Nâng cấp quang hợp: Tạo ra siêu cây trồng cho thế giới đang thay đổi
Tác giả: Viện Salk
Ngày 20 tháng 11 năm 2024
Nghiên cứu mới tiết lộ cách biến đổi các chất điều hòa di truyền ở thực vật có thể chuyển quá trình quang hợp C3 kém hiệu quả hơn sang phương pháp C4 mạnh mẽ hơn, đưa ra một chiến lược đầy hứa hẹn để cải thiện năng suất cây trồng trong thế giới đang nóng lên. Nguồn: SciTechDaily.com
Các nhà khoa học đã lần theo con đường tiến hóa từ quang hợp C3 sang C4, khám phá ra những thay đổi điều hòa quan trọng có thể tăng cường khả năng phục hồi và hiệu quả của cây trồng.
Nghiên cứu mang tính đột phá này mở đường cho những tiến bộ trong nông nghiệp có thể giúp chống lại tác động của hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Sự tiến hóa của quang hợp
Hơn 3 tỷ năm trước, quang hợp lần đầu tiên xuất hiện ở vi khuẩn cổ đại trên Trái đất hoàn toàn được bao phủ bởi nước. Trong hàng triệu năm, những vi khuẩn này đã tiến hóa thành thực vật, thích nghi với môi trường thay đổi trong quá trình này. Khoảng 30 triệu năm trước, một tiến bộ đáng kể đã xảy ra: một số loài thực vật đã phát triển một hình thức quang hợp hiệu quả hơn. Trong khi các loại cây như lúa vẫn giữ nguyên phương pháp C3 cũ, thì các loại cây khác, chẳng hạn như ngô và lúa miến, đã áp dụng quá trình quang hợp C4 tiên tiến hơn.
Ngày nay, có hơn 8.000 loài thực vật C4, phát triển mạnh trong điều kiện khí hậu nóng, khô và được xếp vào nhóm các loại cây trồng có năng suất cao nhất thế giới. Mặc dù vậy, phần lớn các loại cây vẫn dựa vào quá trình C3 kém hiệu quả hơn. Điều này đặt ra một câu hỏi thú vị: quá trình quang hợp C4 đã tiến hóa như thế nào và liệu có thể mang lại hiệu quả này cho thực vật C3 hay không?
Đột phá trong nghiên cứu về hiệu quả của thực vật
Giờ đây, lần đầu tiên, các nhà khoa học của Salk và cộng sự tại Đại học Cambridge đã phát hiện ra một bước quan trọng mà thực vật C4 như lúa miến cần thực hiện để tiến hóa để trở nên hiệu quả như vậy trong quá trình quang hợp—và cách chúng ta có thể sử dụng thông tin này để làm cho các loại cây trồng như lúa, lúa mì và đậu nành có năng suất cao hơn và chống chịu tốt hơn với khí hậu ấm lên của chúng ta.
Những phát hiện này đã được công bố hôm nay (ngày 20 tháng 11) trên tạp chí Nature.
Giáo sư Joseph Ecker, tác giả chính của nghiên cứu, Chủ tịch Hội đồng quốc tế Salk về Di truyền học và là nhà nghiên cứu của Viện Y khoa Howard Hughes, cho biết: “Hỏi điều gì làm nên sự khác biệt giữa thực vật C3 và C4 không chỉ quan trọng từ góc độ sinh học cơ bản là muốn biết lý do tại sao một thứ gì đó tiến hóa và hoạt động như thế nào ở cấp độ phân tử”. “Trả lời câu hỏi này là một bước tiến lớn hướng tới việc hiểu cách chúng ta có thể tạo ra những loại cây trồng khỏe mạnh và năng suất nhất có thể khi đối mặt với biến đổi khí hậu và dân số toàn cầu ngày càng tăng”.
Mặt cắt ngang của lúa C3 (trái) và lúa miến C4 (phải) chồi. Cả hai loại cây lương thực đều tiến hóa từ một tổ tiên chung, nhưng lúa miến tiến hóa để quang hợp hiệu quả hơn. Nguồn: Tina Schreier tại Đại học Cambridge
Hiểu về các quá trình quang hợp C3 và C4
Khoảng 95% thực vật sử dụng quá trình quang hợp C3, trong đó các tế bào trung mô—tế bào xốp màu xanh lá cây sống bên trong lá—biến ánh sáng, nước và carbon dioxide thành đường cung cấp năng lượng cho thực vật. Mặc dù phổ biến, quang hợp C3 có hai nhược điểm chính: 1) 20% thời gian, oxy vô tình được sử dụng thay vì carbon dioxide và phải được tái chế, làm chậm quá trình và lãng phí năng lượng, và 2) các lỗ chân lông trên bề mặt lá mở quá thường xuyên trong khi chờ carbon dioxide đi vào, khiến cây mất nước và dễ bị hạn hán và nhiệt độ cao hơn.
May mắn thay, quá trình tiến hóa đã giải quyết những vấn đề này bằng quang hợp C4. Thực vật C4 tuyển dụng các tế bào bao bó mạch, thường đóng vai trò là giá đỡ gân lá, để quang hợp cùng với các tế bào trung mô. Do đó, thực vật C4 loại bỏ những sai lầm trong việc sử dụng oxy để tiết kiệm năng lượng và giữ cho các lỗ chân lông trên bề mặt thực vật đóng thường xuyên hơn để tiết kiệm nước. Kết quả là hiệu quả tăng 50% so với thực vật C3.
Thông tin di truyền về quá trình tiến hóa từ C3 sang C4
Nhưng ở cấp độ phân tử, điều gì khiến thực vật C3 biến thành thực vật C4? Và các nhà khoa học có thể thúc đẩy cây trồng C3 trở thành cây trồng C4 không?
Để trả lời những câu hỏi này, các nhà khoa học của Salk đã sử dụng công nghệ gen đơn bào tiên tiến để xem xét sự khác biệt giữa lúa C3 và lúa miến C4. Trong khi các phương pháp trước đây không chính xác đến mức không thể phân biệt các tế bào lân cận như tế bào trung mô và tế bào bao bó mạch, thì gen đơn bào cho phép nhóm nghiên cứu tìm hiểu những thay đổi về mặt di truyền và cấu trúc ở từng loại tế bào từ cả hai loại cây.
"Chúng tôi rất ngạc nhiên và phấn khích khi phát hiện ra rằng sự khác biệt giữa cây C3 và C4 không phải là việc loại bỏ hoặc bổ sung các gen cụ thể", Ecker cho biết. "Thay vào đó, sự khác biệt nằm ở cấp độ điều hòa, điều này có thể giúp chúng tôi dễ dàng kích hoạt quá trình quang hợp C4 hiệu quả hơn ở cây trồng C3 trong thời gian dài".
Từ trái sang: Joseph Ecker và Joseph Swift. Tín dụng: Viện Salk
Tương lai của quang hợp trong nông nghiệp
Tất cả các tế bào trong một cơ thể đều chứa cùng một gen, nhưng gen nào được biểu hiện tại bất kỳ thời điểm nào sẽ quyết định danh tính và chức năng của từng tế bào. Một cách để biểu hiện gen có thể được sửa đổi là thông qua hoạt động của các yếu tố phiên mã. Các protein này nhận biết và đến các đoạn DNA nhỏ gần gen, được gọi là các yếu tố điều hòa. Khi ở đúng vị trí tại yếu tố điều hòa, một yếu tố phiên mã có thể giúp bật hoặc tắt các gen gần đó.
Khi đo biểu hiện gen ở cây lúa và cây cao lương, các nhà khoa học phát hiện ra rằng một họ yếu tố phiên mã thường được gọi là DOF chịu trách nhiệm bật các gen để tạo ra các tế bào bao bó mạch ở cả hai loài. Họ cũng nhận thấy rằng DOF liên kết với cùng một yếu tố điều hòa ở cả hai loài. Tuy nhiên, ở cây cao lương C4, yếu tố điều hòa này không chỉ liên kết với các gen nhận dạng bao bó mạch mà còn bật các gen quang hợp. Điều đó cho thấy rằng thực vật C4 đã gắn các yếu tố điều hòa tổ tiên cho các gen bao bó mạch vào các gen quang hợp, do đó DOF sẽ bật cả hai bộ gen cùng một lúc. Điều này sẽ giải thích cách các tế bào bao bó mạch ở thực vật C4 có được khả năng quang hợp.
Các thí nghiệm này cho thấy cả thực vật C3 và C4 đều chứa các gen và yếu tố phiên mã cần thiết cho quá trình quang hợp C4 vượt trội—một khám phá đầy hứa hẹn cho các nhà khoa học hy vọng thúc đẩy thực vật C3 sử dụng quá trình quang hợp C4.
Joseph Swift, đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Ecker, cho biết: "Bây giờ chúng ta đã có bản thiết kế về cách các loại thực vật khác nhau sử dụng năng lượng mặt trời để tồn tại trong các môi trường khác nhau". "Mục tiêu cuối cùng là cố gắng bật quá trình quang hợp C4 và tạo ra các loại cây trồng có năng suất và khả năng phục hồi cao hơn trong tương lai".
Nhiệm vụ tiếp theo của nhóm là xác định xem liệu có thể biến đổi gen lúa để sử dụng quá trình quang hợp C4 thay vì C3 hay không. Đây vẫn là một mục tiêu rất dài hạn với những thách thức kỹ thuật đáng kể đang được giải quyết thông qua nỗ lực hợp tác toàn cầu được gọi là "Dự án lúa C4". Ngay lập tức, những phát hiện này sẽ cung cấp thông tin cho sứ mệnh của Sáng kiến khai thác thực vật Salk nhằm tạo ra các loại cây trồng được tối ưu hóa đồng thời chống lại và chống chọi với mối đe dọa của biến đổi khí hậu.
Dữ liệu về hệ gen tế bào đơn của họ cũng đã được chia sẻ như một nguồn tài nguyên cho các nhà khoa học trên toàn thế giới, nhanh chóng thu hút sự phấn khích vì câu trả lời cho bí ẩn lâu đời này trong quá trình tiến hóa.
Tài liệu tham khảo: “Exaptation of ancestral cell-identity networks enabled C4 photosynthesis” của Joseph Swift, Leonie H. Luginbuehl, Lei Hua, Tina B. Schreier, Ruth M. Donald, Susan Stanley, Na Wang, Travis A. Lee, Joseph R. Nery, Joseph R. Ecker và Julian M. Hibberd, ngày 20 tháng 11 năm 2024, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3
Các tác giả khác bao gồm Travis Lee và Joseph Nery của Salk, cũng như Leonie Luginbuehl, Lei Hua, Tina Schreier, Ruth Donald, Susan Stanley, Na Wang và Julian Hibberd của Đại học Cambridge tại Vương quốc Anh.
Công trình này được hỗ trợ bởi Viện Y khoa Howard Hughes, Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Sinh học và Công nghệ Sinh học, Dự án C4 Rice, Quỹ Bill và Melinda Gates, Quỹ Nghiên cứu Khoa học Sự sống, Học bổng Herchel Smith và Tổ chức Sinh học Phân tử Châu Âu.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
