Ánh nắng mặt trời thay đổi làm chậm Rubisco và hạn chế năng suất quang hợp của cây trồng

26/01/2022 12:05

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 điô-xít trong quá trình quang hợp bởi một loại enzim duy nhất, được các nhà sinh vật học gọi là Rubisco. Không có gì đáng ngạc nhiên vì tầm quan trọng của nó do loại protein này có nhiều nhất trên thế giới. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Lancaster đang nghiên cứu cải thiện năng suất bền vững của các cây trồng chủ chốt ở châu Phi cận Sahara đã phát hiện ra một điểm không hoàn hảo trong cách thức hoạt động của Rubisco trên cây đậu đũa.

 

Bà Elizabete Carmo-Silva, Giáo sư sinh lý học cây trồng tại Lancaster cho biết: “Rubisco đóng vai trò trung tâm trong quá trình quang hợp và thường xuyên hạn chế quá trình 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 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 gần đây, được công bố trên tạp chí Nature Plants, Carmo-Silva và Cộng sự Nghiên cứu Cấp cao Sam Taylor phát hiện ra rằng khi lá đậu đũa đi vào bóng râm, hoạt động của enzim Rubisco giảm nhanh hơn so với những gì đã được đánh giá trước đây.

Điều này rất quan trọng bởi vì hàng ngày, khi một chiếc lá được ánh nắng mặt trời chạm đến, hoạt động của Rubisco mất vài phút để trang bị cho nguồn năng lượng mặt trời dồi dào mới, dẫn đến việc bỏ lỡ cơ hội chuyển đổi năng lượng đó thành đường. Bằng cách cộng thêm ảnh hưởng của những phút mất năng suất đó trong một ngày, điều này ước tính tiêu tốn ít nhất 20% khả năng hấp thụ các-bon điô-xít.

Carmo-Silva, người đang chủ trì nghiên cứu này cho dự án Thực hiện tăng hiệu quả quang hợp (RIPE) cho biết: “Các phản ứng quang hợp không diễn ra ngay lập tức. Lá mất vài phút để điều chỉnh khi đi từ bóng râm sang nơi có ánh sáng cao và trong những phút đó, lá không hấp thụ được nhiều CO2 như năng lượng ánh sáng của nó, do đó, lá bị hao hụt đáng kể. Chúng tôi bắt đầu xác định sự khác biệt giữa các giống đậu đũa ảnh hưởng đến tốc độ kích hoạt, để thử và xác định loại nào nhanh hơn”.

Dự án này là một phần của Thực hiện Tăng hiệu quả Quang hợp (RIPE), 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 thực phẩm hiệu quả hơn, với sự hỗ trợ của Văn phòng Phát triển & Ngoại giao Vương quốc Anh, Quỹ Nghiên cứu Nông nghiệp & Thực phẩm, và Quỹ Bill & Melinda Gates.

Lượng các-bon bị mất trong quá trình Rubisco 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 các-bon ở 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.

Taylor cho biết: “Chúng tôi không rõ cơ chế từ ánh nắng mặt trời đến bóng râm làm giảm quá trình kích hoạt Rubisco là gì, nhưng chúng tôi nhận thấy rằng quá trình này diễn ra khá nhanh chóng. Nếu đó là một quá trình chậm, bạn có thể ra nắng vài phút sau khi có bóng râm và sẽ không bị thiệt hại nhiều, nhưng thực sự, bạn chỉ cần ở trong bóng râm trong vài phút là phần lớn hoạt động giảm sút đó 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 những biến thể tồn tại trong thập niên 1000, 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 gien 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 có 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.

Lê Hồng Vân (Theo sciencedaily)

ĐĂNG KÝ HỘI VIÊN