Nghiên cứu khả năng chống chịu của các loại cây trồng với thay đổi khí hậu trong tương lai
Lượt xem: 3734
Thế giới đang nóng lên nhanh chóng mà không có dấu hiệu chậm lại. Điều này có thể là thảm họa đối với việc sản xuất cây lương thực, đặc biệt là ở những khu vực vốn đã ấm áp. Nghiên cứu từ Đại học Illinois và Cục Nghiên cứu Nông nghiệp của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ cho thấy rằng việc thay đổi nhỏ trong quá trình quang hợp thường gặp ở các loại cây trồng như đậu tương, gạo và lúa mì, có thể bảo vệ cây trồng khi chịu áp lực nhiệt độ trên đồng ruộng.

Nghiên cứu này là một phần của dự án nghiên cứu quốc tế “Thực hiện tăng hiệu quả quang hợp (RIPE)” 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 thực phẩm hiệu quả hơn với sự hỗ trợ của Quỹ Bill & Melinda Gates, Viện Nghiên cứu Nghiên cứu Nông nghiệp và Thực phẩm (Hoa Kỳ) và Văn phòng Foreign, Commonwealth & Development Vương quốc Anh.

Quang hợp là quá trình tự nhiên mà tất cả các loài thực vật sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng và sản lượng, dựa vào enzyme Rubisco để biến cacbon đioxit thành đường. Trong khi đó, quá trình quang hợp tạo ra bầu không khí giàu oxy, khiến công việc của Rubisco trở nên phức tạp. Khoảng 20 phần trăm thời gian, Rubisco lấy oxy thay vì cacbon đioxit, dẫn đến một quá trình tái chế tốn kém năng lượng cho nhà máy, được gọi là photorespiration. Trong điều kiện hiện tại, sự kém hiệu quả của quá trình photorespiration có thể làm giảm năng suất của một loại ngũ cốc như lúa mì khoảng 36%. Sản lượng bị mất này tương đương với 148 nghìn tỷ calo trong lúa mì và đậu tương, lượng calo có thể cung cấp cho hàng triệu người.

Cavanagh, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: Khi nhiệt độ tăng lên, Rubisco gặp khó khăn hơn trong việc phân biệt giữa cacbon đioxit và oxy, và do đó tốc độ phân tán quang tăng lên. Do đó, thao tác phân tích quang học có thể là một cách để giúp cây trồng hấp thụ nhiệt và giảm thiểu tổn thất năng suất do nhiệt độ cao hơn.

Từ quan điểm kinh tế, sự mất mát năng suất, được báo cáo là cao tới 40 - 50% ở miền nam Hoa Kỳ, khiến các nhà sản xuất thiệt hại khoảng 500 triệu đô la trong năm 2012. Các nhà sản xuất ở các khu vực xung quanh đường xích đạo có thể bị thiệt hại nhiều hơn do nhiệt độ tăng lên, với vấn đề dự kiến sẽ leo thang trên toàn thế giới do biến đổi khí hậu.

Paul South, đồng tác giả cho biết: Bằng cách sử dụng phương pháp kỹ thuật, chúng tôi đã thiết kế nhiều con đường trao đổi chất thay thế để phản ứng quang học. Thử nghiệm chúng trên thực địa cho thấy năng suất tăng lên khiến Amanda tiến hành dự án một cách đáng kể bằng cách cho thấy các nhà máy được thiết kế có thể chịu được áp lực nhiệt độ khá khắc nghiệt.

Khi những thay đổi về khí hậu và áp lực về nhiệt độ làm tăng áp lực lên nguồn cung cấp lương thực toàn cầu của chúng ta, người nông dân sẽ cần mọi công cụ có sẵn, bao gồm cả các phương pháp kỹ thuật như sinh học tổng hợp được sử dụng ở đây để duy trì vụ thu hoạch an toàn và hiệu quả.

Trong nghiên cứu gần đây được công bố trên Tạp chí Công nghệ Sinh học Thực vật, Cavanagh, South và cố vấn Don Ort, đã thử nghiệm cây trồng với khả năng phân ly quang hiệu quả hơn để xem chúng có thích nghi tốt hơn với nhiệt độ ấm hơn hay không. Nhóm hợp tác với nhà nghiên cứu RIPE Carl Bernacchi, một Nhà nghiên cứu sinh lý thực vật của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ. Họ cùng nhau trồng cây thuốc lá trên một cánh đồng có đặt máy sưởi để giữ cho cây trồng ấm hơn 5 °C so với nhiệt độ môi trường xung quanh. Một nửa số thuốc lá đã được biến đổi gen để có quá trình phân tích quang tốn ít năng lượng hơn.

Kết quả là các cây được biến đổi gen tạo ra sinh khối nhiều hơn 26% so với các cây hoang dã tiếp xúc với cùng nhiệt độ. Các cây được biến đổi gen cũng giảm năng suất thấp hơn 15% khi ở nhiệt độ cao hơn so với các cây không được biến đổi gen. Điều này đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu cái nhìn sâu sắc về cách cải thiện năng suất cây lương thực trong điều kiện khí hậu thay đổi.

Thuốc lá được chọn làm cây trồng thử nghiệm ban đầu vì nó tương đối dễ thực hiện trong thực nghiệm và có thể cho kết quả nhanh hơn rất nhiều. Với thuốc lá, các nhà nghiên cứu có thể đi từ chuyển đổi gen đến hoàn thành thử nghiệm trên thực địa trong vòng 12 tháng, so với 3-5 năm cần thiết đối với nhiều loại cây lương thực. Giờ đây, khái niệm này đã được chứng minh trên cây thuốc lá, nghiên cứu đang được tiến hành để lấy gen di truyền tương tự được sử dụng trong cây thuốc lá thử nghiệm và đưa nó vào cây lương thực như khoai tây và đậu nành, cho phép tăng sản lượng lương thực, bất chấp nhiệt độ ngày càng tăng trên khắp thế giới .

Cavanagh cho biết thêm: Là một nhà khoa học thực vật, sản xuất đủ lương thực để cung cấp cho dân số dự đoán vào giữa thế kỷ là chín tỷ người với tốc độ gia tăng bền vững cacbon đioxit trong khí quyển là thách thức quyết định trong sự nghiệp của chúng tôi. Không có động lực nào lớn hơn để cố gắng hết sức trong công việc cung cấp các giải pháp để thích ứng với một thế giới vượt xa khả năng thích ứng của thực vật. 

 Nguồn tham khảo: Amanda P. Cavanagh, Paul F. South, Carl J. Bernacchi, Donald R. Ort. Alternative pathway to photorespiration protects growth and productivity at elevated temperatures in a model crop. Plant Biotechnology Journal, 2021; DOI: 10.1111/pbi.13750.


Thống kê truy cập
  • Đang online: 73
  • Hôm nay: 314
  • Trong tuần: 18 354
  • Tất cả: 4387940