Để nuôi sống 9 tỷ người đến năm 2050, nông nghiệp cần trồng thêm 50% lương thực trên một diện tích đất canh tác hạn chế. Các nhà khoa học thực vật đang chạy đua với thời gian để tạo ra những loại cây trồng có năng suất cao hơn bằng giải pháp tăng cường quang hợp.

Tảo lam (vi khuẩn lam) có khả năng quang hợp hiệu quả hơn hầu hết các loại cây trồng, vì vậy các nhà khoa học đang nghiên cứu để tích hợp những yếu tố từ vi khuẩn lam vào cây trồng.

Một nghiên cứu mới, do Maureen Hanson, GS Sinh học Phân tử Thực vật thuộc Liberty Hyde Bailey dẫn đầu, được đăng tải ngày 11/8/ 2021, trong Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ, có tiêu đề “Sự vắng mặt của Carbonic Anhydrase trong lục lạp ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật cố định carbon C3 nhưng không ảnh hưởng đến quá trình quang hợp,” mô tả một bước quan trọng thực hiện mục tiêu này.

Maureen Hanson, GS Sinh học Phân tử Thực vật thuộc Liberty Hyde Bailey là tác giả chính của nghiên cứu, phối hợp với Kevin Hines, PTS và Vishal Chaudhari, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ thuộc phòng thí nghiệm của Hanson.

Hoạt động quang hợp của thực vật là sự chuyển đổi carbon dioxide, nước và ánh sáng thành oxy và sucrose, một loại đường, được sử dụng để cung cấp năng lượng và phát triển các mô mới. Trong quá trình này, Rubisco, một loại enzyme trong tất cả các loài thực vật hấp thụ carbon vô cơ từ không khí và “sửa chữa” chuyển đổi thành hữu cơ mà thực vật sử dụng để xây dựng các mô.

Một thách thức trong việc tăng cường hiệu quả quá trình quang hợp ở cây trồng là rubisco phản ứng với cả carbon dioxide và oxy trong không khí, kết quả của phản ứng với oxy sản sinh các sản phẩm phụ độc hại làm chậm quá trình quang hợp và làm giảm hiệu suất. Nhưng ở vi khuẩn lam, Rubisco được chứa trong những vi ngăn, được gọi là carboxysomes che chắn Rubisco khỏi oxy.

Theo GS Hanson, carboxysome cũng giúp vi khuẩn lam tập trung hấp thụ carbon dioxide để Rubisco có thể sử dụng để cố định carbon nhanh hơn. Do cây trồng không có carboxysomes, nhóm nghiên cứu tìm kiếm giải pháp đưa toàn bộ cơ chế tập trung carbon từ vi khuẩn lam vào cây trồng..

Để thiết kế hệ thống tương tự, có thể hoạt động trên cây trồng, các nhà khoa học phải loại bỏ carbonic anhydrase, một loại enzyme tự nhiên, khỏi lục lạp, bào quan trong tế bào thực vật, nơi diễn ra quá trình quang hợp.

Vai trò của anhydrase là tạo ra trạng thái cân bằng giữa CO2 và bicarbonate trong tế bào thực vật, xúc tác cho các phản ứng chuyển hóa CO2 và nước tạo thành bicarbonate và ngược lại.

Nhưng để đưa được cơ chế tập trung carbon từ vi khuẩn lam vào hoạt động trong cây trồng, bicarbonate trong hệ thống phải đạt mức cao hơn nhiều lần so với mức được tìm thấy ở trạng thái cân bằng.

GS Hanson cho biết, trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã loại bỏ carbonic anhydrase, tạo điều kiện cho phép carboxysome hoạt động. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR / Cas9 vô hiệu hóa các gene biểu hiện 2 enzyme anhydrase cacbonic có trong lục lạp.

Trước đó, một nhóm nghiên cứu khác đã loại bỏ 99% hoạt tính của enzym anhydrase, cây phát triển bình thường. Nhưng khi nhóm nghiên cứu của GS Hanson loại bỏ 100% hoạt động của enzyme, cây không phát triển. Thực vật cần những enzyme này để sản xuất ra bicarbonate, sử dụng trong quy trình tạo các thành phần mô lá.