Nghiên cứu mới cho biết cây trồng C₄ ít nhạy cảm hơn với ô nhiễm ozone so với cây trồng C₃

 Nghiên cứu mới cho biết cây trồng C₄ ít nhạy cảm hơn với ô nhiễm ozone so với cây trồng C₃

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Illinois.

Ozone (O3) trong tầng đối lưu tác động tiêu cực đến sinh trưởng và phát triển của cây trồng, làm giảm đáng kể năng suất cây trồng trên toàn thế giới. Chất gây ô nhiễm trong không khí này không đến trực tiếp từ ống khói hoặc phương tiện giao thông mà thay vào đó được hình thành khi các chất ô nhiễm khác, chủ yếu là oxit nitơ và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, phản ứng khi có ánh sáng mặt trời. Trong bầu không khí ngày càng ô nhiễm, việc hiểu được loại cây nào có khả năng chịu được O3 là rất quan trọng để cải thiện năng suất và khả năng phục hồi của cây trồng.

 

Trong sự hợp tác với các chủ đề Sản xuất nguyên liệu thô và Tính bền vững tại Trung tâm Đổi mới năng lượng sinh học và sản phẩm sinh học tiên tiến (CABBI), các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu tác động của nồng độ O3 tăng cao đối với 5 loại cây trồng C3 (đậu xanh, lúa, đậu snap, đậu tương, lúa mì) và 4 loại cây trồng C4 (lúa miến, ngô, Miscanthus × giganteus, cỏ switchgrass).

 

Phát hiện của họ, được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (Proceedings of the National Academy of Sciences), chỉ ra rằng cây trồng C4 có khả năng chịu được nồng độ O3 cao hơn nhiều so với cây trồng C3.

 

Lisa Ainsworth, Chủ nhiệm nghiên cứu của Phòng nghiên cứu quang hợp và thay đổi toàn cầu của Cơ quan nghiên cứu nông nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA-ARS) và phó giáo sư về  Sinh học Thực vật tại Đại học Illinois cho biết: “Hiểu được khả năng chống chịu của cây trồng năng lượng sinh học C4 đối với các chất gây ô nhiễm không khí sẽ giúp chúng tôi triển khai chúng một cách chiến lược khắp nơi trên khắp thế giới”.

 

Cả hai loại cây trồng C3 và C4 đều là nguồn cung cấp thực phẩm, năng lượng sinh học và sản xuất ethanol chính trên toàn thế giới. Sự khác biệt giữa thực vật C3 và C4 nằm ở con đường cố định carbon mà chúng sử dụng trong quá trình quang hợp: Thực vật C3 chuyển đổi CO2 và ánh sáng mặt trời thành phân tử 3 carbon, trong khi sản phẩm quang hợp đầu tiên của thực vật C4 là phân tử 4 carbon.

 

Ngoài ra, con đường quang hợp C4 bắt đầu từ các tế bào trung mô nằm trên bề mặt của lá và sau đó di chuyển vào các tế bào bao bó nằm sâu hơn trong cây. Sự tách biệt về không gian này không có trong quá trình quang hợp C3. Trước đây, các nhà khoa học cho rằng thực vật C4 ít nhạy cảm với ô nhiễm O3 hơn thực vật C3, nhưng giả định đó chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng cho đến khi có nghiên cứu này.

 

Shuai Li, tác giả chính của bài báo và là nghiên cứu sinh sau tiến sỹ ở CABBI, cho biết: “Sự thay đổi về kích thước và độ dài mùa sinh trưởng có nghĩa là rất khó so sánh song song phản ứng của cây trồng C3 và C4 với ozone trên đồng ruộng. Điều này hạn chế sự so sánh chính xác về độ nhạy O3 của cây trồng C3 và C4”.

 

Bằng cách tổng hợp các tài liệu có sẵn và dữ liệu chưa được công bố từ các loại cây trồng bị ô nhiễm O3 gia tăng trong các thí nghiệm ngoài trời trong 20 năm qua, các tác giả đã thực hiện phân tích toàn diện về tác động của O3 đối với sinh lý và sản lượng cây trồng ở 5 loại cây trồng C3 và 4 loại cây trồng C4.

 

Li cho biết: “Chúng tôi tập trung vào các thí nghiệm thực địa và định lượng phản ứng của cây trồng đối với sự gia tăng ô nhiễm O3 cụ thể. Phương pháp mới này cho thấy một cách định lượng rằng cây trồng C3 nhạy cảm hơn với nồng độ ozone tăng cao so với cây trồng C4”.

 

Lý do đằng sau kết luận như vậy có thể liên quan đến sự khác biệt về đặc điểm giải phẫu của lá, độ dẫn khí khổng và/hoặc tốc độ trao đổi chất giữa cây trồng C3 và C4. Ở thực vật C3, các loại oxy phản ứng từ quá trình phân hủy O3 có thể làm hỏng các tế bào trung mô nơi xảy ra quá trình quang hợp.

 

Tuy nhiên, ở thực vật C4, sự phân tách không gian của quá trình quang hợp C4 giúp ngăn chặn O3 xâm nhập vào các tế bào bao bó nơi tạo ra đường. Ngoài ra, cây trồng C4 thường có độ dẫn khí khổng thấp hơn cây trồng C3, có khả năng dẫn đến sự hấp thụ O3 ít hơn ở cây trồng C4. Những yếu tố này có thể giải thích cho khả năng chống chịu O3 vượt trội của thực vật C4.

 

Li cho biết: “Nghiên cứu này nâng cao hiểu biết của chúng tôi về cơ chế phản ứng của cây trồng với lượng O3 tăng cao và nêu bật sự liên quan thực tế đối với việc quản lý cây trồng và cải thiện khả năng chịu đựng O3”.

 

Ô nhiễm ozone đang gia tăng ở nhiều nơi trên thế giới. Nghiên cứu này về mặt định lượng cho thấy rằng sự suy giảm chức năng và năng suất của cây trồng do O3 gây ra nghiêm trọng hơn ở cây trồng C3 so với cây trồng C4, có thể là do O3 tương tác khác nhau với con đường quang hợp C3 và C4.

 

Dựa trên phát hiện này, đất nông nghiệp trong môi trường bị ô nhiễm có thể được quản lý để cải thiện hiệu suất tổng thể. Cây trồng C4, đặc biệt là nguyên liệu năng lượng sinh học, có thể duy trì năng suất ở những vùng có lượng O3 cao.