Thực vật CAM thực phẩm của tương lai

Thực vật CAM thực phẩm của tương lai

Khu vực nóng sẽ ngày càng nóng hơn, và khu vực khô hạn sẽ ngày càng khô hạn hơn. Đây chính là dự báo về hiện tượng ấm lên toàn cầu. Tác động của hiện tượng này tới những lĩnh vực quan trọng như năng lượng sinh học và thực phẩm vẫn còn chưa rõ ràng. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu một số thực vật chống chịu được hạn hán nghiêm trọng, với hi vọng tìm ra giải pháp giúp giảm thiểu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đối với nguồn thực phẩm và năng lượng sinh học.

Theo Tiến sĩ John Cushman – Đại học Nevada (Mỹ), CO2 và các khí nhà kính khác được phát thải vào khí quyển khiến nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng lên. Nhiệt độ nóng hơn làm tăng lượng đất khô cằn và cây cối hút nước nhiều hơn để chúng có thể tự làm mát, do đó dẫn đến khả năng hạn hán cao hơn. Vì vậy, chúng ta sẽ cần phát triển nhiều thêm các loài thực vật chống chịu hạn hán trong tương lai gần.

Thực vật CAM là phương án giải cứu

Thực vật CAM là phương án giải cứu

CAM, sự trao đổi acid crassulacean, là một loại hình quang hợp đặc thù cho phép một số loài thực vật giữ nước và sinh trưởng trong điều kiện môi trường khô hạn, và cũng là trọng tâm chính của cả hai nghiên cứu của Tiến sĩ John Cushman và Tiến sĩ Xiaohan Yang – Khoa Năng lượng, Phòng thử nghiệm Quốc gia Oak Ridge.

Tham khảo thêm bài viết: Thực vật CAM là gì? Gồm các loại cây nào?

“Quang hợp CAM xuất hiện trong hơn 6% các loài thực vật có mạch thuộc 36 họ thực vật khác nhau, khiến nó trở thành một hình thức thích ứng sinh học khá phổ biến”, TS. Cushman giải thích.

Nhiều cây trồng và hoa màu có giá trị kinh tế sử dụng một loại hình quang hợp phổ biến hơn, được gọi là quang hợp C3. TS. Cushman cho biết trong quang hợp C3, thực vật hấp thụ và cố định CO2 vào ban ngày khi lỗ khí mở, gây mất nước đáng kể. Ngược lại, thực vật CAM hút khí CO2 vào ban đêm và giữ lỗ khí đóng gần như cả ngày, do đó chúng giảm thiểu đáng kể việc mất nước do bốc hơi.

Theo TS.Yang, CAM cho phép thực vật phát triển mạnh trong môi trường khan hiếm nước như sa mạc khô cằn và các khu vực có hạn hán rõ rệt theo mùa. Nhờ khả năng này, thực vật CAM sử dụng nước hiệu quả hơn từ 5 đến 20 lần so với các thực vật quang hợp C3. Hiểu rõ được quá trình này ở mức căn bản có thể mang lại những ứng dụng thực tế trong phát triển thực phẩm chống chịu hạn và các cây trồng năng lượng sinh học.

Nghiên cứu của TS. Cushman sẽ tập trung vào cây giọt băng (họ Phiên hạnh), một loài cây đặc biệt vì đây là loài thực vật đầu tiên được nghiên cứu có thể chuyển từ quang hợp C3 sang quang hợp CAM khi phải chịu áp lực từ các tác nhân như hạn hán và đất mặn. Chúng là một mẫu tốt để nghiên cứu CAM vì toàn bộ chế độ quang hợp này có thể được kích thích. Cây giọt băng được coi là một loại thực vật CAM ngẫu nhiên, và nó cho phép các nhà khoa học xác định được những thành phần di truyền liên quan đến quang hợp CAM.

Nhóm nghiên cứu của Yang gần đây cũng đã công bố một công trình nghiên cứu thực vật agave (cây thuộc Chi Thùa, ví dụ như cây Nha đam). Chúng được chọn nghiên cứu vì là một giống cây trồng CAM có tính kinh tế quan trọng, và có tiềm năng lớn đến sản xuất nhiên liệu sinh học, sợi, thực phẩm và thức ăn chăn nuôi trong các khu vực khan hiếm nước.

Tất cả đều do gen

Một trong những khía cạnh chính của nghiên cứu về thực vật chống chịu khô hạn là hiểu được nền tảng di truyền điều khiển quá trình CAM.

Ts. Cushman chia sẻ rằng nhóm nghiên cứu của ông sẽ tạo ra một atlas về gen của cây giọt băng, một bộ sưu tập toàn diện về các biểu hiện gen trong một sinh vật. “Tầm quan trọng của việc xây dựng atlas về gen đó là giúp các nhà khoa học có thể nhận biết chính xác thời điểm và vị trí mà mỗi gen sẽ biểu hiện trong thực vật”, ông nhấn mạnh. Theo TS. Cushman, loại thông tin này cực kỳ quan trọng vì nó cung cấp các manh mối có thể về chức năng của một gen cụ thể. Đối với hầu hết các sinh vật, chức năng của khoảng 40% tất cả các gen vẫn còn là một ẩn số. Bằng cách cung cấp thêm thông tin về chức năng gen có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ vai trò của gen và khả năng liên quan đến tính chống chịu hạn hán.

Hiểu được cách các tác nhân môi trường và đồng hồ sinh học kiểm soát biểu hiện của quang hợp CAM là mục tiêu nghiên cứu chính của TS. Cushman. Nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành phân tích hệ phiên mã (transcriptome), hệ protein (proteome) và hệ chất chuyển hóa (metabolome) thông qua cây giọt băng.

Trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Plants, TS. Yang cho rằng nền tảng di truyền và chuyển hóa đã cho phép thực vật agave sinh trưởng trong khí hậu bán khô hạn.

Để thực hiện nghiên cứu, nhóm đã so sánh các tính chất phân tử của thực vật agave với một cây thuộc chi Arabidopsis (chi thực vật có hoa thuộc họ Cải), sử dụng khối phổ và đánh giá hành vi biểu hiện gen trong khoảng thời gian 24 tiếng. Họ phát hiện ra rằng thời điểm hoạt động của lỗ khí giữa ban đêm so với ban ngày có sự khác biệt đáng kể trong 2 loài thực vật.

Nghiên cứu này cho thấy rằng việc chỉnh thời gian biểu hiện gen tạm thời có liên quan đến cơ chế truyền dẫn tín hiệu, chúng quy định việc đóng/mở lỗ khí và cung cấp nguồn tài nguyên toàn diện

(bao gồm hệ phiên mã (transcriptome), hệ protein (proteome) và hệ chất chuyển hóa (metabolome)) tạo cơ hội chỉnh sửa nhiều đặc tính giữ nước hiệu quả của quang hợp CAM thành cây trồng quang hợp C3 có giá trị kinh tế.

Nghiên cứu của TS. Cushman về cây giọt băng bắt nguồn từ sa mạc Namibian của Châu Phi, và nghiên cứu của TS. Yang về thực vật agave và Kalanchoë (một chi thực vật nhiệt đới trong Họ Lá bỏng) đều được Viện Joint Genome của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ chọn vào 37 dự án của Chương trình Khoa học Cộng đồng. Chương trình này được thành lập để giúp cộng đồng khoa học tiếp cận với giải trình tự gen thông lượng cao và các nguồn lực khác tại Bộ Năng lượng dành cho những dự án liên quan đến sứ mệnh của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ có mục tiêu cải tiến nghiên cứu khoa học về gen.

Sinh học tổng hợp: Con đường hướng đến cây trồng chống chịu hạn hán

Mục tiêu chung của cả hai nghiên cứu của TS. Cushman và TS. Yang đó là chuyển cơ chế CAM sang thực vật quang hợp C3 bằng hướng tiếp cận sinh học tổng hợp để cải thiện hiệu quả trong việc giữ nước nói chung cho các cây trồng làm thực phẩm và năng lượng sinh học.

“Chúng tôi sẽ tổng hợp các mẫu biểu hiện gen để biết chính xác gen nào đóng vai trò quan trọng trong cơ chế CAM. Vì vậy, cây giọt băng là một mẫu cực kỳ quan trọng, và đó là lí do vì sao Bộ Năng lượng lại quan tâm đến nghiên cứu này”, TS. Cushman nói. “Hiện nay, chúng tôi có thể lấy những gen đó và đưa chúng vào các thực vật quang hợp C3 như lúa mì và lúa gạo, hoặc một nguồn nguyên liệu thân gỗ cho năng lượng sinh học như cây bạch dương, chúng tôi hi vọng giúp những loại cây này giữ nước tốt hơn”.

TS. Yang gợi ý có thể sử dụng một số kĩ thuật như thiết kế mạch di truyền, lắp ráp thông lượng cao các bộ phận DNA, chỉnh sửa gen và sắp xếp gen cho cây trồng để đạt được mục tiêu trên.

TS. Cushman cho rằng cây trồng được chỉnh sửa gen để sử dụng nước ít hơn, điều này là tối quan trọng trong bối cảnh những đợt hạn hán trong tương lai. Nước sẽ trở nên ngày càng quan trọng trong tương lai do sự ấm lên toàn cầu, và sẽ có thêm nhiều vùng phải chịu cảnh thiếu nước. Do đó, cải thiện khả năng sử dụng nước hiệu quả của cây trồng cũng rất quan trọng vì nông nghiệp tiêu thụ khoảng 70% nguồn nước bề mặt và nước ngầm trên hành tinh.

Minh Phương
(Theo www.laboratoryequipment.com)

0934 517 576