Những bí mật của quá trình quang hợp được đưa ra ánh sáng

 Những bí mật của quá trình quang hợp được đưa ra ánh sáng

Bí mật của quá trình quang hợp đã được khám phá ở mức độ nguyên tử, điều này làm sáng tỏ thêm về siêu năng lực thực vật đã phủ xanh trái đất hơn một tỷ năm trước.

 

Các nhà nghiên cứu của Trung tâm John Innes đã sử dụng phương pháp kính hiển vi hiện đại gọi là cryo-EM để khám phá cách tạo ra các protein quang hợp.

 

Nghiên cứu được công bố trên Cell, trình bày một mô hình và các nguồn lực nhằm thúc đẩy những khám phá căn bản hơn nữa trong lĩnh vực này và hỗ trợ các mục tiêu dài hạn hơn là phát triển các loại cây trồng có khả năng phục hồi tốt hơn.

 

Tiến sỹ Michael Webster, trưởng nhóm và đồng tác giả của bài báo cho biết: “Phiên mã các gen lục lạp là một bước cơ bản trong việc tạo ra các protein quang hợp cung cấp cho thực vật năng lượng cần thiết để phát triển. Chúng tôi hy vọng bằng cách hiểu rõ hơn về quá trình này, quang hợp ở cấp độ phân tử chi tiết, chúng tôi sẽ trang bị cho các nhà nghiên cứu đang tìm cách phát triển thực vật có hoạt động quang hợp mạnh mẽ hơn”.

 

“Kết quả quan trọng nhất của công việc này là tạo ra một nguồn tài nguyên hữu ích. Các nhà nghiên cứu có thể đăng tải mô hình nguyên tử của lục lạp polymerase của chúng tôi và sử dụng nó để đưa ra các giả thuyết của riêng họ về cách thức hoạt động của nó cũng như các chiến lược thử nghiệm để kiểm tra chúng”.

 

Quá trình quang hợp diễn ra bên trong lục lạp, những ngăn nhỏ trong tế bào thực vật chứa bộ gen của chính chúng, phản ánh quá khứ của chúng là vi khuẩn quang hợp sống tự do trước khi chúng bị thực vật nhấn chìm và đồng chọn.

 

Nhóm Webster tại Trung tâm John Innes nghiên cứu cách thức thực vật tạo ra protein quang hợp, các cỗ máy phân tử thực hiện phản ứng hóa học nền này, chuyển đổi carbon dioxide trong khí quyển và nước thành đường đơn giản và tạo ra oxy như một sản phẩm phụ. Giai đoạn đầu tiên trong quá trình sản xuất protein là phiên mã, trong đó gen được đọc để tạo ra ‘RNA thông tin’. Quá trình phiên mã này được thực hiện bởi một enzyme gọi là RNA polymerase.

 

Cách đây 50 năm, người ta đã phát hiện ra rằng lục lạp có chứa RNA polymerase độc nhất của riêng chúng. Kể từ đó, các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên về mức độ phức tạp của enzyme này. Nó có nhiều tiểu đơn vị hơn tổ tiên của nó là RNA polymerase của vi khuẩn và thậm chí còn lớn hơn RNA polymerase của con người.

 

Nhóm Webster muốn hiểu tại sao lục lạp lại có RNA polymerase phức tạp như vậy. Để làm được điều này, họ cần hình dung cấu trúc của RNA polymerase lục lạp.

 

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp gọi là kính hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-EM) để chụp ảnh các mẫu RNA polymerase lục lạp được tinh chế từ cây mù tạt trắng. Bằng cách xử lý những hình ảnh này, họ có thể xây dựng một mô hình chứa vị trí của hơn 50.000 nguyên tử trong phức hợp phân tử.

 

Phức hợp RNA polymerase bao gồm 21 tiểu đơn vị được mã hóa trong hai bộ gen, nhân và lục lạp. Phân tích chặt chẽ cấu trúc này khi nó thực hiện phiên mã cho phép các nhà nghiên cứu bắt đầu giải thích chức năng của các thành phần này.

 

Mô hình này cho phép họ xác định một protein tương tác với DNA khi nó được phiên mã và hướng dẫn nó đến vị trí hoạt động của enzyme. Một thành phần khác có thể tương tác với mRNA đang được sản xuất để bảo vệ nó khỏi các protein có thể làm suy giảm nó trước khi nó được chuyển hóa thành protein. Tiến sỹ Webster cho biết: “Chúng tôi biết rằng mỗi thành phần của RNA polymerase lục lạp đều có vai trò quan trọng vì thực vật thiếu bất kỳ thành phần nào trong số chúng không thể tạo ra protein quang hợp và do đó không thể chuyển sang màu xanh. Chúng tôi đang nghiên cứu các mô hình nguyên tử một cách cẩn thận để xác định vai trò của từng thành phần trong số 21 thành phần của tổ hợp”.

 

Đồng tác giả nghiên cứu, tiến sỹ Ángel Vergara-Cruces cho biết: “Bây giờ chúng tôi đã có mô hình cấu trúc, bước tiếp theo là xác nhận vai trò của protein phiên mã lục lạp. Bằng cách tiết lộ các cơ chế phiên mã lục lạp, nghiên cứu của chúng tôi cung cấp cái nhìn sâu sắc về vai trò của nó đối với sự phát triển và thích nghi của thực vật cũng như phản ứng với các điều kiện môi trường”. Đồng tác giả, tiến sỹ Ishika Pramanick cho biết: “Có rất nhiều khoảnh khắc đáng ngạc nhiên trong hành trình nghiên cứu đáng chú ý này, bắt đầu từ quá trình tinh chế protein đầy thử thách cho đến việc chụp những bức ảnh cryo-EM tuyệt đẹp về loại protein phức tạp khổng lồ này để cuối cùng được thấy tác phẩm của chúng tôi ở dạng in”.

 

Tiến sỹ Webster kết luận: “Nhiệt độ, hạn hán và độ mặn hạn chế khả năng thực hiện quang hợp của thực vật. Thực vật có thể sản xuất protein quang hợp một cách đáng tin cậy khi đối mặt với áp lực môi trường có thể kiểm soát quá trình phiên mã lục lạp một cách khác nhau. Chúng tôi mong muốn được thấy công trình nghiên cứu của mình được sử dụng trong nỗ lực quan trọng nhằm phát triển các loại cây trồng khỏe mạnh hơn”.

 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Trung tâm John Innes.

Nghiên cứu động lực học cấu trúc của quang hợp II bằng tia X Femtosecond

 Nghiên cứu động lực học cấu trúc của quang hợp II bằng tia X Femtosecond

Tìm hiểu về cơ chế phân tử là cơ sở cho hiện tượng quang hợp có thể mang lại tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực công nghệ sinh học và năng lượng tái tạo. Hệ thống quang hợp II (PSII), một phức hợp protein đóng vai trò trung tâm trong quá trình này bằng cách xúc tác quá trình oxy hóa khử và tạo ra O­2 nhờ ánh sáng mặt trời, đó là quá trình cơ bản trong quá trình quang hợp oxy. Mặc dù đã được nghiên cứu sâu  nhưng động lực học cấu trúc của quang hoá 2 (PSII) trong phản ứng tách nước, đặc biệt là ở mức nguyên tử và trong khoảng thời gian ngắn vẫn chưa được khám phá.

 

Nghiên cứu trước đây đã được thực hiện mang lại hiểu biết có giá trị về những thay đổi cấu trúc xảy ra trong quang hoá II (PSII) trong phản ứng tách nước, tập trung vào khoảng thời gian rất ngắn (xảy ra rất nhanh). Mặc dù thiếu thông tin cấu trúc có độ phân giải cao trong khoảng thời gian ngắn hơn, đặc biệt là trong quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau của phức hợp tiến hóa oxy (OEC) gây ra do sự tác động của ánh sáng, điều này rất cần thiết để hiểu về cơ chế oxy hóa nước và quá trình oxy hoá. Để hiểu rõ về vấn đề này, giáo sư Michihiro SUGA và giáo sư Jian-Ren Shen từ Viện Nghiên cứu Khoa học Liên ngành, Trường Cao học Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Đại học OKama ở Nhật Bản đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí Nature vào ngày 31 tháng 1 năm 2024.

 

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng bơm đầu dò tinh thể học tia X - thăm dò tinh thể học tia X (TR-SFX), một kỹ thuật được biết để ghi lại những thay đổi cấu trúc cực nhanh trong các đại phân tử sinh học với độ chính xác về không gian và thời gian vượt trội. Thông qua điều khiển đã được thiết lập, các vi tinh thể quang hoá 2 (PSII) đã được chuẩn bị tỉ mỉ và chịu sự kích thích bằng một hoặc hai tia laser, sau đó được chiếu sáng bằng các xung tia X Femtosecond được tạo ra bởi máy đo laser điện tử tự do ở bước sóng tia X (XFEL). "Quá trình tạo ra các vi tinh thể trong quang hợp 2 tốn nhiều thời gian, kéo dài gần 5 năm cho đến khi kết quả được tổng hợp và công bố", giáo sư Michihiro SUGA cho biết nỗ lực cố gắng tập trung được đầu tư nghiên cứu vào dự án. Bằng cách cho các tinh thể tiếp xúc với tia laser và ghi lại các mẫu nhiễu xạ tia X ở các thời gian khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi những thay đổi cấu trúc nhỏ trong PSII, từ nano giây đến mili giây sau khi ghi lại thông qua ảnh chụp.

 

Các phát hiện này cho thấy cấu trúc phức tạp của PSII trong quá trình chuyển đổi quan trọng từ trạng thái S1 sang S2 và S2 sang S3 để hiểu các sự kiện quan trọng như chuyển các electron, giải phóng proton và phân phối nước cơ chất. Sau khi cho các tinh thể tiếp xúc với tia laser, người ta quan sát thấy sự thay đổi cấu trúc nhanh chóng trong dư lượng tyrosine YZ, cho thấy sự xuất hiện của quá trình chuyển electron và proton nhanh. Một phân tử nước gần Glam189 của tiểu đơn vị D1 đã được tìm thấy ngay sau hai lần chụp, sau đó được chuyển đến vị trí có tên O6 gần với O5 như được tìm thấy trước đó, mang lại những hiểu biết có giá trị về nguồn gốc của nguyên tử oxy được kết hợp trong phản ứng tách nước. Cuộc điều tra cũng làm rõ sự chuyển động phối hợp của các phân tử nước trong các bộ điều khiển riêng biệt làm rõ vai trò quan trọng của chúng trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho việc cung cấp nước và giải phóng proton. Những quan sát này làm sáng tỏ sự tương tác phức tạp của phức hợp protein và các phân tử nước hình thành nên liên kết của chúng mang lại hiệu quả xúc tác cho chu trình PSII.

 

“Những phát hiện trong nghiên cứu của chúng tôi có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong việc thiết kế chất xúc tác cho quá trình quang hợp nhân tạo. Bằng cách làm sáng tỏ các cơ chế phân tử làm cơ sở cho quá trình oxy hóa nước trong PSII, nghiên cứu của chúng tôi là cơ sở cho sự phát triển các chất xúc tác tổng hợp có khả năng khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp nhân tạo”, Giáo sư Jian-Ren Shen giải thích khi thảo luận về các ứng dụng thực tế của nghiên cứu này. Với việc hiểu được động lực học cấu trúc của PSII, chúng tôi cũng có thể đưa ra các chiến lược tối ưu hóa quá trình quang hợp tự nhiên ở cây trồng để nâng cao năng suất nông nghiệp và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.

Những phát hiện này không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về các quá trình sinh học cơ bản mà còn hứa hẹn to lớn trong việc giải quyết các thách thức toàn cầu cấp bách liên quan đến bền vững năng lượng và bảo vệ môi trường. Hy vọng có nhiều nghiên cứu hơn mở đường cho cải tiến đổi mới xanh.

 

Dương Thị Lan Oanh theo Đại học Okama

Enzime cố định cacbon hiệu quả nhất thế giới đang dần trở nên tốt hơn

 Enzime cố định cacbon hiệu quả nhất thế giới đang dần trở nên tốt hơn

Nghiên cứu mới do Đại học Oxford dẫn đầu đã phát hiện ra rằng rubisco – loại enzyme cung cấp năng lượng cho mọi sự sống trên Trái đất – cuối cùng không bị kẹt trong một lối mòn tiến hóa. Phân tích lớn nhất về rubisco từng phát hiện ra rằng nó luôn cải tiến - chỉ rất, rất chậm. Những hiểu biết sâu sắc này có khả năng mở ra những con đường mới để tăng cường an ninh lương thực. Kết quả đã được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia [PNAS].

 

Enzyme dồi dào nhất trên Trái đất, rubisco, đã cung cấp năng lượng thúc đẩy sự sống trên hành tinh của chúng ta trong ba tỷ năm qua. Trong khi rubisco xử lý được hàng tỷ tấn CO2 mỗi năm thì enzym nổi tiếng là kém hiệu quả. Điều này đã tạo ra một nghịch lý sinh học khiến các nhà nghiên cứu bối rối trong nhiều thập kỷ. Tại sao enzyme đã cung cấp nhiên liệu cho sự sống trong hơn 3 tỷ năm lại không thực hiện công việc của mình tốt hơn? Nhiều nhà khoa học thực vật đã tranh luận liệu enzyme này có bị mắc kẹt trong 'vòng tiến hóa' hay không, khiến nó không thể tốt hơn được nữa.

 

“Chúng tôi đã chỉ ra rằng rubisco không bị đóng băng theo thời gian mà thay vào đó liên tục phát triển để trở nên tốt hơn. Bây giờ chúng tôi cần hiểu các yếu tố đang cản trở rubisco để chúng tôi có thể nhận ra tiềm năng thực sự của nó”.

Tác giả cao cấp Giáo sư Steven Kelly (Khoa Sinh học, Đại học Oxford)

 

Nhưng nghiên cứu mới của Đại học Oxford đã tiết lộ rằng rubisco đang liên tục được cải tiến, nhưng sự cải thiện này đang diễn ra với tốc độ rất chậm.

 

Tác giả chính Jacques Bouvier, một sinh viên DPhil tại Khoa Sinh học của Oxford, đã cho biết: ‘Nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên chứng minh rằng quá trình tiến hóa luôn cải thiện rubisco và có thể cải thiện thêm enzyme. Điều quan trọng là cái nhìn sâu sắc này mang lại sự lạc quan mới cho những nỗ lực chế tạo enzyme để giúp nuôi sống thế giới”.

 

Các nhà nghiên cứu đã phân tích trình tự gen rubisco từ nhiều loại sinh vật quang hợp và lần đầu tiên định lượng được tốc độ tiến hóa của rubisco. Họ đã phát hiện ra rằng trình tự của nó đã thay đổi theo từng phút với chỉ một lần thay đổi base DNA mỗi 900.000 năm – một sự tương phản hoàn toàn với bộ gen của Covid-19, chẳng hạn, đang phát triển một thay đổi cơ sở cứ sau hai tuần. Điều này khiến rubisco nằm trong số 1% gen tiến hóa chậm nhất trên Trái đất.

 

Mặc dù tốc độ thay đổi chậm nhưng các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng enzyme đang khai thác quá trình tiến hóa này để cố định CO2 tốt hơn. Các tác giả cũng nhận thấy rằng quá trình cố định CO2 được cải thiện dần dần này đang dẫn đến sự cải thiện quá trình quang hợp; thực vật đang tiến hóa để chuyển hóa CO2 thành đường tốt hơn, nhưng tốc độ cải thiện chậm đến mức có vẻ như bị đóng băng.

 

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã mong muốn tạo ra một loại rubisco cải tiến để thúc đẩy tăng trưởng và năng suất cây trồng. Nhưng bất chấp nhiều nỗ lực, thành công vẫn còn hạn chế và nhiều người tự hỏi liệu rubisco đã được tối ưu hóa hay chưa, khiến những nỗ lực này trở nên vô ích. Tuy nhiên, những hiểu biết sâu sắc từ nghiên cứu này mang lại hy vọng mới. Đặc biệt, việc làm sáng tỏ bí ẩn về điều gì đang kìm hãm tốc độ tiến hóa của rubisco có thể khám phá ra những cách mới để nâng cao năng suất cây trồng.

 

 

Rubisco, được cho là enzyme dồi dào nhất trên hành tinh, xúc tác quá trình cố định carbon dioxide trong quá trình quang hợp. Đây là mô hình rubisco từ rau bina. Nguồn: Taylor, T.C., Andersson, I. Wikimedia Commons.

 

Jacques Bouvier nói thêm: “Vì rubisco đồng hóa các loại đường cung cấp năng lượng cho sự sống trên Trái đất nên việc cải thiện loại enzyme này là một trong những con đường hứa hẹn nhất giúp chống lại tình trạng mất an ninh lương thực. Đã có cuộc tranh luận sôi nổi về việc liệu có thể cải thiện enzyme hay không; nghiên cứu mới của chúng tôi cung cấp câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi này. Nếu sự tiến hóa có thể cải thiện rubisco thì chúng ta cũng có thể”.

 

Cái nhìn sâu sắc mới này khuyến khích những nỗ lực nhằm tăng năng suất cây lương thực, chất xơ và nhiên liệu bằng cách nhắm mục tiêu vào kỹ thuật rubisco. Cải thiện rubisco có thể là chìa khóa để hỗ trợ nhu cầu thực phẩm của dân số toàn cầu đang ngày càng tăng.

 

Đỗ Thị Nhạn theo Đại học Oxford.

CRISPR- COPIES: Công cụ mới tăng tốc và tối ưu hóa chỉnh sửa bộ gen

 CRISPR- COPIES: Công cụ mới tăng tốc và tối ưu hóa chỉnh sửa bộ gen

Các hệ thống CRISPR/Cas đã có những tiến bộ vượt bậc trong thập kỷ qua. Những công cụ chỉnh sửa bộ gen chính xác này có nhiều ứng dụng từ phát triển cây trồng chuyển gen đến liệu pháp gen và hơn thế nữa. Và với sự phát triển gần đây của CRISPR-COPIES, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Đổi mới Năng lượng Sinh học và Sản phẩm Sinh học Tiên tiến (CABBI) đang cải thiện hơn nữa tính linh hoạt và dễ sử dụng của CRISPR.

Huimin Zhao (trưởng nhóm Chuyển đổi CABBI) và Steven L. Miller (chủ tịch Kỹ thuật Hóa học và Phân tử sinh học (ChBE) của tại Đại học Illinois) cho biết: “CRISPR-COPIES là một công cụ có thể nhanh chóng xác định các vị trí gắn phù hợp trên nhiễm sắc thể cho kỹ thuật di truyền ở bất kỳ sinh vật nào”. "Nó sẽ đẩy nhanh công việc của chúng tôi trong việc biến đổi di truyền ở các loài nấm men mới (non-model yeasts) để sản xuất hóa chất và nhiên liệu sinh học một cách hiệu quả về mặt chi phí".

Chỉnh sửa gen đã cách mạng hóa khả năng của các nhà khoa học trong việc hiểu và xử lý thông tin di truyền. Kỹ thuật di truyền này cho phép các nhà nghiên cứu đưa những đặc điểm mới vào một sinh vật, chẳng hạn như khả năng kháng sâu bệnh hoặc khả năng tạo ra một chất sinh hóa có giá trị.

Với hệ thống CRISPR/Cas, các nhà nghiên cứu có thể thực hiện các chỉnh sửa di truyền chính xác và có mục tiêu. Tuy nhiên, việc xác định vị trí gắn tối ưu trong bộ gen cho những chỉnh sửa này là một vấn đề quan trọng và phần lớn chưa được giải quyết. Trong lịch sử, khi các nhà nghiên cứu cần xác định vị trí cần chỉnh sửa, họ thường sàng lọc thủ công các vị trí gắn tiềm năng, sau đó kiểm tra vị trí đó bằng cách gắn gen báo cáo để đánh giá mức độ biểu hiện gen và mức độ biểu hiện gen của nó. Đó là một quá trình tốn nhiều thời gian và tài nguyên.

 

Hình 1. Giới thiệu về ứng dụng của CRISPR-COPIES.

 

Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu CABBI đã phát triển CRISPR-COPIES (COmputational Pipeline for the Identification of CRISPR/Cas-facilitated intEgration Sites), một quy trình tính toán để xác định các vị trí tích hợp được hỗ trợ bởi CRISPR /Cas (Hình 1). Công cụ này có thể xác định các vị trí tích hợp trung lập trong vòng hai đến ba phút, trên hầu hết đối với các bộ gen của vi khuẩn và nấm (Hình 2).

 

Hình 2: Quy trình tính toán của CRISPR-COPIES để xác định các vị trí tích hợp trung tính trên toàn bộ gen. (A) Đưa ra tệp fasta bộ gen và thông tin về hệ thống CRISPR/Cas quan tâm, tập lệnh sẽ xác định và lọc các gRNA dựa trên các đặc điểm trình tự ảnh hưởng đến các hoạt động đúng mục tiêu và ngoài mục tiêu. Các trình tự DNA bên cạnh gRNA được thu thập để làm khuôn mẫu cho quá trình sửa chữa theo hướng tương đồng. Đầu ra được sàng lọc bằng bảng tính năng NCBI để xác định vị trí các gRNA ứng cử viên trong khu vực giữa các thế hệ. (B) Đường dẫn tin sinh học để kết hợp thông tin về bộ gen và thu được các vị trí tích hợp trung tính. Bằng cách sử dụng bảng tính năng NCBI, các gRNA ứng cử viên được chú thích bằng thông tin gen lân cận và được lọc tùy thuộc vào vị trí của chúng trong bộ gen để xác định các vị trí mà không làm gián đoạn bất kỳ gen hoặc yếu tố điều hòa nào như bộ khởi động và bộ kết thúc. Nhãn vùng cũng được cung cấp cho từng vùng gen được phân tách bằng các tương đồng thiết yếu, thu được bằng cách thực hiện BLAST giữa các chuỗi protein trong sinh vật quan tâm và các protein thiết yếu của sinh vật tham chiếu có sẵn trong Cơ sở dữ liệu về các gen thiết yếu.

Aashutosh Boob, nghiên cứu sinh tiến sĩ của nhóm nghiên cứu ChBE tại trường Đại học Illinois và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Việc tìm kiếm vị trí gắn trong bộ gen theo cách thủ công cũng giống như tìm kim đáy bể”. "Tuy nhiên, với CRISPR-COPIES, chúng tôi biến đống cỏ khô thành một không gian có thể tìm kiếm được, tạo tiền đề cho các nhà nghiên cứu xác định hiệu quả vị trí của tất cả các mục tiêu phù hợp với tiêu chí lựa chọn của họ".

Trong bài báo đăng trên tạp chí Nucleic Acids Research, các nhà nghiên cứu đã chứng minh tính linh hoạt và khả năng mở rộng của CRISPR-COPIES bằng cách mô tả các vị trí gắn ở ba loài khác nhau: Cupriavidus necator , Saccharomyces cerevisiae và tế bào HEK 293T. Họ đã sử dụng các vị trí tích hợp do CRISPR-COPIES tìm thấy để thiết kế các tế bào có khả năng tăng cường sản xuất axit 5-aminolevulinic, một chất sinh hóa có giá trị có ứng dụng trong nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã tạo một mạng lưới giao diện người dùng dễ tương tác với kỹ thuật CRISPR-COPIES. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng ứng dụng cực kỳ dễ tiếp cận này ngay cả khi không có chuyên môn sâu về tin sinh học.

Mục tiêu chính của CABBI là kỹ thuật tạo ra các loại nấm men tái cấu trúc để sản xuất các hợp chất và nhiên liệu từ sinh khối thực vật. Tuy nhiên, việc sản xuất nhiên liệu sinh học và các sản phẩm sinh học từ nguyên liệu chi phí thấp ở quy mô lớn là một thách thức về mặt kinh tế do thiếu công cụ di truyền và tính chất cồng kềnh của các phương pháp chỉnh sửa bộ gen truyền thống. Bằng cách cho phép các nhà nghiên cứu xác định nhanh chóng các locus gen để tích hợp gen mục tiêu, CRISPR-COPIES cung cấp một quy trình hợp lý tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định các vị trí tích hợp ổn định trên toàn bộ gen. Nó cũng loại bỏ công đoạn thủ công liên quan đến việc thiết kế các thành phần để tích hợp DNA qua trung gian CRISPR/Cas.

Đối với kỹ thuật nông học, công cụ này có thể được sử dụng để tăng năng suất sinh khối, khả năng kháng sâu bệnh hoặc khả năng phục hồi môi trường. Để chuyển đổi sinh khối thành các hóa chất có giá trị. Ví dụ: bằng cách sử dụng nấm men S. cerevisiae - CRISPR-COPIES có thể được sử dụng để tạo ra các tế bào có năng suất cao hơn đáng kể.

Phần mềm đa năng này được thiết kế để đơn giản hóa và đẩy nhanh quá trình xây dựng tạo dòng, tiết kiệm cả thời gian và nguồn lực cho các nhà nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới ở cả giới học viện và ngành công nghiệp đều có thể hưởng lợi từ tiện ích của nó trong kỹ thuật tạo dòng để sản xuất hợp chất sinh học và phát triển cây trồng chuyển gen.

Đồng tác giả của nghiên cứu này bao gồm nghiên cứu sinh tiến sĩ Zhixin Zhu của ChBE, sinh viên trao đổi Pattarawan Intasian của ChBE và nghiên cứu sinh tiến sĩ kỹ thuật sinh học Guanhua Xun; Hai nhà phát triển phần mềm của Viện Sinh học Gen (IGB) Carl R. Woese là Manan Jain và Vassily Petrov; Stephan Thommas Lane - Giám đốc quỹ phát triển sinh học IGB; và Shih-I Tan - Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của CABBI.

Đinh Anh Hòa - hcmbiotech, theo Sciencedaily

Năng suất cây trồng có thể gia tăng nhờ cấy tảo biển

 Năng suất cây trồng có thể gia tăng nhờ cấy tảo biển

Các nhà khoa học đã phát hiện ra gen cho phép tảo biển tạo ra một loại chất diệp lục đặc biệt. Họ đã cấy thành công gen này vào cây trồng trên đất liền và điều này mở đường cho việc tăng năng suất cây trồng trên diện tích đất ngày càng bị thu hẹp.

 

Việc tìm ra gen này đã giải quyết được điều bí ẩn lâu nay của các nhà khoa học về những con đường phân tử cho phép tảo tạo ra chất diệp lục này và sống sót.

 

Tingting Xiang, trợ lý giáo sư kỹ thuật sinh học, tác giả chính của nghiên cứu tại UC Riverside cho biết: “Tảo biển tạo ra một nửa lượng oxy mà chúng ta hít thở, thậm chí nhiều hơn cả thực vật trên cạn. Tảo biển nuôi sống mạng lưới thức ăn khổng lồ, những loài cá được động vật có vú và con người ăn. Cho đến nay, chúng tôi vẫn chưa hiểu được cơ sở di truyền về sự tồn tại của tảo mặc dù chúng có tầm quan trọng toàn cầu”.

 

Các nhà nghiên cứu với cây thuốc lá thí nghiệm. Nguồn: Jinkerson/Xiang/UCR.

 

Nghiên cứu sử dụng cây thuốc lá được công bố trên tạp chí Current Biology đã chứng minh rằng thực vật trên cạn có thể tạo ra chất diệp lục biển. Về mặt lý thuyết, bất kỳ loại cây trồng trên cạn nào cũng có thể kết hợp với gen tảo biển. Kết hợp này cho phép cây trồng hấp thụ quang phổ ánh sáng đầy đủ hơn và sẽ tăng trưởng tốt hơn.

 

Chất diệp lục là sắc tố cho phép quang hợp, chuyển đổi ánh sáng thành thức ăn, hoặc năng lượng hóa học. Thực vật tạo ra chất diệp lục a và b, trong khi hầu hết tảo biển và tảo bẹ tạo ra chất diệp lục c. Chất diệp lục c giúp tảo hấp thụ ánh sáng xanh lục trên mặt nước.

 

Xiang cho biết: “Chất diệp lục b và c hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau. Đại dương hấp thụ ánh sáng đỏ, đó là lý do tại sao nó có màu xanh lam. Chất diệp lục c đã tiến hóa để hấp thu được ánh sáng xanh lục. Ánh sáng này xuyên qua bề mặt nước và đi sâu hơn vào trong nước”.

 

Một ứng dụng bổ sung của nghiên cứu này có thể áp dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo. Có một số loài tảo tạo ra diệp lục a hoặc b giống như thực vật trên cạn, thay vì c. Việc đưa gen tạo ra chất diệp lục c vào những loài tảo đó có thể nâng cao khả năng sử dụng nhiều ánh sáng hơn và thúc đẩy sự phát triển của chúng, tạo ra nhiều nguồn nguyên liệu phong phú.

 

Ban đầu, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu tìm hiểu sâu hơn về một loài tảo sống cộng sinh cùng các rạng san hô. Những loại tảo này sản xuất đường và chia sẻ đường với san hô chủ của chúng. Xiang phát hiện rằng “mỗi quần thể san hô có hàng nghìn polyp và màu nâu của chúng là do tảo. Bất cứ khi nào bạn nhìn thấy san hô bị tẩy trắng, đó là do tảo đã mất đi”.

 

Các nhà nghiên cứu đã làm thí nghiệm với tảo đột biến vì họ quan tâm đến khả năng quang hợp của tảo sẽ ảnh hưởng như thế nào đến san hô. Những đột biến hiếm gặp này có màu vàng hơn so với họ hàng có màu nâu của chúng và không thể thực hiện quá trình quang hợp. Họ bất ngờ phát hiện ra rằng ở san hô, những loài tảo đột biến này vẫn có thể sống và phát triển vì san hô cung cấp chất dinh dưỡng cho tảo phát triển.

 

Bằng cách sử dụng phương pháp giải trình tự DNA và phân tích nhiều dữ liệu, các nhà nghiên cứu cũng sử dụng các đột biến để khám phá gen chịu trách nhiệm sản xuất diệp lục c. Xiang nói rằng “khám phá gen có liên quan đến diệp lục c không phải là mục tiêu ban đầu của chúng tôi. Chúng tôi tạo ra các đột biến vì một lý do khác, nhưng tôi nghĩ rằng chúng tôi đã gặp may mắn”.

 

Tảo cộng sinh với san hô. Nguồn: Jinkerson/Xiang/UCR.

 

Với phát hiện mới về cơ sở di truyền để sản xuất chất diệp lục c, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng công trình này có thể giúp ngăn chặn làn sóng tẩy trắng san hô đang diễn ra trên thế giới. Hơn nữa, những ứng dụng này có thể áp dụng trên đất liền để có thể giúp con người thích ứng với biến đổi khí hậu.

 

Robert Jinkerson, giáo sư kỹ thuật hóa học UCR và đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Việc xác định con đường sinh tổng hợp chất diệp lục c không chỉ là sự tò mò khoa học mà còn là ứng dụng tiềm năng đối với nền an ninh lương thực và năng lượng bền vững”.

 

Jinkerson cho biết: “Bằng cách giải mã những bí mật của sắc tố quan trọng này, chúng tôi không chỉ thu được những hiểu biết sâu sắc hơn về huyết mạch của hệ sinh thái biển mà còn đi tiên phong trong con đường phát triển các loại cây trồng và nhiên liệu sinh học một cách hiệu quả hơn”.

 

Trương Thị Tú Anh theo UC Riverside

Vi khuẩn rễ có thể là bí quyết để có một tách trà ngon hơn

 Vi khuẩn rễ có thể là bí quyết để có một tách trà ngon hơn

Bạn sẽ nghĩ rằng hương vị phức tạp trong một tách trà chất lượng sẽ phụ thuộc chủ yếu vào loại trà được sử dụng để pha trà? Một nghiên cứu gần đây vừa đăng trên tạp chí Current Biology vào ngày 15 tháng 2 cho thấy rằng việc tạo ra một tách trà ngon phụ thuộc vào một thành phần quan trọng khác. Đó là tập hợp vi khuẩn, được tìm thấy trên và xung quanh rễ trà. Bằng cách thay đổi tập hợp vi khuẩn đó, các tác giả cho thấy rằng họ có thể tạo ra loại trà chất lượng tốt thậm chí còn tốt hơn.
 
Tongda Xu thuộc Đại học Nông Lâm Phúc Kiến ở Phúc Kiến, Trung Quốc cho biết: “Sự chênh lệch đáng kể trong cộng đồng vi sinh vật, đặc biệt là các vi sinh vật liên quan đến chuyển hóa nitơ, đã được xác định trong rễ cây chè với những hoạt chất khác nhau thông qua hệ vi sinh vật”. "Điều quan trọng là thông qua việc phân lập và tập hợp cộng đồng vi sinh vật tổng hợp từ rễ cây chè cho chất lượng cao, chúng tôi đã cố gắng nâng cao đáng kể hàm lượng axit amin trong các giống cây chè khác nhau, dẫn đến cải thiện chất lượng chè."
 
Trung Quốc có nguồn gen dồi dào để trồng cây chè. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu giải thích, việc cải thiện chất lượng trà thông qua các phương pháp lai tạo phân tử là một thách thức. Người ta quan tâm đến việc tìm ra những cách khác để biến đổi và nâng cao chất lượng trà, có lẽ bao gồm cả việc sử dụng các tác nhân vi sinh vật. Các nghiên cứu trước đây cho thấy vi khuẩn đất sống trong rễ cây ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ và sử dụng chất dinh dưỡng trong cây. Trong nghiên cứu mới gần đây, các nhà nghiên cứu đang muốn tìm hiểu thêm về mức độ ảnh hưởng cụ thể của vi khuẩn rễ đến chất lượng trà.
 
Họ phát hiện ra rằng các vi khuẩn trong rễ trà ảnh hưởng đến sự hấp thu amoniac của chúng, từ đó ảnh hưởng đến việc sản xuất theanine, chất quyết định hương vị của trà. Họ cũng nhận thấy sự khác biệt trong số lượng vi khuẩn sống trong các loại trà khác nhau. Bằng cách so sánh các giống trà với lượng theanine khác nhau, họ đã xác định được một tập hợp vi khuẩn tiềm năng trong việc thay đổi quá trình chuyển hóa nitơ và tăng mức theanine.
 
Tiếp theo, họ xây dựng một cộng đồng vi sinh vật tổng hợp, được đặt tên là SynCom. Điều này cũng giống với một cộng đồng vi sinh được tìm thấy ở giống trà có hàm lượng theanine cao, có tên là Rougui. Khi họ áp dụng hệ vi sinh SynCom vào rễ trà, họ nhận thấy nó làm tăng mức theanine. Các vi khuẩn này cũng được thử trên Arabidopsis thaliana (là một loại cây có hoa nhỏ thuộc Họ Cải có nguồn gốc từ châu Âu, châu Á và tây bắc châu Phi), một loại cây thường được sử dụng trong các nghiên cứu sinh học cơ bản, đã làm tăng sự chịu đựng tốt hơn trong điều kiện nitơ thấp.
 

Đồng tác giả nghiên cứu Wenxin Tang cho biết: “Kỳ vọng ban đầu đối với cộng đồng vi sinh vật tổng hợp có nguồn gốc từ rễ cây chè chất lượng cao là nâng cao chất lượng của cây chè chất lượng thấp”. "Tuy nhiên, thật ngạc nhiên, chúng tôi phát hiện ra rằng cộng đồng vi sinh vật tổng hợp không chỉ nâng cao chất lượng của cây chè chất lượng thấp mà còn có tác dụng thúc đẩy đáng kể đối với một số giống chè chất lượng cao. Hơn nữa, tác dụng này đặc biệt rõ rệt ở những cây chè phát triển trong điều kiện hàm lượng nitơ trong đất thấp."

Họ cho biết, những phát hiện này cho thấy rằng các cộng đồng vi sinh vật được sản xuất tổng hợp có thể cải thiện chất lượng trà, đặc biệt là khi được trồng trong điều kiện đất thiếu nitơ. Bởi vì cây chè cần nhiều nitơ nên phát hiện này có thể giúp giảm việc sử dụng phân bón hóa học đồng thời nâng cao chất lượng của cây chè. Những phát hiện này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với cây trồng nông nghiệp ở phạm vi rộng hơn.

Hình 1. Hệ vi sinh vật rễ của cây chè điều hòa cân bằng nội môi nitơ và tổng hợp theanine để ảnh hưởng đến chất lượng chè.

Xu cho biết: “Dựa trên những phát hiện thử nghiệm hiện tại của chúng tôi, việc đưa cộng đồng vi sinh vật SynCom21 vào không chỉ cải thiện sự chuyển hóa nitơ ở dạng amoni (NH4+) của các giống trà khác nhau mà còn tăng cường sự hấp thu nitơ ở cây Arabidopsis thaliana”. "Điều này cho thấy chức năng thúc đẩy quá trình chuyển hóa và hấp thu nitơ của SynCom21 có thể áp dụng cho nhiều loại cây trồng khác nhau và ở các vụ trồng khác nhau."

Ví dụ, họ nói rằng nó có thể cho phép trồng lúa với chất lượng được cải thiện bao gồm hàm lượng protein cao hơn. Hiện tại, họ có kế hoạch tối ưu hóa tốt hơn nữa SynCom và đánh giá việc sử dụng nó trong các thử nghiệm thực địa. Họ cũng hy vọng tìm hiểu thêm về cách vi khuẩn rễ ảnh hưởng đến các chất chuyển hóa thứ cấp khác trong cây trà.
 

 Đinh Anh Hòa - Hcmbiotech, theo Sciencedaily

Các nhà khoa học trồng cây bằng nước mặn có khả năng giúp chúng ta thoát khỏi nạn đói

 Các nhà khoa học trồng cây bằng nước mặn có khả năng giúp chúng ta thoát khỏi nạn đói

Nước mặn là tin xấu đối với hầu hết các loại cây trồng, nhưng không phải là tin xấu đối với một loạt cây như cà chua, cỏ linh lăng (alfalfa), hành (onions) và lúa đang nảy mầm trong phòng thí nghiệm ở Israel.

 

Những loại cây trồng này là sản phẩm trí tuệ không biến đổi gen của Ṛcā Godbole, nhà sinh học phân tử thực vật và đồng sáng lập của SaliCrop. Và chúng không chỉ phát triển mà còn phát triển trong nước mặn.

 

Trong bốn năm qua, SaliCrop đã thử nghiệm công nghệ cải thiện chất lượng hạt giống trên cà chua ở miền nam Tây Ban Nha, nơi hạn hán tàn khốc đã gây ra hiện tượng nhiễm mặn nghiêm trọng, quá trình đất trở nên quá mặn làm cho cây trồng không phát triển hiệu quả.

 

Tập thể SaliCrop từ trái qua gồm: Oron Bet Or, Carmit Oron, Ṛcā Godbole,  Sharon Devir, Shimon Rachmilevitch. Nguồn: Guy Shery.

 

Tuy nhiên, với hạt giống của SaliCrop, những người nông dân trồng cà chua tham gia đã nhận thấy năng suất cây trồng tăng từ 10-17%, giúp họ kiếm thêm 1.600 USD/ha, Giám đốc điều hành SaliCrop Carmit Oron nói với Business Insider.

 

Tây Ban Nha chỉ là một trong nhiều nơi trên thế giới gặp phải vấn đề nhiễm mặn nghiêm trọng. Tác động xấu của việc tưới nước trong nhiều năm, nhiệt độ toàn cầu ấm lên và mực nước biển dâng cao đã khiến 20-50% đất được tưới trên toàn thế giới trở nên quá mặn. Điều này khiến nền kinh tế toàn cầu thiệt hại ước tính khoảng 27 tỷ USD/năm do mất mùa.

 

Trong khi đó, số lượng dân số toàn cầu dự kiến sẽ đạt gần 10 tỷ người vào năm 2050, Liên Hợp Quốc ước tính. Oron nói: “Làm thế nào để chúng tôi trồng trọt nhiều hơn trên những vùng đất đang bị suy thoái? Đây là câu hỏi chính và là động lực để thành lập SaliCrop”.

 

Godbole thành lập SaliCrop cùng với Sharon Devir, kỹ sư nông nghiệp, với sứ mệnh lớn lao: Giúp đỡ những người nông dân đối mặt với những thách thức của thế giới đang thay đổi nhanh chóng của chúng ta và ngăn chặn nạn đói cho hàng tỷ người có thể xảy ra.

 

Devir nói với Báo Business Insider “Chúng tôi tin rằng đây là giải pháp bắt buộc”.

 

Salicrop đã thực hiện nghiên cứu cải thiện chất lượng hạt giống trên các trang trại trồng cà chua ở miền Nam Tây Ban Nha trong 4 năm qua. Nguồn: Guy Shery.

 

Salicrop thành công về nước mặn

 

Các nhà khoa học tại SaliCrop đang phát triển một loạt cây trồng có khả năng thích ứng cao, có thể phát triển dưới những áp lực như đất mặn hơn và nhiệt độ ấm hơn.

 

Muối xuất hiện tự nhiên trong đất ở khắp mọi nơi, nhưng quá nhiều muối có thể khiến cây khó hấp thụ nước và chất dinh dưỡng hơn, khiến cây chậm phát triển, làm giảm năng suất cây trồng và cuối cùng đe dọa sản xuất lương thực toàn cầu.

 

Trên toàn cầu, hơn 1,5 tỷ người sống cùng với đất đã trở nên quá mặn không thể trồng cây hiệu quả. Và nó được dự đoán sẽ chỉ trở nên tồi tệ hơn.

 

Chẳng hạn ở Ấn Độ, 44% đất đai đã bị nhiễm mặn và các nhà nghiên cứu ước tính rằng tình trạng nhiễm mặn sẽ ảnh hưởng đến 50% đất đai của quốc gia này vào năm 2050.

 

Vấn đề mà người nông dân trên toàn thế giới không thể tránh khỏi là nhiệt độ trung bình ấm hơn, làm tăng tốc độ bốc hơi trong đất, tập trung muối trong đất - đặc biệt là ở những vùng khô hạn.

 

Lũ lụt do mực nước biển dâng cao cũng gây ra mối đe dọa, đặc biệt đối với các vùng đất nông nghiệp ven biển, vì nó tích tụ nhiều muối hơn vào đất và nước ngầm. Những biện pháp tưới tiêu kém, chẳng hạn như tưới không đủ nước, sử dụng nước mặn và không duy trì hệ thống thoát nước phù hợp cũng có thể làm cho đất mặn.

 

Để giúp nông dân giải quyết tất cả các yếu tố này, SaliCrop đang nỗ lực mang giải pháp của mình đến 8 quốc gia khác nhau và đã nhận được lời kêu gọi từ các công ty hạt giống ở Châu Âu, Ấn Độ và Châu Phi đang tìm kiếm giải pháp tức thời để cải thiện năng suất cây trồng của họ, Oron cho biết.

 

Godbole giải thích trong một thông cáo báo chí: “Cây trồng có một số gen tương tác với môi trường nhất định, hoạt động như những cảnh báo bên trong. Khi có quá nhiều muối hoặc quá nóng, các báo động này sẽ mở và cây chuyển sang chế độ phòng thủ”.

 

Godbole đã tìm ra cách khai thác những tiếng chuông báo động đó bằng cách cho cây tiếp xúc áp lực ngay từ đầu trong chu kỳ sinh trưởng của chúng. Trong trường hợp này, là tưới cây bằng nước muối trong phòng thí nghiệm của họ. Bằng cách đó, khi được trồng trên đất mặn, cây trồng đã có sẵn khả năng phòng vệ, khiến chúng ít nhạy cảm hơn với điều kiện mặn.

 

Devir cho biết, chiến lược này giúp giảm một nửa tổn thất mùa màng do điều kiện bất thuận và chỉ mất khoảng một năm để đạt được kết quả đó.

 

Devir cho biết: “Chúng tôi hiệu chỉnh công nghệ của mình cho từng loại cây trồng, cho từng loài và thậm chí cho từng lô trong loài”. Điều này cho phép họ nhắm mục tiêu chính xác vào phản ứng thích ứng tốt nhất và tối đa hóa năng suất cho từng loại cây trồng.

 

Trồng cây trong tương lai bằng cây trồng không biến đổi gen

 

Devir nói “Chúng tôi tin rằng phải mất một đến hai năm cho đến khi chúng tôi có được dấu ấn toàn cầu với giải pháp của mình”. Cho đến nay, SaliCrop đã làm việc với các trang trại có diện tích từ 25 mẫu Anh đến 250 mẫu Anh. Trên toàn cầu, hơn 3.700 mẫu Anh - gấp hơn bốn lần diện tích Công viên Trung tâm của NYC - đất canh tác trồng hạt giống SaliCrop.

 

Nhưng SaliCrop không phải là công ty duy nhất nhắm đến giải pháp không biến đổi gen. Ví dụ, Red Sea Farms là một công ty Ả Rập Saudi sử dụng phương pháp chọn tạo giống chọn lọc để trồng các loại cây có thể được tưới bằng nước mặn. Ở Thụy Điển, một công ty có tên là OlsAro đang trồng lúa mì chịu mặn bằng cách sử dụng AI để chọn lọc những tính trạng giúp cải thiện khả năng thích ứng của nó.

 

Trên toàn thế giới có tới 783 triệu người phải đối mặt với nạn đói kinh niên. Liên Hợp Quốc đã đặt ra mục tiêu đầy tham vọng là xóa bỏ nạn đói vào năm 2030, nhưng sẽ cần các giải pháp đổi mới sáng tạo để cải thiện năng suất nông nghiệp trước tình trạng biến đổi khí hậu.

 

Cây trồng không biến đổi gen có khả năng thích ứng là một giải pháp khả thi. Devir nói: “SaliCrop là ví dụ điển hình về cách bạn có thể mang đến cho thế giới một giải pháp rẻ tiền, đáng tin cậy mà không gây tác động tiêu cực đến môi trường, chỉ để sản xuất nhiều thực phẩm hơn. Chúng tôi tin vào điều đó”.

 

Nguyễn Tiến Hải theo Business Insider

Tiên phong về năng suất cây trồng và tính bền vững khi đối mặt với tình trạng khan hiếm nước

  Tiên phong về năng suất cây trồng và tính bền vững khi đối mặt với tình trạng khan hiếm nước

Sơ đồ tổng quan minh họa các quy trình thực tế nhằm tận dụng các tính trạng GHW trong nhân giống. Nguồn: Vegetable Research (2024). DOI: 10.48130/vegres-0024-0001.

 

Một nhóm nghiên cứu đã làm sáng tỏ “giờ vàng” vào sáng sớm là thời điểm then chốt để đạt được hiệu quả sử dụng nước tối ưu (WUE) ở cây trồng, tiết lộ rằng thực vật có thể duy trì tốc độ thoát hơi nước thấp hơn và hoạt động quang hợp cao hơn trong điều kiện ánh sáng thuận lợi và thâm hụt áp suất hơi tối thiểu (VPD).

 

Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế khí khổng này đưa ra khái niệm WUE giờ vàng (GHW), nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cân bằng việc bảo tồn nước với sản lượng sinh khối. Thông qua việc áp dụng các kỹ thuật phân tích kiểu hình tiên tiến, nhóm nghiên cứu đề xuất một phương pháp sàng lọc định lượng và thông lượng cao của tính trạng GHW, nhằm tạo ra các giống cây trồng vừa có năng suất cao vừa tiết kiệm nước.

 

Chiến lược đổi mới này tìm cách giải quyết những thỏa hiệp thông thường giữa tiết kiệm nước và năng suất cây trồng bằng cách tận dụng các đặc điểm điều tiết nước vốn có của thực vật, đưa ra giải pháp thay thế xanh hơn để đạt được năng suất nông nghiệp và tính bền vững của nước.

 

Trong bối cảnh thiếu nước toàn cầu và biến đổi khí hậu, việc tăng cường WUE trong cây trồng đã trở nên cấp thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cho sản xuất nông nghiệp. Bất chấp những tiến bộ trong việc hiểu biết về bất lợi hạn hán, việc chuyển những phát hiện trong phòng thí nghiệm sang cải tiến thực địa vẫn phải đối mặt với những trở ngại như điều kiện môi trường thay đổi và các chỉ số phức tạp về khả năng chịu hạn.

 

Cơ chế của khí khổng, rất quan trọng để cân bằng sự hấp thụ CO2 và mất nước, nổi lên như một trọng tâm chính để cải thiện WUE. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa độ nhạy của khí khổng để tránh tiết kiệm nước quá mức gây ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và năng suất vẫn là một thách thức. Nghiên cứu trước đây nhấn mạnh tiềm năng của cây trồng với độ nhạy thâm hụt áp suất hơi giảm để cải thiện WUE mà không ảnh hưởng đến năng suất, nhấn mạnh sự cần thiết phải xem xét tính chất động của WUE bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường và di truyền.

 

Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Vegetable Research đề xuất nghiên cứu các loại cây có thể nhanh chóng điều chỉnh WUE để ứng phó với những thay đổi môi trường như một chiến lược nhằm đạt được nền nông nghiệp tiết kiệm nước với năng suất cao.

 

Khái niệm GHW xuất hiện từ các quan sát về sự biến đổi ngày đêm trong quá trình quang hợp và thoát hơi nước (Tr), cho thấy thời kỳ WUE đạt đỉnh vào sáng sớm. Ở giai đoạn này, thực vật có thể đạt được cường độ quang hợp cao hơn ở mức Tr thấp hơn trong môi trường VPD thấp. Một quy định WUE chính xác và hợp lý hơn đạt được bằng cách kiểm soát khí khổng, do đó đạt được sự cân bằng giữa bảo tồn nước và năng suất.

 

Để định lượng tính trạng GHW, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp liên quan đến các phép đo động của quá trình quang hợp, Tr và WUE. Phương pháp này tận dụng các công nghệ phân tích kiểu hình sinh lý hiệu suất cao, như hệ thống thuộc mảng cây trồng, để theo dõi các thông số sinh lý của nước.

 

Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp này bằng cách ghi lại Tr và thâm hụt áp suất hơi (VPD) trong khoảng thời gian ngắn để ước tính WUE động và sản lượng vật chất hàng ngày, cho thấy sự khác biệt đáng kể về kiểu gen trong GHW giữa các loại cây trồng khác nhau. Cách tiếp cận đổi mới này cung cấp khả năng định lượng toàn diện đặc điểm GHW bằng cách phân tích giá trị và thời điểm cao nhất trong giờ vàng cũng như Tr/VPD tích lũy.

 

Theo nhà nghiên cứu cấp cao của nghiên cứu, giáo sư Pei Xu: "Phương pháp này rất đặc biệt vì nó không chỉ tập trung vào khả năng chịu hạn mà còn tập trung vào cơ chế sử dụng nước của thực vật. Cách tiếp cận mang tính đổi mới và công nghệ tiên tiến này có khả năng dung hòa sự đánh đổi giữa tiết kiệm nước và năng suất cao trong sản xuất cây trồng, tạo điều kiện tăng năng suất trong điều kiện đủ nước và sản xuất ổn định trong điều kiện khan hiếm nước”.

 

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ tiềm năng của các tính trạng GHW trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng nước của cây trồng và đặt nền tảng cho việc lựa chọn các kiểu gen có tính trạng GHW vượt trội. Để cân bằng giữa tiết kiệm nước và năng suất, nhu cầu duy trì các điều kiện môi trường nhất quán trong kiểu hình để giảm thiểu hiệu ứng hàng loạt đã được nhấn mạnh.

 

Đỗ Thị Nhạn theo Phys.org

Phương pháp tái sinh thực vật mới mà không cần sử dụng phytohormone

 Phương pháp tái sinh thực vật mới mà không cần sử dụng phytohormone

Các phương pháp tái sinh thực vật thông thường bằng nuôi cấy tế bào đòi hỏi phải áp dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật bên ngoài, bao gồm cả hormone. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy có thể tốn nhiều công sức. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống tái sinh thực vật mới giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng hormone bằng cách điều chỉnh về mặt di truyền sự biểu hiện của các gien kiểm soát sự biệt hóa tế bào thực vật. Công việc của họ có tiềm năng đáng kể trong việc phát triển cây trồng biến đổi gien theo cách đơn giản hơn và tiết kiệm chi phí hơn.

Sự biệt hóa tự động của tế bào lá thuốc lá với gen Arabidopsis BABY BOOM (BBM) và WUSCHEL (WUS) được đưa vào. Nguồn: Frontiers in Plant Science (2024). DOI: 10.3389/fpls.2024.1308417.

 

 

Từ xa xưa, thực vật đã là nguồn dinh dưỡng chính cho động vật và con người. Ngoài ra, thực vật còn được sử dụng để chiết xuất các hợp chất chữa bệnh khác nhau. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng một cách bừa bãi, cùng với nhu cầu lương thực ngày càng tăng, nhấn mạnh sự cần thiết của các biện pháp nhân giống cây trồng mới. Những tiến bộ trong công nghệ sinh học thực vật có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến khan hiếm lương thực trong tương lai bằng cách cho phép sản xuất cây trồng biến đổi gien (GM) với năng suất cao hơn và khả năng phục hồi trước biến đổi khí hậu.

 

Đương nhiên, thực vật có thể tái tạo một cây hoàn toàn mới từ một tế bào totipotent duy nhất (một tế bào có thể tạo ra nhiều loại tế bào) thông qua quá trình biệt hóa và tái biệt hóa thành các tế bào có cấu trúc và chức năng khác nhau. Sự điều hòa nhân tạo các tế bào toàn năng như vậy thông qua nuôi cấy mô thực vật được sử dụng rộng rãi để bảo tồn, nhân giống, tạo ra các loài biến đổi gien và mục đích nghiên cứu khoa học. Thông thường, nuôi cấy mô để tái sinh thực vật đòi hỏi phải áp dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật (PGR), chẳng hạn như auxin và cytokinin, để kiểm soát sự biệt hóa tế bào. Tuy nhiên, điều kiện hormone tối ưu có thể thay đổi đáng kể tùy theo loài thực vật, điều kiện nuôi cấy và loại mô. Do đó, việc thiết lập các điều kiện PGR tối ưu có thể tốn nhiều thời gian và công sức.

 

Để vượt qua thách thức này, Phó Giáo sư Tomoko Igawa cùng với Phó Giáo sư Mai F. Minamikawa từ Đại học Chiba, Giáo sư Hitoshi Sakakibara từ Trường Cao học Khoa học Nông nghiệp Sinh học, Đại học Nagoya và Chuyên gia Kỹ thuật Mikiko Kojima từ RIKEN CSRS, đã phát triển một phương pháp linh hoạt tái sinh thực vật bằng cách điều chỉnh sự biểu hiện của gien điều hòa phát triển (DR) kiểm soát sự biệt hóa tế bào thực vật. Tiến sĩ Igawa cho biết: “Thay vì sử dụng PGR bên ngoài, hệ thống của chúng tôi sử dụng các gien DR liên quan đến sự phát triển và hình thành hình thái, để kiểm soát hệ thống này sử dụng các gien yếu tố phiên mã và tương tự như việc tạo ra tế bào đa năng ở động vật có vú.”

 

Các nhà nghiên cứu đã xem xét hai gien DR, đó là -- BABY BOOM (BBM) và WUSCHEL (WUS) từ cây Arabidopsis thaliana (được sử dụng làm cây mẫu) và kiểm tra tác động của chúng đối với sự khác biệt của nuôi cấy mô cây thuốc lá, rau diếp và cây dã yên thảo. BBM mã hóa yếu tố phiên mã điều chỉnh sự phát triển phôi, trong khi WUS mã hóa yếu tố phiên mã duy trì sự nhận dạng tế bào gốc trong vùng mô phân sinh đỉnh chồi.

 

Các thí nghiệm của họ cho thấy rằng chỉ biểu hiện của Arabidopsis BBM hoặc WUS là không đủ để tạo ra sự biệt hóa tế bào trong mô lá thuốc lá. Ngược lại, sự đồng biểu hiện của BBM được cải tiến về mặt chức năng và WUS được sửa đổi về mặt chức năng đã tạo ra một kiểu hình khác biệt hóa nhanh chóng và tự chủ. Các tế bào lá chuyển gien biệt hóa thành mô sẹo (một khối tế bào vô tổ chức), các cấu trúc giống cơ quan màu xanh lục và các chồi bất định khi không có ứng dụng PGR. Phân tích phản ứng chuỗi polymerase định lượng (qPCR) (một kỹ thuật được sử dụng để định lượng bản phiên mã gien) cho thấy rằng sự biểu hiện của Arabidopsis BBM và WUS có liên quan đến sự hình thành mô sẹo và chồi chuyển gien.

 

Với vai trò quan trọng của phytohormone trong sự phân chia và biệt hóa tế bào, các nhà nghiên cứu tiếp tục định lượng mức độ của sáu phytohormone, cụ thể là - auxin, cytokinin, axit abscisic (ABA), gibberellin (GA), axit jasmonic (JA), axit salicylic (SA) và các chất chuyển hóa của chúng trong môi trường nuôi cấy thực vật chuyển gien. Phát hiện của họ cho thấy mức độ auxin hoạt động, cytokinin, ABA và GA không hoạt động tăng lên khi các tế bào biệt hóa để hình thành các cơ quan, làm nổi bật vai trò của chúng trong quá trình biệt hóa tế bào thực vật và hình thành cơ quan.

 

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ phiên mã bằng cách giải trình tự RNA (một kỹ thuật được sử dụng để phân tích định tính và định lượng biểu hiện gien) để đánh giá các kiểu biểu hiện gien trong các tế bào chuyển gien cho thấy sự biệt hóa tích cực. Kết quả của họ cho thấy các gien liên quan đến sự tăng sinh tế bào và auxin đã được làm phong phú hơn trong số các gien được điều hòa khác nhau. Xác nhận sâu hơn bằng cách sử dụng qPCR cho thấy bốn gien được điều hòa tăng hoặc giảm điều hòa trong các tế bào chuyển gien, bao gồm các gien điều hòa sự biệt hóa tế bào thực vật, trao đổi chất, hình thành cơ quan và phản ứng phụ trợ.

 

Nhìn chung, những phát hiện này đã làm sáng tỏ phương pháp tiếp cận mới và linh hoạt trong tái sinh cây trồng mà không cần áp dụng PGR bên ngoài. Hơn nữa, hệ thống được sử dụng trong nghiên cứu này có khả năng nâng cao hiểu biết của chúng ta về các quá trình cơ bản của quá trình biệt hóa tế bào thực vật và cải thiện việc nhân giống công nghệ sinh học các loài thực vật hữu ích.

 

Nhấn mạnh các ứng dụng trong công trình của họ, Tiến sĩ Igawa nhận xét: “Hệ thống được báo cáo có thể cải thiện nhân giống cây trồng bằng cách cung cấp một công cụ để tạo ra sự biệt hóa tế bào của tế bào thực vật biến đổi gien mà không cần áp dụng PGR. Do đó, trong các xã hội nơi thực vật biến đổi gien được chấp nhận làm sản phẩm, nó sẽ đẩy nhanh việc nhân giống cây trồng và giảm chi phí sản xuất liên quan.”

 

Nguyễn Minh Thu - Mard, theo Sciencedaily