựng lớn nhất của thế giới hiện đại, góp phần thúc đẩy hiệu quả hoạt động của các tuyến thương mại, nghiên cứu mới cũng được đánh giá là một kỳ tích trong nghiên cứu thực vật khi đưa ra một giải pháp độc đáo, góp phần gia tăng đáng kể hiệu năng của quá trình quang hợp", Stephen Long - người đứng đầu dự án RIPE cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trên cây thuốc lá vốn có vòng đời ngắn và dễ chuyển đổi gen và thường được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu cây trồng. Sau hai năm theo dõi, các nhà khoa học nhận thấy những thay đổi trong năng suất của cây, cụ thể là chúng phát triển cao hơn, nhanh hơn và tăng tới 40% sinh khối so với các loại cây thông thường.

Nhóm nghiên cứu cho biết bước tiếp theo, họ sẽ áp dụng kỹ thuật này với hy vọng cải thiện năng suất ở một số cây lương thực phổ biến hơn như đậu tương, gạo, khoai tây và cà chua.

Trên thực tế, để các loại cây lương thực biến đổi gen có thể được trồng rộng rãi, chắc chắn sẽ có một trận chiến pháp lý để thiết lập hồ sơ an toàn. Tuy nhiên, một trong những cam kết quan trọng của RIPE là những cải tiến khoa học kỹ thuật sẽ được cung cấp miễn phí cho những hộ nông dân sản xuất nhỏ để những đột phá công nghệ này có thể giúp nuôi sống dân số ngày càng phát triển ở các quốc gia thuộc thế giới thứ ba.

Giáo sư Donald Orth bày tỏ niềm tin về những lợi ích mà bước đột phá công nghệ có thể mang lại cho người dân Hoa Kỳ cũng như đáp ứng nhu cầu thực phẩm đang ngày một gia tăng nhanh chóng trong thế kỷ 21 được thúc đẩy bởi sự gia tăng dân số và chế độ ăn giàu calo hơn. Ông khẳng định nhờ cải tiến nói trên, cây lương thực ở vùng Trung Tây, Hoa Kỳ sẽ được bổ sung thêm nhiều calo, đủ để nuôi sống được 200 triệu người dân mỗi năm.