Các nhà khoa học giải quyết thách thức tăng trưởng cây trồng toàn cầu

 Các nhà khoa học giải quyết thách thức tăng trưởng cây trồng toàn cầu 

Một nghiên cứu do các nhà khoa học của Đại học Liverpool dẫn đầu đã tiết lộ một phương pháp mới để cải thiện tốc độ tăng trưởng của cây trồng, đáp ứng thách thức đáng kể để tăng năng suất cây trồng trong điều kiện khí hậu thay đổi và dân số ngày càng tăng.

 

Với mức độ carbon dioxide (CO2) toàn cầu đang tăng lên và dân số sẽ đạt gần 10 tỷ người vào năm 2050, nhóm các nhà nghiên cứu của giáo sư Luning Liu đã sử dụng các kỹ thuật sinh học tổng hợp và kỹ thuật thực vật để cải thiện quá trình quang hợp, tạo ra một khuôn mẫu có thể được sử dụng trên quy mô lớn.

 

Quang hợp là quá trình thực vật sử dụng CO2 trong khí quyển để tạo ra chất dinh dưỡng, rất quan trọng cho sự phát triển và hệ sinh thái toàn cầu. Bài báo mới được xuất bản nêu chi tiết cách nhóm các nhà khoa học đã cải thiện Rubisco, một loại enzyme quan trọng có trong quá trình quang hợp để chuyển đổi CO2 thành năng lượng. Thông thường Rubisco không hiệu quả và hạn chế quá trình quang hợp ở các loại cây trồng chính. Tuy nhiên, nhiều vi sinh vật bao gồm cả vi khuẩn đã phát triển các hệ thống hiệu quả, được đặt tên là “cơ chế tập trung CO2” để cải thiện Rubisco.

 

Lấy cảm hứng từ thiên nhiên, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một chất xúc tác Rubisco nhanh hơn được lấy từ vi khuẩn, đưa vào các tế bào cây thuốc lá thực hiện quá trình quang hợp để hỗ trợ sự phát triển của cây. Phương pháp mới cải thiện tính ổn định và khả năng chuyển đổi CO2 thành năng lượng của Rubisco, cho phép thực vật phát triển hơn nữa. Những thay đổi đối với enzyme cũng có khả năng làm tăng khả năng hấp thụ CO2 của thực vật, giúp hỗ trợ nỗ lực toàn cầu nhằm giải quyết biến đổi khí hậu.

 

Giáo sư Luning Liu, Khoa Hóa sinh và Sinh học Hệ thống, Đại học Liverpool cho biết: “Chúng tôi vô cùng hào hứng với bước đột phá này. Nhìn chung, những phát hiện của chúng tôi cung cấp bằng chứng về một lộ trình cải thiện sự phát triển và sản xuất cây trồng có thể thích ứng với sự thay đổi của khí hậu và đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng của dân số thế giới”.

 

Nghiên cứu mới nhất này tiếp theo nỗ lực gần đây của nhóm nhằm tạo ra Rubisco nhanh hơn từ vi khuẩn để hỗ trợ sự phát triển của thực vật.

 

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Kỹ thuật tổng hợp α-carboxysome thành lục lạp thuốc lá. Một trình diễn sơ đồ về các chiến lược đưa carboxysome và chất vận chuyển bicarbonate vào lục lạp thực vật và loại bỏ CA lục lạp để cài đặt CCM hoàn chỉnh nhằm tăng cường cố định carbon quang hợp và năng suất thực vật. b Tổ chức gen của cấu trúc biểu hiện α-carboxysome đối với biểu hiện lục lạp thuốc lá và locus rbcL trong bộ gen lục lạp thuốc lá dại (WT). Cấu trúc biểu hiện α-carboxysome chứa chín gen mã hóa Rubisco (cbbL và cbbS), protein liên kết CsoS2 (csoS2), carbonic anhydrase (csoSCA), hexamer vỏ (CsoS1A/B/C) và protein ngũ sắc (csoS4A/B). Các gen được nhóm thành ba operon được điều khiển bởi NtPrbcL (nhân tố thúc đẩy tự nhiên của rbcL ở Nicotiana tabacum), CrPrrn (nhân tố thúc đẩy RNA ribosome ở Chlamydomonas reinhardtii) và CrPpsbA (nhân tố thúc đẩy của psbA ở C. reinhardtii), tương ứng. Gen adenylyltransferase của Streptomycin/Spectinomycin (aadA) được điều khiển bởi chất kích thích operon rRNA của lạp thể thuốc lá (Prrn)73. Trình tự Các yếu tố biểu hiện xen kẽ (IEE), SD (Shine-Dalgarno) và Kẻ hủy diệt (T) đã được liệt kê. At, Os và Cr lần lượt chỉ ra Arabidopsis thaliana, Oryza sativa và C. reinhardtii. c, d Phân tích Southern blot (c) và sự nảy mầm của hạt (d) đã xác minh sự tích hợp gen chuyển thành công và hiện tượng đồng hợp tử của ba cây chuyển phôi thu được. DNA bộ gen được tiêu hóa bởi SpeI và được lai với các mẫu dò được đánh dấu Digoxygenin của chất khởi động (Pp) và chất kết thúc (Pt) của rbcL ở N. tabacum như đã chỉ ra trong (b). Hạt nảy mầm được thực hiện trên môi trường Murashige và Skoog (MS) chứa 500 mg L–1 spectinomycin. (Dữ liệu nguồn được cung cấp dưới dạng tệp Dữ liệu nguồn; Truyền thông tự nhiên (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37490-0).