Thử nghiệm đậu đũa ngoài đồng ruộng. Nguồn: Đại học Lancaster.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Lancaster đang nghiên cứu cải thiện năng suất của các cây trồng quan trọng ở cận Sahara, châu Phi đã phát hiện ra sự không hoàn hảo của một loại enzyme quan trọng trong đậu đũa và tin rằng sự không hoàn hảo này có thể được chia sẻ với các loại cây trồng khác.
Tất cả các-bon trong cơ thể chúng ta, trong thực phẩm và trong toàn bộ sinh quyển, là kết quả của sự đồng hóa các-bon đi-ô-xít trong quá trình quang hợp bởi một loại enzyme duy nhất, được các nhà sinh vật học gọi là Rubisco. Không có gì đáng ngạc nhiên vì tầm quan trọng của nó, protein này có nhiều nhất trên thế giới.
Bà Elizabete Carmo-Silva, giáo sư sinh lý cây trồng tại Đại học Lancaster đã cho biết: “Rubisco đóng vai trò trung tâm trong quá trình quang hợp và thường xuyên hạn chế sự đồng hóa các-bon trong cây trồng. Lá điều chỉnh hoạt động của Rubisco phù hợp với sự phong phú của năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy rằng sự điều chỉnh này là không hoàn hảo và thường có sự không phù hợp giữa mức độ hoạt động của Rubisco và lượng năng lượng mặt trời có sẵn cho quá trình quang hợp”.
Đậu đũa được trồng khắp châu Phi bởi vì hàm lượng protein cao nhưng đặc biệt quan trọng ở Tây Phi, nơi nó là nguồn cung cấp protein thực vật quan trọng nhất. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Plants, giáo sư Carmo-Silva và tiến sỹ Sam Taylor, nghiên cứu viên chính của Đại học Lancaster, đã phát hiện ra rằng khi lá đậu đũa đi vào bóng râm, hoạt động của enzyme Rubisco giảm một cách nhanh hơn những gì mà chúng ta nghĩ trước đó.
Điều này rất quan trọng bởi vì hàng ngày, khi mặt trời chiếu xuyên qua phần phía trên của cây trồng ở ngoài đồng, lá cây sẽ đưa những lá lân cận gần chúng từ ánh sáng mặt trời vào bóng râm và trở lại. Khi một chiếc lá bị che nắng tiếp cận trở lại với ánh nắng mặt trời, hoạt động của Rubisco sẽ mất vài phút để kích hoạt nguồn năng lượng mặt trời dồi dào mới, có thể dẫn đến việc bỏ lỡ cơ hội chuyển đổi năng lượng đó thành đường. Bằng cách bổ sung thêm sự ảnh hưởng của những phút mất năng suất đó trong suốt một ngày, điều này được ước tính làm tiêu tốn ít nhất 20% khả năng hấp thụ carbon dioxide.
“Các phản ứng quang hợp không diễn ra ngay lập tức. Lá mất khá nhiều phút để điều chỉnh khi đi từ nơi bóng râm sang nơi có ánh sáng cao và trong những phút đó, lá không hấp thụ nhiều CO₂”, giáo sư Carmo-Silva, người đứng đầu nghiên cứu này cho dự án “Thực hiện tăng hiệu quả quang hợp (RIPE)” cho biết. “Chúng tôi bắt đầu xác định sự khác biệt giữa các giống đậu đũa ảnh hưởng đến tốc độ hoạt hóa, để thử nghiệm và xác định loại nào nhanh hơn”.
Dự án Tăng Hiệu quả Quang hợp (RIPE) là một dự án nghiên cứu quốc tế nhằm mục đích tăng sản lượng lương thực toàn cầu bằng cách phát triển các loại cây lương thực biến năng lượng mặt trời thành thức ăn một cách hiệu quả hơn.
Lượng carbon bị mất không chỉ phụ thuộc vào tốc độ Rubisco có thể được tái hoạt hóa mà còn phụ thuộc vào điểm bắt đầu: hoạt động của Rubisco tại thời điểm ánh sáng mặt trời quay trở lại. Yếu tố này được xác định bởi tốc độ khử kích hoạt tự nhiên của Rubisco xảy ra trong bóng râm. Khử kích hoạt nhanh hơn có nghĩa là tác động lớn hơn đến quá trình đồng hóa carbon trong cây trồng.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp sinh hóa thông lượng cao để chỉ ra rằng lá đậu đũa chỉ cần ở trong bóng râm ít nhất là năm phút để hoạt động của Rubisco giảm dần, vì vậy ngay cả việc che nắng nhẹ cho lá cũng sẽ làm giảm năng suất quang hợp của cây.
Tiến sỹ Taylor cho biết: “Chúng tôi không rõ cơ chế từ mặt trời đến bóng râm làm giảm sự kích hoạt của Rubisco là như thế nào, nhưng chúng tôi nhận thấy rằng quá trình này diễn ra khá nhanh chóng. Nếu đó là một quá trình chậm, chúng có thể ra nắng vài phút sau khi có bóng râm và sẽ không bị thiệt hại nhiều, nhưng thực sự, chúng chỉ cần ở trong bóng râm trong vài phút sự giảm sút hoạt động đã xảy ra”.
Bất chấp những thách thức này, có những lý do để lạc quan. Chỉ có bốn loại đậu đũa khác nhau được đo từ hàng nghìn biến thể tồn tại, nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm thấy sự khác biệt về tốc độ mà Rubisco khử kích hoạt. Điều này mang lại hy vọng rằng trong nguồn gen phổ rộng hơn của đậu đũa, có thể tìm thấy những cây có tốc độ khử kích hoạt Rubisco chậm hơn nhiều. Điều đó sẽ cho phép nhân giống mục tiêu đối với đậu đũa và có lẽ là các cây trồng khác, cải thiện năng suất bằng cách giảm thiểu tác động của sự không hoàn hảo mới được xác định này trong chức năng của Rubisco.
Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org
