Những hiểu biết sâu sắc về cách tiến hóa của quá trình quang hợp có thể giúp phát triển các loại cây trồng có khả năng chống chịu với khí hậu bất lợi
Một nghiên cứu về cách thực vật tiến hóa để ứng phó với biến đổi khí hậu hàng triệu năm trước có thể giúp các nhà khoa học phát triển các loại cây trồng hiện đại có năng suất cao hơn và chống chịu tốt hơn với hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge và Viện SALK ở California đã phát hiện ra những thay đổi về mặt di truyền trong quá trình tiến hóa của một dạng quang hợp hiệu quả hơn đã tiến hóa cách đây khoảng 30 triệu năm. Những phát hiện của họ có ý nghĩa quan trọng đối với những nỗ lực đang diễn ra nhằm cải thiện khả năng chống chịu của cây trồng trước biến đổi khí hậu. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 20 tháng 11 năm 2024.
Hai dạng quang hợp
Quang hợp cho phép sự sống trên Trái đất. Hơn 3 tỷ năm trước, vi khuẩn lần đầu tiên tiến hóa khả năng quang hợp. Dạng ban đầu này, được gọi là quang hợp C3, vẫn được một số loại cây trồng chính trên thế giới sử dụng, bao gồm lúa mì và lúa gạo.
Khoảng 30 triệu năm trước, để ứng phó với những thay đổi về khí hậu, một số loài thực vật đã phát triển một dạng quang hợp mới phù hợp hơn với điều kiện ấm và khô. Dạng hiệu quả hơn này, được gọi là quang hợp C4, được các loại cây trồng năng suất nhất thế giới sử dụng, bao gồm các loại cây trồng như ngô và lúa miến.
Các loại cây sử dụng con đường C4 hiện đang thống trị vùng nhiệt đới và bán nhiệt đới vì trong điều kiện ấm áp này, nó cho phép tăng hiệu quả sử dụng nước và nitơ cũng như năng suất cao hơn khoảng 50%. Do đó, việc hiểu cách con đường C4 tiến hóa và hoạt động là rất quan trọng để cải thiện khả năng phục hồi của cây trồng trước biến đổi khí hậu.
Các công nghệ mới cung cấp thông tin chi tiết về những thay đổi di truyền
Trong nhiều thập kỷ, rõ ràng được coi là rất phức tạp, con đường C4 đã tiến hóa nhiều lần ở thực vật trên cạn. Một bước quan trọng trong quá trình tiến hóa của con đường C4 là thay đổi vị trí hoạt động của các gen quang hợp trên lá.
Trong khi ở thực vật C3, các gen này hoạt động trong các tế bào trung mô, thì ở thực vật C4, chúng hoạt động trong một loại tế bào lân cận, các tế bào bao bó mạch, bao quanh các gân lá. Tuy nhiên, cách các gen thay đổi trong quá trình tiến hóa C4 để tạo ra sự phức tạp mới này vẫn chưa rõ ràng.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các công nghệ mới cho phép nghiên cứu hệ gen tế bào đơn lẻ để cung cấp thông tin chi tiết về những thay đổi di truyền làm nền tảng cho con đường C4 và quá trình tiến hóa của nó.
Tiến sỹ Leonie Luginbuehl, trưởng nhóm Sinh lý học thực vật tại khoa Khoa học thực vật đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết "Bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là giải trình tự tế bào đơn lẻ, chúng tôi có thể nghiên cứu cách các gen được kích hoạt trong từng tế bào lá cây ở hai loại cây trồng là lúa C3 và lúa miến C4. Giải pháp này trước đây không thể thực hiện được nhưng rất quan trọng để hiểu quá trình quang hợp C4 tiến hóa như thế nào”.
Một khuôn khổ giúp thiết kế con đường C4 vào cây trồng C3
Thật ngạc nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các cơ chế kích hoạt gen trong mô trung mô hoặc trong bao bó mạch thực chất giống nhau ở cả hai loài thực vật. Đặc biệt, nghiên cứu cho thấy một bộ điều hòa được gọi là DOF rất quan trọng đối với việc kích hoạt gen trong bao bó mạch của cả lúa và lúa miến.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các gen cần thiết cho quá trình quang hợp ở lúa miến đã thay đổi trình tự DNA của chúng sao cho các điều hòa DOF có thể liên kết với các gen này và kích hoạt biểu hiện của chúng trong bao bó mạch thay vì mô trung mô.
Một mục tiêu lâu dài của cộng đồng nghiên cứu là đưa con đường C4 vào cây trồng C3 như lúa để tăng cường quá trình quang hợp và cải thiện năng suất khi nhiệt độ dự kiến sẽ tăng và nước ngày càng khan hiếm.
Giáo sư Julian Hibberd, trưởng nhóm Sinh lý học phân tử và là tác giả cuối cùng của nghiên cứu, cho biết: "Khám phá này xác định cách các gen thay đổi để con đường C4 hoạt động ở độ phân giải cặp bazơ. Nhờ độ chính xác này mà nó cũng cung cấp một khuôn khổ dự đoán để giúp thiết kế con đường C4 thành các loại cây trồng C3 kém hiệu quả hơn”.
Lê Thị Kim Loan theo Đại học Cambridge
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét