Các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp nhân giống cây trồng sử dụng carbon hiệu quả hơn

 Các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp nhân giống cây trồng sử dụng carbon hiệu quả hơn

Việc phát hiện ra cách thức hoạt động của một loại enzyme quan trọng “ẩn trong bản thiết kế của tự nhiên” đã làm sáng tỏ cách thức các tế bào kiểm soát các quá trình quan trọng trong quá trình cố định carbon, một quá trình cơ bản cho sự sống trên Trái đất.

Phát hiện này được thực hiện bởi các nhà khoa học từ Đại học Quốc gia Úc (ANU) và Đại học Newcastle (UoN), có thể giúp tạo ra các loại cây trồng thích ứng với khí hậu có khả năng hút carbon dioxide từ khí quyển hiệu quả hơn, giúp sản xuất nhiều thực phẩm hơn trong quá trình này.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances , chứng minh chức năng chưa từng được biết đến trước đây của một loại enzyme gọi là carboxysomal carbonic anhydrase (CsoSCA), được tìm thấy trong vi khuẩn lam - còn gọi là tảo xanh lam - để tối đa hóa khả năng của vi sinh vật trong việc chiết xuất carbon dioxide từ khí quyển.

Vi khuẩn lam thường được biết đến với sự nở hoa độc hại ở hồ và sông. Nhưng những con bọ nhỏ màu xanh lam này rất phổ biến và chúng cũng sống ở các đại dương trên thế giới.

Mặc dù chúng có thể gây nguy hiểm cho môi trường nhưng các nhà nghiên cứu mô tả chúng là “siêu anh hùng carbon nhỏ bé”. Thông qua quá trình quang hợp, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc thu giữ khoảng 12% lượng khí carbon dioxide của thế giới mỗi năm.

Tác giả đầu tiên và nhà nghiên cứu tiến sĩ Sacha Pulsford, từ ANU, mô tả mức độ hiệu quả đáng chú ý của các vi sinh vật này trong việc thu giữ carbon.

Bà Pulsford cho biết: “Không giống như thực vật, vi khuẩn lam có một hệ thống gọi là cơ chế tập trung carbon dioxide (CCM), cho phép chúng cố định carbon từ khí quyển và biến nó thành đường với tốc độ nhanh hơn đáng kể so với thực vật và các loài cây trồng tiêu chuẩn”.

Trung tâm của CCM là các ngăn protein lớn gọi là carboxysome. Những cấu trúc này chịu trách nhiệm cô lập carbon dioxide, chứa CsoSCA và một loại enzyme khác gọi là Rubisco.

Các enzyme CsoSCA và Rubisco hoạt động đồng bộ, thể hiện tính chất hiệu quả cao của CCM. CsoSCA hoạt động để tạo ra nồng độ carbon dioxide cục bộ cao bên trong carboxysome mà Rubisco sau đó có thể tiêu hóa và biến thành đường cho tế bào sử dụng.

Tác giả chính, Tiến sĩ Ben Long, từ UoN, cho biết: "Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn về cách thức kiểm soát enzyme CsoSCA. Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc làm sáng tỏ bí ẩn này, đặc biệt là ở một nhóm vi khuẩn lam chính được tìm thấy trên toàn cầu. Những gì chúng tôi tìm thấy là hoàn toàn chính xác." không ngờ tới.

“Enzym CsoSCA nhảy theo giai điệu của một phân tử khác gọi là RuBP, kích hoạt nó giống như một công tắc. "Hãy nghĩ về quá trình quang hợp giống như làm một chiếc bánh sandwich. Carbon dioxide từ không khí làm đầy, nhưng tế bào quang hợp cần cung cấp bánh mì. Đó là RuBP. “Giống như bạn cần bánh mì để làm bánh sandwich, tốc độ biến carbon dioxide thành đường phụ thuộc vào tốc độ cung cấp RuBP. "Enzym CsoSCA cung cấp carbon dioxide cho Rubisco nhanh đến mức nào phụ thuộc vào lượng RuBP hiện diện. Khi có đủ, enzyme sẽ được bật. Nhưng nếu tế bào hết RuBP, enzyme sẽ bị tắt, khiến hệ thống bị điều chỉnh cao độ. “Đáng ngạc nhiên là enzyme CsoSCA đã được đưa vào bản thiết kế của tự nhiên từ lâu và đang chờ được khám phá.”

Các nhà khoa học cho biết cây trồng biến đổi gen có khả năng thu giữ và sử dụng carbon dioxide hiệu quả hơn sẽ mang lại sự thúc đẩy to lớn cho ngành nông nghiệp bằng cách cải thiện đáng kể năng suất cây trồng đồng thời giảm nhu cầu về phân bón nitơ và hệ thống tưới tiêu.
 
Nó cũng sẽ đảm bảo hệ thống thực phẩm của thế giới có khả năng phục hồi tốt hơn trước biến đổi khí hậu.
Bà Pulsford cho biết: "Hiểu cách thức hoạt động của CCM không chỉ làm phong phú thêm kiến ​​thức của chúng ta về các quá trình tự nhiên cơ bản đối với hóa sinh học của Trái đất mà còn có thể hướng dẫn chúng ta tạo ra các giải pháp bền vững cho một số thách thức môi trường lớn nhất mà thế giới đang phải đối mặt."

 

Nguyễn Thị Thủy Tiên - Hcmbiotech, theo Sciencedaily.

Nghiên cứu vai trò quan trọng của vi khuẩn đối với sức khỏe thực vật ven biển

 Nghiên cứu vai trò quan trọng của vi khuẩn đối với sức khỏe thực vật ven biển

Các đầm lầy nước mặn của Georgia - sống ở nơi đất liền giáp biển - trải dài dọc theo toàn bộ bờ biển dài 100 dặm. Những hệ sinh thái phong phú này phần lớn chỉ bị chi phối bởi một loài thực vật là cỏ.

Được biết đến với cái tên cỏ dây, loại cây này là một hệ sinh thái, cung cấp môi trường sống cho động vật hoang dã, làm sạch nước một cách tự nhiên khi nó di chuyển từ đất liền ra biển và giữ chặt bờ biển để nó không bị sụp đổ. Thậm chí, cỏ dây còn bảo vệ con người khỏi thủy triều dâng.

Sự khỏe mạnh của loài cây này có tầm quan trọng đối với hệ sinh thái. Ví dụ, một yếu tố gây stress thực vật được biết đến phổ biến ở đất đầm lầy là hợp chất lưu huỳnh hòa tan, sunfua, được vi khuẩn sản xuất và tiêu thụ. Nhưng trong khi bờ biển Georgia tự hào hệ sinh thái phong phú, thì việc hiểu rõ các tương tác của vi khuẩn với thực vật trong các hệ sinh thái này vẫn là điều khó nắm bắt. Nhờ những tiến bộ gần đây trong công nghệ gen, các nhà sinh học Georgia Tech đã bắt đầu tiết lộ những quá trình sinh thái chưa từng thấy trước đây.

Công trình của nhóm đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Joel Kostka, Giáo sư Tom và Marie Patton và Phó chủ tịch Nghiên cứu tại Trường Khoa học Sinh học, và Jose Luis Rolando, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ, đã bắt đầu điều tra mối quan hệ giữa cỏ dây Spartina alterniflora và các cộng đồng vi sinh vật sống ở rễ của chúng để xác định vi khuẩn và vai trò của chúng (Hình 1).

 

Hình.1 Độ dốc sinh khối Spartina alterniflora được mô phổng theo tự nhiên.

 
Chất sinh học trong sinh khối trên mặt đất của S. alterniflora thường được quan sát thấy ở những cây cao mọc ở những con đê cạnh những con lạch thủy triều lớn và kiểu hình ngắn của S. alterniflora chiếm ưu thế bên trong đầm lầy. Trầm tích từ vùng S. alterniflora cao có đặc điểm là môi trường bị oxy hóa nhiều hơn với mức độ khử sắt cao hơn và quá trình nitrat hóa-khử nitrat kết hợp cũng như tốc độ thủy phân và khoáng hóa chất hữu cơ cao hơn. Ngược lại, trầm tích từ kiểu hình ngắn có xu hướng giảm về mặt hóa học nhiều hơn, với tốc độ khử sunfat cao hơn, độ mặn của nước lỗ rỗng tăng cao và ít xáo trộn sinh học và dòng thủy triều. Rễ từ kiểu hình S. alterniflora ngắn đã được đề xuất là nơi chứa vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh (SOB) có lợi cho cây bằng cách giải độc môi trường rễ.

Kostka cho biết: “Giống như con người có vi khuẩn đường ruột giúp chúng ta khỏe mạnh, thực vật phụ thuộc vào vi khuẩn trong mô của chúng để có sức khỏe, tăng khả năng miễn dịch, trao đổi chất và hấp thu chất dinh dưỡng”. “Mặc dù, chúng ta đã biết về các phản ứng thúc đẩy chu trình dinh dưỡng và carbon trong đầm, nhưng không có nhiều dữ liệu về vai trò của vi khuẩn trong hoạt động của hệ sinh thái.”

Ở ngoài đầm lầy

Cách chủ yếu để thực vật lấy chất dinh dưỡng là thông qua quá trình cố định đạm, một quá trình trong đó vi khuẩn chuyển đổi nitơ thành dạng mà thực vật có thể sử dụng. Ở đầm lầy, vai trò này chủ yếu từ các vi khuẩn dị dưỡng hoặc vi khuẩn phát triển và lấy năng lượng từ carbon hữu cơ. Vi khuẩn tiêu thụ độc tố thực vật sulfua là sinh vật hóa tự dưỡng, sử dụng năng lượng từ quá trình oxy hóa sulfua để cung cấp năng lượng cho quá trình hấp thụ carbon dioxide nhằm tạo ra carbon hữu cơ của riêng chúng để phát triển.

"Qua nghiên cứu trước đây, chúng tôi biết rằng Spartina alterniflora có vi khuẩn lưu huỳnh trong rễ và có hai loại: vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh, sử dụng sunfua làm nguồn năng lượng và chất khử sunfat, hô hấp sunfat và tạo ra sunfua, một loại độc tố cho cây trồng”. Rolando cho biết: “Chúng tôi muốn biết thêm về vai trò của các vi khuẩn lưu huỳnh khác nhau này trong chu trình nitơ.”

Kostka và Rolando đến đảo Sapelo, Georgia, nơi họ thường xuyên tiến hành nghiên cứu thực địa ở vùng đầm lầy muối. Các nhà nghiên cứu và sinh viên đã thu thập cỏ dây cùng với các mẫu trầm tích bùn bám vào rễ của chúng. Sau khi trở lại phòng thí nghiệm, nhóm tập trung làm sạch cỏ và tách rễ cây ra.

Tiếp theo, họ sử dụng một kỹ thuật đặc biệt liên quan đến các nguyên tố hóa học xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng chất đánh dấu để theo dõi các quá trình của vi sinh vật. Họ cũng phân tích DNA và RNA của các vi khuẩn sống trong các ngăn khác nhau của thực vật.

Công nghệ giải trình tự metagenomics được sử dụng để phân tích toàn bộ DNA từ cộng đồng vi sinh vật và tái tạo lại bộ gen từ các sinh vật mới được phát hiện. Tương tự như vậy, việc giải trình tự RNA không có mục tiêu của cộng đồng vi sinh vật cho phép họ đánh giá loài vi sinh vật nào và các chức năng cụ thể gì đang hoạt động trong mối liên hệ chặt chẽ với rễ cây (Hình 2).
 

Hình 2. Xây dựng cây phát sinh gen của 160 đoạn gen từ metagenome của các bộ gen được tập hợp (MAG, >50 điểm chất lượng) được chọn lọc từ các mẫu trầm tích thực vật thân rễ và rễ của Spartina. Vành ngoài cho thấy sự hiện diện/vắng mặt của các gen cố định carbon (RuBisCO), cố định nitơ (nifHDK), oxy hóa thiosulfate (soxABXYZ), khử/oxy hóa sulfite hòa tan (dsrAB), quá trình nitrat hóa (amoCAB), khử nitrat và chuyển hóa nitrat hòa tan thành amoni (DNRA). Các loài Desulfosarcinaceae và Candidatus Thiodiazotropha lần lượt được tô sáng trong các đa giác màu hồng và màu cam.

 
Với sự kết hợp các kỹ thuật này, họ phát hiện ra rằng, vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh hóa tự dưỡng cũng tham gia vào quá trình cố định đạm. Những vi khuẩn này không chỉ giúp thực vật bằng cách giải độc vùng rễ mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nitơ cho cây. Vai trò kép này của vi khuẩn trong chu trình lưu huỳnh và cố định đạm làm nổi bật tầm quan trọng của chúng trong hệ sinh thái ven biển và sự đóng góp của chúng đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật.

Rolando cho biết: “Cây trồng ở những khu vực có mức độ tích lũy sunfua cao có xu hướng nhỏ hơn và kém khỏe mạnh hơn”. "Tuy nhiên, chúng tôi phát hiện ra rằng các cộng đồng vi sinh vật trong rễ Spartina giúp giải độc sunfua, tăng cường sức khỏe và khả năng phục hồi của thực vật."

Ý nghĩa cục bộ đến toàn cầu

Cordgrasses không chỉ là nhân tố chính ở đầm lầy Georgia; chúng cũng chiếm đa phần tại các đầm lầy trên toàn vùng Đông Nam, bao gồm cả Carolinas và Bờ Vịnh. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các loại vi khuẩn tương tự có liên quan đến rễ cỏ dây, rừng ngập mặn và cỏ biển trong các hệ sinh thái ven biển.

Rolando cho biết: “Phần lớn bờ biển ở vùng khí hậu nhiệt đới và ôn đới được bao phủ bởi các vùng đất ngập nước ven biển”. "Những khu vực này có khả năng có sự cộng sinh của vi sinh vật, điều đó có nghĩa là những tương tác này tác động đến hoạt động của hệ sinh thái trên quy mô toàn cầu."

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có kế hoạch khám phá thêm chi tiết về cách thực vật đầm lầy và vi khuẩn trao đổi nitơ và carbon bằng cách sử dụng kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến kết hợp với phép đo phổ khối có độ phân giải cực cao để xác nhận phát hiện ở mức độ tế bào đơn.

Kostka cho biết: “Khoa học tuân theo công nghệ và chúng tôi rất vui mừng được sử dụng các phương pháp gen mới nhất để xem loại vi khuẩn nào ở đó và hoạt động”. “Vẫn còn nhiều điều cần tìm hiểu về mối quan hệ phức tạp giữa thực vật và vi khuẩn trong hệ sinh thái ven biển, và chúng tôi đang bắt đầu khám phá mức độ phức tạp của vi sinh vật giúp đầm lầy khỏe mạnh.”

Nguồn bài viết: Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Georgia . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.
 

Đinh Anh Hòa - Hcmbiotech

MicroRNA mở ra triển vọng cải thiện cây trồng

 MicroRNA mở ra triển vọng cải thiện cây trồng

Các nhà nghiên cứu tại Texas A&M AgriLife đã tái định nghĩa hiểu biết của chúng ta về một quá trình quan trọng trong sinh học thực vật. MicroRNA có thể giúp cây trồng chịu hạn, mặn, các tác nhân gây bệnh và nhiều yếu tố khác tốt hơn. Tuy nhiên, trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature Plants, các nhà khoa học của Texas A&M AgriLife Research đã chỉ ra rằng chúng ta còn nhiều điều chưa biết về các quá trình phức tạp mà thực vật sử dụng để sản xuất microRNA.

 

MicroRNA là các phân tử nhỏ có thể hướng dẫn protein giảm biểu hiện gen và việc tạo ra các phiên bản nhân tạo cho phép các nhà khoa học nhắm mục tiêu vào các gen cụ thể để cải thiện cây trồng.

 

"Mặc dù các phân tử microRNA rất nhỏ, nhưng tác động của chúng là rất lớn", tiến sỹ Xiuren Zhang, giáo sư tại Khoa Hóa sinh và Sinh học Phân tử, Trường Cao đẳng Nông nghiệp và Khoa học Đời sống Texas A&M cho biết.

 

Sử dụng các đột biến chính xác và thiết kế thí nghiệm thông minh, các nhà nghiên cứu của Texas A&M AgriLife đã đánh giá lại tổng quan của microRNA trong cây trồng mô hình Arabidopsis thaliana và phát hiện ra rằng chưa đến một nửa trong số chúng được xác định chính xác là microRNA, trong khi những cái khác bị phân loại sai hoặc cần được điều tra thêm.

 

Ngoài việc làm rõ các phân tử microRNA thực sự trong Arabidopsis thaliana, nghiên cứu còn cung cấp một thiết kế thí nghiệm hiệu quả để lặp lại phân tích này trên các cây trồng khác và thậm chí cả động vật, những đối tượng cũng có thể cần một đánh giá tương tự. Những phát hiện của nhóm nghiên cứu cũng giúp họ tạo ra các hướng dẫn mới cho việc thiết kế microRNA nhân tạo, mở ra cơ hội cải thiện các loại cây trồng như ngô, lúa mì, đậu nành và lúa.

 

Một Nỗ Lực Kéo Dài Hàng Thập Kỷ

 

MicroRNA có chiều dài đồng nhất khoảng 21 đến 24 nucleotide. Tuy nhiên, trong thực vật, tiến sỹ Zhang cho biết các tiền chất của chúng có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau.

 

Do sự đa dạng về cấu trúc của các tiền chất, việc xác định các đặc điểm chính nào là quan trọng nhất cho quá trình xử lý của chúng đã là một thách thức và điều này đã để lại câu hỏi về cách microRNA được tạo ra trong thực vật phần lớn chưa được khám phá và xác minh.

 

Khoảng 10 năm trước, tiến sỹ Zhang cho biết, ông và phòng thí nghiệm của mình đã tìm thấy một mô hình giữa một vòng lặp trên cấu trúc tiền chất microRNA và vị trí cắt đầu tiên. Vết cắt ban đầu này rất quan trọng vì nó xác định nucleotide đầu tiên trên phân tử microRNA trưởng thành, một yếu tố quan trọng để hướng nó đến vị trí chính xác trong tế bào.

.

Thật không may, trong số 326 tiền chất microRNA được đề xuất trong Arabidopsis thaliana, chỉ có một vài có vòng lặp tham chiếu lý tưởng mà phòng thí nghiệm của Zhang tìm thấy — ít nhất là theo các mô hình tính toán.

 

"Các mô hình dựa trên hóa học thuần túy", tiến sỹ Zhang nói. "Chúng chỉ tập trung vào năng lượng tự do, vào những dạng ổn định nhất. Nhưng không thể giải thích tại sao nhiều tiền chất đa dạng lại có thể tạo ra các sản phẩm có cùng kích thước".

 

Thay vì dựa vào các mô hình, phòng thí nghiệm của Zhang đã tìm cách xác minh các tiền chất microRNA trong thực vật. Họ muốn tìm các vị trí cắt đầu tiên trên các tiền chất và xác nhận các yếu tố cấu trúc của chúng trong tế bào.

 

Phát hiện bất ngờ

 

Để làm điều này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các đột biến rất cụ thể đối với protein dicer, như tên gọi của nó, chịu trách nhiệm tạo ra các vết cắt chính xác cho tiền chất microRNA. Thông thường, protein hoạt động như hai bàn tay giữ một sợi kép của RNA tiền chất và cắt tại một vị trí trong mỗi sợi đồng thời trước khi giải phóng phân tử RNA.

 

"Chúng tôi đã thực hiện các đột biến điểm tại hai vị trí riêng biệt trong protein giống dicer để làm cho chúng bán hoạt động", Yan nói. "Bằng cách đó, chúng chỉ có thể cắt một sợi và dừng lại trước khi xử lý thêm. Điều này cho chúng tôi cơ hội để nắm bắt các sản phẩm trung gian của tiền chất microRNA, cho chúng tôi biết các vị trí xử lý ban đầu và nucleotide đầu tiên đó".

 

Kết quả của họ cho thấy chỉ có 147 trong số 326 tiền chất microRNA được cho là tương tác với protein dicer một cách rõ ràng, đánh dấu chúng là tiền chất microRNA thực sự. 81 tiền chất  không tương tác chút nào, cho thấy chúng nên được phân loại lại thành một loại RNA khác. Khoảng 100 tiền chất microRNA  cần được điều tra thêm.

 

Nhóm nghiên cứu cũng đã sử dụng một kỹ thuật công nghệ cao tiên tiến và phương pháp tính toán mới để lập bản đồ cấu trúc của các tiền chất microRNA trong điều kiện tế bào tự nhiên của chúng và phát hiện ra rằng, trong số 147 phân tử microRNA thực sự, khoảng 95% cấu trúc của chúng trong tế bào khác với dự đoán của máy tính.

 

"Chúng tôi đã tìm thấy một số kết quả khá khác biệt so với dự đoán và từ tài liệu", Li nói. "Chúng tôi đã có thể kết hợp kết quả sinh hóa với giải trình tự để có thêm thông tin, và bây giờ hiểu biết của chúng tôi về các cấu trúc chính xác hơn nhiều".

 

Tương lai

 

Nhóm nghiên cứu vẫn còn nhiều tiền chất microRNA cần xác nhận trong Arabidopsis thaliana, nhưng Zhang cho biết họ rất hào hứng theo đuổi các hợp tác để điều tra quá trình xử lý microRNA trong các cây trồng để cho các ứng dụng thực tiễn hơn.

 

"Chúng tôi muốn tìm hiểu thêm về loại microRNA ở các cây trồng khác, cách chúng được xử lý và cách chúng tôi có thể tạo ra microRNA nhân tạo trong các cây này", ông nói. "Nghiên cứu này cung cấp các tài nguyên có thể được sử dụng rộng rãi, và bây giờ chúng tôi có thể sử dụng nó để xem xét trên các cây trồng khác, tìm ra những gì cần được sửa chữa và xem chúng tôi có thể làm gì khác với công cụ này".

 

Bùi Anh Xuân theo Texas A&M.

Công nghệ enzyme tạo ra vanillin tự nhiên từ thực vật chỉ trong một bước

Công nghệ enzyme tạo ra vanillin tự nhiên từ thực vật chỉ trong một bước

Chiết xuất vani là một trong những hợp chất hương liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong các sản phẩm thực phẩm và mỹ phẩm. Mùi dễ chịu và ngọt ngào của hương vị cổ điển này được truyền tải bởi hợp chất hóa học 'vanillin' được tìm thấy trong vỏ hạt của cây vani thuộc họ lan. Ở thực vật, vanillin được tổng hợp bằng cách chuyển đổi axit ferulic nhờ enzyme - VpVAN. Tuy nhiên, quá trình sinh tổng hợp vanillin trong phòng thí nghiệm từ VpVAN có nguồn gốc từ thực vật chỉ tạo ra một lượng vanillin rất nhỏ và do đó không khả thi về mặt thương mại. Hơn nữa, mặc dù tinh chất vani có nguồn gốc hóa học có sẵn với giá rẻ nhưng chúng không phù hợp với hương vị của chiết xuất vani tự nhiên và nhu cầu về loại tinh chất vani này vẫn tiếp tục ở mức cao. Ngoài ra, những hạn chế về khí hậu đối với việc trồng cây vani và năng suất tương đối nhỏ trên mỗi cây đã dẫn đến nguồn cung suy giảm và giá chiết xuất vani tự nhiên tăng vọt.

 

Enzim biến đổi gen mới chuyển đổi bền vững axit ferulic từ chất thải thực vật thành vanillin.

Giải quyết những thách thức này, Giáo sư Toshiki Furuya từ Khoa Khoa học Sinh học Ứng dụng, Khoa Khoa học và Công nghệ, Đại học Khoa học Tokyo, cùng các nghiên cứu sinh Shizuka Fujimaki và Satsuki Sakamoto, đã phát triển thành công loại enzyme tạo ra vanillin từ axit ferulic có nguồn gốc từ thực vật. "Axit ferulic, nguyên liệu thô, là một hợp chất có thể thu được rất nhiều từ chất thải nông nghiệp như cám gạo và cám lúa mì. Vanillin được tạo ra đơn giản bằng cách trộn axit ferulic với enzyme đã phát triển ở nhiệt độ phòng. Vì vậy, công nghệ đã được thiết lập có thể cung cấp một phương pháp đơn giản và thân thiện với môi trường để sản xuất các hợp chất hương vị”, Giáo sư Furuya giải thích. Nghiên cứu của họ được công bố vào ngày 10 tháng 5 năm 2024 trên tạp chí Vi sinh ứng dụng và môi trường.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp kỹ thuật di truyền để sửa đổi cấu trúc phân tử của enzyme -- 'Ado'. Ado ban đầu là một enzyme oxydase bổ sung một nguyên tử oxy vào cơ chất - isoeugenol. Ở trạng thái tự nhiên, nó không có khả năng chuyển axit ferulic thành vanillin. Bằng cách sử dụng phân tích mô hình cấu trúc, các nhà nghiên cứu có thể dự đoán những thay đổi về axit amin trong Ado sẽ cho phép nó tương tác với axit ferulic. Trên những dây chuyền này, họ đã tiến hành một loạt thí nghiệm bằng cách thay thế các gốc axit amin phenylalanine và valine tại các vị trí cụ thể trong cấu trúc của Ado bằng nhiều loại axit amin khác. Họ tiếp tục kiểm tra khả năng chuyển đổi axit ferulic của các loại protein đột biến được xử lý bằng công nghệ khác nhau.

Sau một số thử nghiệm và sai sót, họ phát hiện ra một loại protein đột biến trong đó chỉ có ba gốc phenylalanine và valine cụ thể được thay thế bằng tyrosine và arginine, phản ứng ổn định với axit ferulic và thể hiện hoạt tính chuyển đổi cao. Đáng chú ý, enzyme được thao tác di truyền không yêu cầu bất kỳ đồng yếu tố nào để chuyển đổi, không giống như các oxidase khác, và tạo ra vanillin ở cấp độ gam trên mỗi lít dung dịch phản ứng, với hiệu suất xúc tác và ái lực cao hơn so với enzyme tự nhiên. Phản ứng chỉ yêu cầu trộn enzyme, axit ferulic và không khí (oxy phân tử) ở nhiệt độ phòng, khiến đây trở thành một quy trình đơn giản, bền vững và có thể mở rộng về mặt kinh tế. Hơn nữa, enzyme tiến hóa ở cấp độ phân tử cũng thể hiện hoạt động chuyển đổi thành axit p-coumaric và axit sinapic, là những hợp chất thu được từ quá trình phân hủy lignin - một chất thải nông nghiệp phổ biến.

Cho đến nay, chưa có enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật hoặc thực vật nào thể hiện khả năng chuyển đổi axit ferulic thành vanillin ở quy mô công nghiệp. Do đó, enzyme được phát triển trong nghiên cứu hiện tại cho thấy tiềm năng đáng kể trong việc tạo điều kiện cho việc sản xuất vanillin tự nhiên có hiệu quả kinh tế và thương mại.

 Giải thích về ý nghĩa lâu dài của nghiên cứu của mình, Giáo sư Furuya cho biết: "Khai thác tiềm năng của vi sinh vật và enzyme để tạo ra các hợp chất có giá trị trong điều kiện ôn hòa từ các nguồn tài nguyên có nguồn gốc thực vật tái tạo, mang đến một cách tiếp cận bền vững để giảm thiểu tác động đến môi trường. Với một công ty, nỗ lực nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc đạt được việc triển khai sản xuất vanillin trong thế giới thực thông qua việc sử dụng enzyme mới được phát triển."
 

Nguyễn Thị Thủy Tiên - Hcmbiotech, nguồn: sciencedaily.com

 

Luân canh đa dạng cây trồng giúp giảm nguy cơ mất mùa trong điều kiện canh tác kém

Luân canh đa dạng cây trồng giúp giảm nguy cơ mất mùa trong điều kiện canh tác kém

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Dịch vụ Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đang ứng phó với tình hình khí hậu ngày càng bất ổn. Thời tiết ấm hơn và khó lường hơn là nguồn gây bất ổn cho các trang trại của Hoa Kỳ. Các nhà nông sinh thái học của ARS đã tìm đến lịch sử để tìm giải pháp cho thách thức này, điều này đã truyền cảm hứng cho họ hiểu rõ hơn về lợi ích của luân canh cây trồng.

 

Việc trồng một loạt các loại cây trồng khác nhau trong hệ thống luân canh đã được thực hiện trong nhiều thiên niên kỷ. Luân canh cây trồng có thể phục hồi sức khỏe đất, chống lại sâu bệnh và giảm bớt rủi ro do nhiều loại dịch hại và bệnh hại cây trồng khác nhau.

 

Luân canh cây trồng cũng làm tăng tính bền vững của các hệ thống nông nghiệp và giảm rủi ro do thời tiết ngày càng bất lợi. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi luân canh đa dạng cây trồng bị hạn chế bởi sự bất ổn về kinh tế, thiếu các biện pháp khuyến khích và thông tin không đầy đủ về kết quả lâu dài.

 

Các nhà nghiên cứu của ARS đã thu thập dữ liệu từ 20 thí nghiệm dài hạn kéo dài tới sáu thập kỷ để so sánh kết quả từ việc luân canh cây trồng khác nhau trên khắp Bắc Mỹ. Mục tiêu của họ là đánh giá những thay đổi về kết quả trong các điều kiện canh tác khác nhau đối với từng loại cây trồng, chẳng hạn như ngô hoặc đậu nành, trong luân canh cây trồng. Họ cũng xem xét kết quả toàn diện của luân canh cây trồng nói chung - không chỉ riêng các thành phần.

 

Bằng cách xem xét cả hai, họ có thể định lượng được lợi ích và sự đánh đổi của luân canh cây trồng. Kết quả có xu hướng tốt hơn đối với từng loại cây trồng khi được trồng trong  luân canh đa dạng cây trồng trong mọi điều kiện canh tác. Kết quả của luân canh cây trồng toàn diện phụ thuộc vào loại cây trồng nào được trồng trong hệ thống luân canh cây trồng.

 

Điều này cho thấy thành phần trong luân canh cây trồng là yếu tố quan trọng hơn hiệu suất của từng loại cây trồng. Luân canh đa dạng cây trồng cải thiện kết quả luân canh cây trồng toàn diện trong điều kiện canh tác kém. Điều này minh họa cách thức luân canh đa dạng cây trồng có thể làm giảm nguy cơ mất mùa trong điều kiện biến đổi khí hậu.

 

Nhà sinh thái học Katherine Muller của ARS cho biết: “Kết quả của chúng tôi bổ sung vào khối lượng bằng chứng ngày càng tăng, điều này rất cần thiết để xóa bỏ các rào cản ngăn cản việc áp dụng các biện pháp canh tác bền vững. Theo hiểu biết của chúng tôi, không có nhiều nghiên cứu dài hạn, ở nhiều địa điểm tiến hành để tìm hiểu ảnh hưởng thay đổi luân canh đối với kết quả của luân canh toàn diện và các loại cây trồng thành phần của luân canh cùng thời điểm”.

 

Nhiều nông dân phải đối mặt với những rào cản lớn để đa dạng hóa luân canh cây trồng của họ. Luân canh đa dạng hơn có thể khiến việc quản lý trở nên phức tạp hơn và có thể cần đến thiết bị mới. Người nông dân cũng có thể cần học cách trồng các loại cây trồng mới và phát triển sự hiểu biết về cách các loại cây trồng phù hợp với hoạt động của họ.

 

Người nông dân có thể được hưởng lợi vì luân canh đa dạng hơn có thể giảm lượng phân bón hoặc thuốc trừ sâu cần thiết để duy trì năng suất. Đây là tin vui cho những người nông dân đang phải đối mặt với một bất ổn khác là giá phân đạm biến động.

 

Mặc dù hiệu quả, luân canh đa dạng hơn có thể mất nhiều năm mới cho thấy kết quả, đó là lý do tại sao các thí nghiệm nông nghiệp dài hạn là nguồn bằng chứng có giá trị. Mạng lưới DRIVES (Luân canh đa dạng cải thiện các dịch vụ hệ sinh thái có giá trị) đã kết hợp dữ liệu từ 20 thí nghiệm dài hạn để đánh giá ảnh hưởng của sự đa dạng cây trồng trên nhiều vùng và hệ thống sản xuất.

 

Mạng lưới DRIVES đang mở rộng số lượng thí nghiệm trong cơ sở dữ liệu của họ, điều này sẽ giúp người nông dân bằng cách cung cấp ước tính về lợi ích và chi phí của việc quản lý luân canh đa dạng hơn. Ngoài hiệu quả kinh tế, Mạng lưới DRIVES cũng sẽ cung cấp bằng chứng về cách luân canh đa dạng có thể làm giảm tính dễ bị tổn thương của hệ thống canh tác trước thời tiết bất lợi. Bằng cách ghép dữ liệu năng suất dài hạn với các biến thời tiết, như thiếu hụt áp suất hơi nước hoặc căng thẳng nhiệt, các nhà nghiên cứu sẽ có thể chỉ ra cách thức và thời điểm để giảm bớt sự tổn thương.

 

“Các thí nghiệm ngoài đồng dài hạn là báu vật quốc gia để nắm bắt động lực trong các biến thay đổi chậm như đặc điểm đất hoặc phản ứng trong điều kiện thất thường, như hạn hán. Cả hai biến này đều rất quan trọng để hiểu cách các hệ thống nông nghiệp có thể thích ứng với biến đổi khí hậu”, Ann Bybee-Finley, phó giáo sư khoa học cây trồng và đất đai của NC State, người đã bắt đầu nghiên cứu này trong khi hoàn thành các nghiên cứu sau tiến sỹ của mình tại ARS, cho biết.

 

“Mạng lưới DRIVES nhằm mục đích kết nối dữ liệu từ các thí nghiệm dài hạn có luân canh cây trồng trên khắp Bắc Mỹ và công khai cho công chúng”.

 

Nghiên cứu này được công bố trên One Earth.

 

Nguyễn Tiến Hải theo Phys.org

Sự kết hợp giữa sinh học tổng hợp và in 3D tạo ra vật liệu sống theo lập trình

  Sự kết hợp giữa sinh học tổng hợp và in 3D tạo ra vật liệu sống theo lập trình

Các nhà khoa học đang sử dụng tế bào thực vật để tạo ra các loại vật liệu mới có khả năng phát triển, tự sửa chữa và phản ứng lại với môi trường xung quanh. Những vật liệu này được gọi là "vật liệu sống được thiết kế", và chúng được tạo ra bằng cách đưa tế bào vào một khung ma trận, được định hình theo mong muốn. Một nghiên cứu mới đây đã được các nhà nghiên cứu báo cáo trong tạp chí ACS Central Science, cho biết họ đã in 3D một loại mực sinh học chứa các tế bào thực vật đã được chỉnh sửa gen, tạo ra các vật liệu có thể lập trình. Các ứng dụng trong tương lai có thể bao gồm việc sản xuất sinh học và xây dựng bền vững.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển các vật liệu sống được thiết kế, chủ yếu dựa trên vi khuẩn và nấm làm thành phần sống. Tuy nhiên, những đặc điểm độc đáo của tế bào thực vật đã khiến cho việc sử dụng chúng trong vật liệu sống thực vật được thiết kế (Engineered Plant Living Materials, EPLMs) trở nên thú vị. Tuy nhiên, các vật liệu dựa trên tế bào thực vật tạo ra cho đến nay thường có cấu trúc đơn giản và chức năng hạn chế.
 
Ziyi Yu, Zhengao Di và đồng nghiệp của họ muốn thay đổi điều đó bằng cách tạo ra các EPLMs có hình dạng phức tạp, chứa các tế bào thực vật được chỉnh sửa gen với các hành vi và khả năng có thể tùy chỉnh. Các nhà nghiên cứu đã trộn tế bào cây thuốc lá với gelatin và các hạt vi khuẩn hydrogel chứa Agrobacterium tumefaciens, một loại vi khuẩn thường được sử dụng để biến nạp DNA vào gen của cây. Hỗn hợp mực sinh học này sau đó được in 3D trên một tấm phẳng hoặc bên trong một vật chứa gel khác để tạo ra các hình dạng như lưới, tuyết, lá và xoắn. Tiếp theo, hydrogel trong vật liệu in được xử lý bằng bằng ánh sáng xanh. Trong vòng 48 giờ tiếp theo, vi khuẩn trong các EPLMs chuyển giao DNA cho các tế bào cây đang phát triển. Các vật liệu sau đó được rửa bằng kháng sinh để tiêu diệt vi khuẩn. Trong những tuần tiếp theo, khi các tế bào thực vật phát triển và nhân đôi trong các EPLMs, chúng bắt đầu sản xuất các protein theo DNA đã được biến nạp.

Hình 1: Phương pháp tích hợp các vi hạt hydrogel tương thích sinh học (HMP) được mồi để in sinh học 3D với Agrobacteria tumefaciens có khả năng chuyển đổi tế bào thực vật, đóng vai trò là xương sống cho sự phát triển và biến đổi đồng thời của tế bào cây thuốc lá

 
Trong nghiên cứu chứng minh khái niệm này, DNA được chuyển giao đã cho phép tế bào cây thuốc lá tạo ra protein huỳnh quang màu xanh lá cây hoặc betalain - sắc tố thực vật màu đỏ hoặc vàng có giá trị như chất tạo màu tự nhiên và chất bổ sung vào chế độ ăn uống. Bằng cách in EPLM hình chiếc lá bằng hai loại mực sinh học khác nhau - một loại tạo ra sắc tố đỏ dọc theo gân lá và loại còn lại là sắc tố màu vàng ở phần còn lại của lá - các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật của họ có thể tạo ra các cấu trúc phức tạp, được kiểm soát về mặt không gian và đa chức năng.
 

Hình 2: Sơ đồ in sinh học 3D của PLM. Dòng tế bào BY-2 có nguồn gốc từ Nicotiana tabacum, HMP và Gel-MA (gelatin methacrylat) được trộn theo tỷ lệ thích hợp để tạo thành mực sinh học được nạp BY-2, có thể được in thành cấu trúc 3D thông qua in đùn hoặc in huyền phù.

 
Theo các nhà nghiên cứu, các EPLM như vậy, kết hợp các đặc điểm của sinh vật sống với tính ổn định và độ bền của các chất không sống, có thể được sử dụng làm nhà máy tế bào để tạo ra các chất chuyển hóa thực vật hoặc protein dược phẩm, hoặc thậm chí trong các ứng dụng xây dựng bền vững.

Nguồn bài viết: Tài liệu do American Chemical Society. cung cấp. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.
 
Tạp chí tham khảo:
Yujie Wang, Zhengao Di, Minglang Qin, Shenming Qu, Wenbo Zhong, Lingfeng Yuan, Jing Zhang, Julian M. Hibberd, Ziyi Yu. Advancing Engineered Plant Living Materials through Tobacco BY-2 Cell Growth and Transfection within Tailored Granular Hydrogel Scaffolds. ACS Central Science, 2024; DOI: 10.1021/acscentsci.4c00338
 

Nguyễn Thị Thủy Tiên - Hcmbiotech, theo Sciencedaily.

Sự thay đổi hình dạng của đỉnh chồi đồng bộ với quá trình ra hoa ở Arabidopsis

   Sự thay đổi hình dạng của đỉnh chồi đồng bộ với quá trình ra hoa ở Arabidopsis

Khi cây bắt đầu ra hoa, đỉnh chồi mở rộng và trải qua quá trình tái lập trình di truyền. Tuy nhiên, cách mà những thay đổi về hình dạng đỉnh chồi được đồng điều chỉnh với quá trình chuyển đổi ra hoa vẫn chưa được biết rõ. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu từ nhóm của George Coupland tại Viện Nghiên cứu Lai tạo Cây trồng Max-Planck ở Cologne, Đức, đã chỉ ra rằng sự ức chế lẫn nhau của hai gen tại đỉnh cây đồng bộ hóa sự thay đổi hình dạng của mô phân sinh với quá trình chuyển đổi ra hoa ở cây mô hình Arabidopsis thaliana.

 

Cây cải xoong (Arabidopsis thaliana) chuyển từ giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng sang ra hoa khi tiếp xúc với những ngày dài của mùa xuân và mùa hè. Đáp lại tín hiệu môi trường này, mô tại đỉnh chồi, được gọi là mô phân sinh đỉnh chồi (SAM), trải qua quá trình tái lập trình di truyền để tạo ra hoa thay vì lá. Đồng thời, SAM tăng kích thước và kéo dài để tạo thành hình vòm đặc trưng. Hiện vẫn chưa rõ cách mà sự thay đổi hình dạng của SAM xảy ra trong quá trình chuyển đổi ra hoa; do đó, các tác giả đã nghiên cứu chi tiết cách tổ chức nội bộ của SAM thay đổi trong quá trình này. SAM chứa hai miền phụ chính và kích thước của nó được điều chỉnh bởi sự tương tác giữa các protein được biểu hiện đặc trưng trong các vùng này. Các tác giả đã sử dụng hai dấu hiệu báo cáo huỳnh quang đặc trưng cho hai miền này và hình ảnh hóa sự biểu hiện của chúng theo thời gian khi cây bắt đầu ra hoa. Một quy trình tính toán định lượng cường độ của các protein huỳnh quang này trong các nhóm tế bào so với đỉnh chồi đã cho thấy chính xác cách mà sự gia tăng chiều rộng và chiều cao tổng thể của SAM trong quá trình chuyển đổi ra hoa tương quan với sự thay đổi kích thước của các miền nội bộ. Họ phát hiện ra rằng đặc biệt là vùng trung tâm ở đỉnh SAM tăng chiều cao và chiều rộng và vùng ngoại vi ở hai bên SAM tăng đáng kể về chiều rộng trong quá trình chuyển đổi ra hoa".

 

Nhìn từ trên xuống và từ bên cạnh của các đỉnh chồi của cây hoang dại cho thấy cách chúng tăng diện tích và trải qua quá trình tạo hình vòm trong quá trình chuyển đổi ra hoa (các đỉnh chồi sinh dưỡng ở bên trái và các đỉnh chồi tạo hoa ở bên phải). Bên dưới là các parabol được lắp để ước tính mức độ tạo hình vòm. Các đường màu đen cho thấy các đỉnh chồi trong một quần thể tạo lá và các đường màu trắng cho thấy các đỉnh chồi tạo hoa.

 

Các tác giả sau đó tập trung vào gen AP2, mã hóa một chất điều hòa phiên mã thúc đẩy sự tạo hình vòm của SAM nhưng cũng ức chế quá trình ra hoa. Lượng protein AP2 trong SAM cao trước khi ra hoa và dần dần cạn kiệt. Nếu thời gian mà AP2 hiện diện được kéo dài, chiều rộng của SAM sẽ tăng lên. Để xác định cách AP2 điều chỉnh sự thay đổi hình thái của SAM trong quá trình chuyển đổi ra hoa, các tác giả đã so sánh các gen được biểu hiện trong SAM có hoặc không có AP2, và so sánh các gen được biểu hiện khác nhau với những gen được biết là được điều chỉnh trực tiếp bởi AP2. Bằng cách này, họ đã xác định được gen SOC1, mã hóa một loại chất điều hòa phiên mã khác và đặc trưng hóa mô hình biểu hiện protein của nó trong SAM so với AP2 trong quá trình chuyển đổi ra hoa. Các protein này cho thấy các mô hình tích lũy đối lập trong suốt quá trình chuyển đổi ra hoa, với AP2 dần biến mất trong khi SOC1 dần tích lũy, điều này phù hợp với việc ra hoa bị ức chế bởi AP2 và được thúc đẩy bởi SOC1. Hơn nữa, các đột biến thiếu SOC1 có SAM lớn, và SOC1 tích lũy nhiều hơn trong SAM của các cây thiếu AP2, cho thấy rằng AP2 ức chế sự sản xuất SOC1. Những quan sát này, kết hợp với khả năng của cả hai protein để liên kết trực tiếp với gen của nhau, cho thấy rằng sự ức chế lẫn nhau của AP2 và SOC1 trong SAM đóng vai trò trong việc tích hợp sự thay đổi kích thước của SAM với việc sản xuất hoa.

 

 Mô hình tương tác giải thích cách mà hình thái của SAM và quá trình ra hoa có mối tương quan với nhau

 

Mô hình giải thích cách ức chế lẫn nhau trực tiếp của các gen AP2 và SOC1 tại đỉnh chồi điều chỉnh thời gian ra hoa và đồng bộ hóa nó với những thay đổi hình thái dẫn đến sự hình thành mô phân sinh có hình vòm có thể tạo ra hoa

 

Các tác giả đã kết hợp các quan sát của họ vào một mô hình giải thích rõ ràng cách mà AP2 và SOC1 đồng bộ hóa sự thay đổi hình thái của SAM với thời gian ra hoa và sản xuất hoa. Trong quá trình phát triển sinh dưỡng, AP2 trì hoãn quá trình chuyển đổi ra hoa, một phần bằng cách ức chế gen SOC1, nhưng không ảnh hưởng đến hình thái của SAM. Khi cây được kích thích ra hoa bởi những ngày dài, SOC1 tăng lên về số lượng và ngược lại, ức chế sự sản xuất AP2 và thúc đẩy quá trình ra hoa. Trước khi AP2 biến mất hoàn toàn, nó thúc đẩy sự gia tăng chiều cao và chiều rộng của SAM, và sự biến mất của nó đảm bảo rằng SAM không tăng quá mức về chiều rộng. Một đặc điểm trung tâm của mô hình là tầm quan trọng của sự ức chế lẫn nhau giữa AP2 và SOC1, điều này xác định khoảng thời gian mà cả hai yếu tố được biểu hiện. Điều này xác định thời gian sản xuất hoa và giới hạn giai đoạn mà AP2 thúc đẩy sự thay đổi hình thái của SAM. Loại ức chế lẫn nhau trực tiếp này đã được đặc trưng trong các quá trình phát triển ở động vật, và nghiên cứu này giúp nhấn mạnh cách mà các quyết định phát triển ở thực vật được kích hoạt bởi các tín hiệu môi trường, kích hoạt các mạng lưới điều hòa gen được biểu hiện theo các mô hình không gian - thời gian mạnh mẽ.

 

Bùi Anh Xuân theo Viện Max-Planck

Chuyển đổi nông nghiệp từ nguồn carbon thành bồn chứa carbon

 Chuyển đổi nông nghiệp từ nguồn carbon thành bồn chứa carbon

Hệ thống thực phẩm là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính quan trọng nhất trên hành tinh, khiến việc giảm phát thải trong lĩnh vực này trở thành ưu tiên hàng đầu của các nhà hoạch định chính sách trên toàn thế giới. Các nhà nghiên cứu IIASA đã khám phá tiềm năng cô lập carbon trên đất nông nghiệp để chống lại biến đổi khí hậu, đưa ra những hiểu biết sâu sắc về tác động kinh tế cũng như tiềm năng giảm thiểu biến đổi khí hậu của nó.

 

Quá trình cô lập carbon trên đất nông nghiệp đề cập đến quá trình thu giữ và lưu trữ carbon dioxide (CO2) từ khí quyển trong đất và cây trồng trên các trang trại. Theo các tác giả của một nghiên cứu mới của IIASA vừa được công bố trên Tạp chí Nature Food, những hoạt động này có tiềm năng lớn trong việc giảm sự nóng lên toàn cầu đồng thời giảm chi phí giảm thiểu trên toàn nền kinh tế.

 

“Chúng tôi bắt đầu đánh giá các phương án cô lập carbon mới trên đất nông nghiệp và động lực của chúng trong một mô hình kinh tế. Cho đến nay, các phương án này chỉ được đánh giá trong các nghiên cứu kỹ thuật từ dưới lên và do đó không được xem xét trong các lộ trình ổn định khí hậu dựa trên Mô hình đánh giá tích hợp, vốn là nền tảng cho các chương hướng tới tương lai của các báo cáo của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC)”, tác giả chính Stefan Frank, nghiên cứu viên cao cấp trong Nhóm nghiên cứu tương lai sinh quyển tích hợp của Chương trình tài nguyên thiên nhiên và đa dạng sinh học IIASA giải thích. “Với sự liên kết giữa các phương án giảm thiểu, các lĩnh vực kinh tế và các khu vực trên thế giới, các đánh giá kinh tế tích hợp như của chúng tôi có thể cung cấp những hiểu biết có giá trị về tác động của các phương án này trên toàn hệ thống”.

 

Để giúp hấp thụ carbon dioxide từ không khí và lưu trữ trong đất hoặc trong cây trồng trên trang trại của mình, nông dân có thể sử dụng các kỹ thuật như trồng cây che phủ, sử dụng than sinh học (một loại than củi làm từ chất thải hữu cơ) hoặc áp dụng nông lâm kết hợp (trồng cây hàng năm xung quanh hoặc xen giữa các cây trồng lâu năm hoặc đồng cỏ), do đó biến đất nông nghiệp của họ thành bể chứa carbon.

 

Nhưng tại sao điều này lại quan trọng? Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng đến năm 2050, các hoạt động nông nghiệp này có thể giảm lượng khí thải nhà kính nhiều như trồng rừng mới, đặc biệt là ở các khu vực như Châu Phi cận Sahara và Nam Mỹ. Việc cô lập carbon trên đất nông nghiệp không chỉ quan trọng đối với các nỗ lực giảm thiểu biến đổi khí hậu mà còn có thể tăng năng suất nông nghiệp và khả năng phục hồi trước biến đổi khí hậu, đồng thời có thể giúp các ngành nông nghiệp, lâm nghiệp và sử dụng đất đạt được mức phát thải ròng bằng 0 trên toàn cầu vào năm 2050 với chi phí từ 80 đến 120 đô la Mỹ cho mỗi tấn CO2 tương đương.

 

"Những nỗ lực này không chỉ cắt giảm chi phí giảm phát thải trên toàn nền kinh tế khi so sánh với kịch bản 1,5°C mà không có các biện pháp cô lập carbon trong nông nghiệp, mà còn giảm 0,6% tổn thất về sản lượng kinh tế toàn cầu vào giữa thế kỷ theo kịch bản ổn định khí hậu nhằm hạn chế sự nóng lên ở mức 1,5°C", đồng tác giả nghiên cứu Andrey Lessa Derci Augustynczik, một nhà nghiên cứu liên kết với cùng chương trình tại IIASA, lưu ý. "Ngoài ra, nông dân có thể kiếm được thu nhập đáng kể từ các hoạt động này - lên tới 235 tỷ đô la vào năm 2050 - nếu họ nhận được các ưu đãi tài chính cho mỗi tấn CO2 bổ sung được lưu trữ trong đất và sinh khối với mức giá khí nhà kính dự kiến ​​là 160 đô la cho mỗi tấn CO2 tương đương vào năm 2050".

 

Các tác giả nhấn mạnh rằng việc thực hiện những thay đổi này sẽ đòi hỏi các thể chế mạnh mẽ và hệ thống giám sát toàn cầu để đảm bảo rằng nông dân áp dụng đúng các biện pháp này và được trả công xứng đáng cho những nỗ lực của họ.

 

“Mặc dù có tiềm năng giảm thiểu lớn với chi phí khá thấp, tiềm năng cô lập carbon trong nông nghiệp chủ yếu nằm ở Nam bán cầu, điều này cần thận trọng vì tồn tại một số rào cản về mặt cấu trúc, thể chế hoặc xã hội. Để giải phóng những tiềm năng này và cung cấp những đóng góp có ý nghĩa cho các nỗ lực ổn định khí hậu đầy tham vọng, các thể chế và hệ thống giám sát hiệu quả cao phải được triển khai trong ngắn hạn và các chính sách khuyến khích cần thiết cần được đưa ra nhanh chóng”, Frank kết luận.

 

Huỳnh Thị Đan Anh theo IIASA

Nghiên cứu mới về tế bào gốc thực vật làm sáng tỏ cách thực vật phát triển mạnh mẽ hơn

 Nghiên cứu mới về tế bào gốc thực vật làm sáng tỏ cách thực vật phát triển mạnh mẽ hơn

Nghiên cứu tế bào gốc là một chủ đề nóng. Với các ứng dụng cho nhiều tiến bộ y học của con người, các nhà nghiên cứu đã làm việc với tế bào gốc của động vật và con người trong nhiều năm. Nhưng động vật không phải là loài duy nhất có tế bào gốc.

 

Huanzhong Wang, Giáo sư sinh học phân tử thực vật tại Cao đẳng Nông nghiệp, Y tế và Tài nguyên thiên nhiên (CAHNR), muốn mọi người biết rằng thực vật cũng có tế bào gốc. Giống như trong thế giới y học, tế bào gốc thực vật có thể hỗ trợ sự tăng trưởng và phát triển của con người khi được sử dụng để cải thiện nguồn cung cấp thực phẩm.

 

“Không chỉ con người và động vật”, Wang nói. “Thực vật cũng có tế bào gốc và chúng ta nên chú ý đến chúng”. Trong rễ, chồi và mạch máu, tế bào gốc kiểm soát sự phân chia và biệt hóa tế bào của thực vật. Tế bào gốc thực vật đóng vai trò quan trọng trong sự tăng trưởng và phát triển.

 

“Thực vật có thể phát triển trong nhiều, nhiều năm vì các loại tế bào gốc khác nhau về cơ bản đảm bảo chúng có thể phát triển trên không và sâu dưới lòng đất”, Wang nói. “Để phát triển thân hoặc thân cây dày hơn, chúng cần một loại tế bào gốc khác”.

 

Tế bào gốc thực vật phần lớn bị bỏ qua vì chúng không có ứng dụng cho nghiên cứu y sinh học của con người. Nhưng điều đó không làm chúng kém hấp dẫn hơn. Và Wang đã chứng minh rằng hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các tế bào này có thể hỗ trợ nguồn cung cấp thực phẩm bền vững hơn.

 

Phòng thí nghiệm của Wang đã nghiên cứu tế bào gốc thực vật trong nhiều năm để cố gắng hiểu cách chúng kiểm soát tế bào gốc của mình, cụ thể là các tế bào gốc tạo ra bó mạch - các cấu trúc vận chuyển nước và các chất dinh dưỡng khác trong toàn bộ cây.

 

Gần đây, nhóm đã công bố một bài báo trên New Phytologist làm sáng tỏ câu hỏi này.

 

Phòng thí nghiệm của Wang đã phát hiện ra một gen yếu tố phiên mã có tên là HVA kiểm soát sự phân chia tế bào trong tế bào gốc mạch. Khi gen này được biểu hiện quá mức, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự gia tăng số lượng bó mạch và hoạt động chung của tế bào gốc.

 

Các nhà nghiên cứu đã so sánh các loại cây không biểu hiện quá mức gen HVA, những loại cây có một bản sao của gen HVA được biểu hiện quá mức và một gen bình thường, và cuối cùng là những loại cây có hai bản sao của gen HVA được biểu hiện quá mức.

 

Trong nhóm không biểu hiện quá mức, cây có từ năm đến tám bó mạch. Ở những cây có một bản sao gen HVA biểu hiện quá mức, chúng có hơn 20 bó mạch, và với hai bản sao gen HVA biểu hiện quá mức, chúng có hơn 50 bó mạch.

 

Ngoài việc thúc đẩy sự hiểu biết của khoa học về cách thức hoạt động của cây, những phát hiện của Wang còn có ý nghĩa quan trọng đối với nông nghiệp.

 

Cây có nhiều bó mạch hơn sẽ khỏe hơn và chống chịu gió tốt hơn. Kiến thức này có thể được sử dụng để cố ý tạo ra các giống cây trồng khỏe mạnh hơn với đột biến biểu hiện quá mức. Điều này đặc biệt liên quan đến các loại cây trồng cao, mảnh như ngô.

 

“Khi cây phát triển cao hơn, có nguy cơ chúng có thể đổ”, Wang nói. “Việc có nhiều bó mạch hơn đảm bảo cây có thể đứng yên và chống chọi với những điều kiện đó”.

 

Mặc dù phòng thí nghiệm của Wang đã tiến hành nghiên cứu bằng cách sử dụng một sinh vật mô hình trong họ cải, nhưng gen HVA cũng được tìm thấy ở các loại cây khác, khiến nghiên cứu này có thể áp dụng rộng rãi.

 

HVA là một trong hàng trăm yếu tố phiên mã trong một họ lớn trong bộ gen của cây. Wang quan tâm đến việc khám phá một số gen khác trong họ này làm gì. “Chúng tôi quan tâm đến việc nghiên cứu các gen có liên quan chặt chẽ khác để tìm ra chức năng của chúng”, Wang nói. “Sẽ rất thú vị khi nghiên cứu sâu hơn về cách họ gen này ảnh hưởng đến sự phát triển của mạch máu”.

TP - Mard, theo Sciencedaily