Cải thiện quang hợp trong cây trồng để tăng năng suất

Để nuôi sống 9 tỷ người dự kiến ​​vào năm 2050, nông dân cần trồng thêm 50% lương thực trên một số lượng đất canh tác hạn chế. Do đó, các nhà khoa học thực vật đang chạy đua với thời gian để tạo ra các loại cây trồng có năng suất cao hơn bằng cách cải thiện khả năng quang hợp. 
Tảo lam (vi khuẩn lam) được biết là loài quang hợp hiệu quả hơn hầu hết các loại cây trồng, vì vậy các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để đưa các yếu tố từ tảo lam vào cây trồng.

Một nghiên cứu mới mô tả một bước quan trọng để đạt được mục tiêu đó. “Sự vắng mặt của Carbonic Anhydrase trong lục lạp ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật C3 nhưng không ảnh hưởng đến quá trình quang hợp,” được công bố vào ngày 11 tháng 8 năm 2021, trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia . 
Khi thực vật quang hợp, chúng chuyển đổi carbon dioxide, nước và ánh sáng thành oxi và sucrose, một loại đường được sử dụng để cung cấp năng lượng và xây dựng các mô mới. Trong quá trình này, Rubisco, một loại enzyme có trong tất cả các loài thực vật, lấy carbon vô cơ từ không khí và “sửa chữa” hoặc chuyển đổi nó thành dạng hữu cơ mà thực vật sử dụng để xây dựng các mô.

Một trở ngại trong việc cải thiện quá trình quang hợp ở cây trồng là Rubisco phản ứng với cả carbon dioxide và oxi trong không khí; phản ứng sau đó tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, làm chậm quá trình quang hợp và do đó làm giảm năng suất. Nhưng ở tảo lam, Rubisco được chứa trong các vi ngăn được gọi là carboxysomes giúp che chắn Rubisco khỏi oxi. 
Carboxysome cũng cho phép tảo lam tập trung carbon dioxide để Rubisco có thể sử dụng nó để cố định carbon nhanh hơn, Hanson nói. “Cây trồng không có carboxysomes, vì vậy ý ​​tưởng cuối cùng là đưa toàn bộ cơ chế tập trung carbon từ vi khuẩn lam vào cây trồng."

Để thiết kế hệ thống này 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 xảy ra quá trình quang hợp. Đó là bởi vì vai trò của anhydrase là tạo ra sự cân bằng giữa CO2 và bicarbonate trong tế bào thực vật, bằng cách xúc tác các phản ứng trong đó khiến CO2 và nước tạo thành bicarbonate và ngược lại. Nhưng để cơ chế tập trung carbon từ tảo lam hoạt động trong cây trồng, bicarbonate trong hệ thống phải đạt được mức cao hơn nhiều lần so với mức được tìm thấy ở trạng thái cân bằng. 
Trong bài báo, các tác giả mô tả việc sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR / Cas9 để vô hiệu hóa các gen biểu hiện hai enzym carbonic anhydrase có trong lục lạp. Trước đây, một nhóm nghiên cứu khác đã sử dụng một phương pháp để loại bỏ 99% hoạt tính của enzym anhydrase, cây vẫn phát triển bình thường. Nhưng khi Hanson và các đồng nghiệp loại bỏ 100% hoạt động của enzyme, cây hầu như không phát triển. 
Khi họ đưa cây vào buồng sinh trưởng có CO2 cao, chúng lại tiếp tục phát triển bình thường, vì lượng CO2 cao dẫn đến phản ứng tự phát tạo thành bicarbonate.

Nhóm nghiên cứu tin rằng họ có một giải pháp để loại bỏ anhydrase mà vẫn có đủ bicarbonate. Nghiên cứu này đã được tài trợ gần 800.000 đô la của Quỹ Khoa học Quốc gia, họ có kế hoạch đặt một chất vận chuyển bicarbonate trên màng lục lạp, để nhập bicarbonate từ các phần khác của tế bào vào lục lạp. Làm cho bicarbonate bổ sung sẽ cải thiện quá trình quang hợp ngay cả trước khi các carboxysomes có thể được thiết kế thành lục lạp. 
Các thí nghiệm cho thấy sự vắng mặt của anhydrase cacbonic không gây trở ngại cho quá trình quang hợp, trái ngược với những quan điểm trước đây.