Thực vật chuyển đổi ánh nắng mặt trời thành năng lượng thông qua quá trình quang hợp. Tuy nhiên, hầu hết các loại cây trồng trên hành tinh đều bị cản trở bởi hạn chế trong quang hợp và để ứng phó, chúng đã phát triển một quy trình tiêu tốn năng lượng được gọi là quang hô hấp, làm giảm đáng kể năng suất tiềm năng của cây trồng. Nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Illinois và Ban Nghiên cứu nông nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đã báo cáo kết quả nghiên cứu trên Tạp chí Science nêu rõ, các loại cây trồng được biến đổi có “đường tắt” cho quang hô hấp, cho năng suất cao hơn 40% trong điều kiện nông học của thế giới thực.

Donald Ort, Giáo sư khoa học thực vật và cây trồng tại Viện nghiên cứu Sinh học bộ gen thuộc trường Đại học Illinois, cho rằng: "Chúng tôi có thể cung cấp thêm cho 200 triệu người lượng calo đã mất cho quá trình quang hô hấp ở Trung Tây Hoa Kỳ mỗi năm. Việc lấy lại thậm chí một phần lượng calo này trên toàn thế giới sẽ là một chặng đường dài để đáp ứng nhu cầu thực phẩm đang gia tăng nhanh chóng trong thế kỷ 21, do dân số tăng và chế độ ăn giàu calo hơn”.

Nghiên cứu đột phá này là một phần của dự án nghiên cứu quốc tế có tên Hiệu quả quang hợp gia tăng (RIPE), đang biến đổi cây trồng để thực hiện quá trình quang hợp hiệu quả hơn nhằm tăng năng suất lương thực trên toàn thế giới một cách bền vững với sự hỗ trợ của Quỹ Bill & Melinda Gates, Quỹ Nghiên cứu nông nghiệp và thực phẩm (FFAR) và Bộ Phát triển quốc tế của Chính phủ Anh (DFID).

Quang hợp sử dụng enzyme Rubisco - protein dồi dào nhất hành tinh và năng lượng ánh nắng mặt trời để biến đổi CO2 và nước thành đường thúc đẩy sự sinh trưởng và tăng năng suất cây trồng. Trải qua hàng thiên niên kỷ, enzym Rubisco đã tạo ra bầu không khí giàu oxy. Vì không thể phân biệt rõ ràng giữa hai phân tử, nên enzym Rubisco lấy oxy thay vì CO2 trong khoảng 20% ​​thời gian, gây sản sinh một hợp chất gây độc cho cây trồng, cần được tái chế thông qua quá trình quang hô hấp.

Paul South, nhà sinh học nghiên cứu phân tử tại Ban Nghiên cứu nông nghiệp, đồng tác giả nghiên cứu cho rằng: "Quang hô hấp chống lại quá trình quang hợp. Nó tiêu thụ nguồn năng lượng và tài nguyên quý giá của cây trồng đáng lẽ có thể được dùng cho quá trình quang hợp để thúc đẩy sinh trưởng và tăng năng suất cây trồng".

Quang hô hấp thường có một lộ trình phức tạp thông qua ba khoang trong tế bào thực vật. Các nhà khoa học đã thiết kế các con đường thay thế để định tuyến lại quá trình này, rút ​​ngắn đáng kể lộ trình và tiết kiệm đủ tài nguyên để thúc đẩy tăng trưởng thực vật thêm 40%. Đây là lần đầu tiên quá trình quang hô hấp biến đổi được thử nghiệm trong điều kiện nông học của thế giới thực.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế ba con đường để thay thế con đường ban đầu vòng vèo. Để tối ưu hóa các tuyến đường mới, các nhà khoa học đã thiết kế các cấu trúc di truyền bằng cách sử dụng một tập hợp các yếu tố kích hoạt và gen khác nhau, về cơ bản đưa ra một chuỗi các lộ trình độc đáo. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh đã thử nghiệm các lộ trình này cho 1.700 cây trồng.

Sau hai năm tiến hành nghiên cứu thực địa trên diện rộng, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các cây trồng đã được biến đổi phát triển nhanh, cao hơn và tạo ra nhiều sinh khối hơn khoảng 40%, hầu hết được phát hiện trong 50% số thân cây lớn.

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra các giả thuyết của họ trên cây thuốc lá: mô hình thực vật lý thưởng cho nghiên cứu cây trồng vì nó dễ điều chỉnh và thử nghiệm hơn so với cây lương thực, nhưng không giống các mô hình cây khác, cây thuốc lá phát triển tán và có thể được thử nghiệm trên cánh đồng. Hiện nhóm nghiên cứu đang sử dụng những phát hiện này để tăng năng suất đậu tương, đậu đũa, lúa, khoai tây, cà chua và cà tím.

Amanda Cavanagh, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ và là đồng tác giả nghiên cứu cho biết: "Enzym Rubisco thậm chí còn gặp nhiều khó khăn hơn trong việc loại bỏ CO2 từ oxy khi nó trở nên nóng hơn, làm cho hiện tượng quang hô hấp diễn ra mạnh mẽ hơn. Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra những cây trồng tốt hơn với khả năng khai thác nhiệt năng hiện nay và trong tương lai để giúp trang bị cho nông dân công nghệ mà họ cần để cung cấp lương thực cho thế giới".

Dù có thể mất đến hơn một thập kỷ để công nghệ này được áp dụng cho cây lương thực và được chấp thuận về mặt pháp lý, nhưng nhóm nghiên cứu cam kết sẽ đảm bảo rằng nông dân sản xuất nhỏ, đặc biệt là ở châu Phi cận Sahara và Đông Nam Á, sẽ được truy cập vào tất cả các kết quả đột phá của dự án mà không phải trả tiền bản quyền.

N.P.D (NASATI), theo https://www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190103142306.htm, 1/2019