Phát triển dòng siêu lúa C4

LUAGAO - Các cuộc hội thảo liên tiếp từ 20 đến 27/8/2010 tại Thượng Hải (Trung Quốc) tập trung vào việc can thiệp quá trình quang tổng hợp để chuyển các giống lúa C3 khai thác hiện nay sang dòng siêu lúa C4 có khả năng tăng năng suất từ 30 đến 50%, giảm nhu cầu nước đến 50% và nhu cầu phân bón đến 30%. Đây là những bước đi dồn dập nhằm khởi động cuộc cách mạng xanh thứ hai với sự tham gia của các nhà khoa học đa ngành trên toàn thế giới với nguồn tài trợ từ các chính phủ hay các quỹ như Bill & Melinda Gates Foundation.

Cơ quan lương nông Liên hợp quốc (FAO) cho biết nhu cầu lương thực toàn cầu sẽ phải tăng thêm 70% trong 40 năm tới. Dân số thế giới từ 7 tỷ hiện nay sẽ đến 9 tỷ trong khoảng năm 2050. Nhưng đất nông nghiệp không có khả năng tăng, vẫn giữ ở mức trên dưới 10% diện tích Trái đất. Tính ra một hecta đất trồng ở châu Á sẽ phải nuôi sống 43 người trong những năm đó so với con số 27 hiện nay. Người tăng, đất không tăng, biện pháp duy nhất là phải chủ động làm tăng năng suất cây trồng trong các điều kiện thời tiết thất thường rất khó lường đoán, đồng thời tìm cách đưa dòng lúa nước cao sản lên các sa mạc khô hạn. Phương pháp được chọn hiện nay là sử dụng tối ưu nguồn năng lượng mặt trời trên mỗi diện tích lá qua quang tổng hợp.

Quang tổng hợp là quá trình sử dụng năng lượng mặt trời để cố định các-bon (C) từ các-bô-nic (CO2) có sẵn trong khí quyển nhằm tạo thành các chất đường, bột và sợi thực vật làm thức ăn cho người. Lúa là cây lương thực quan trọng nhất vì cung cấp cái ăn cho hơn một nửa dân số thế giới. Vì vậy làm tăng năng suất cây lúa đồng thời giảm thiểu tổn hại môi trường sẽ là căn bản của cuộc cách mạng xanh thế kỷ 21. Trong điều kiện tự nhiên hiện nay cây lúa chỉ có khả năng cố định thành tổ hợp 3 các-bon (gọi là C3) nhờ loại enzyme quang xúc tác tên là ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase viết tắt là RUBISCO.

Việc trao đổi giữa cây với môi trường không khí bên ngoài diễn ra nơi các khí khổng (stomata), ở đó khí CO2 hòa tan vào trong túi nước bắt đầu tiến trình quang tổng hợp trong khi khí O2 cùng với hơi nước thoát ra khỏi cây kết thúc tiến trình hô hấp thực vật. Hiệu quả cố định các-bon từ CO2 khí trời thành các hợp chất hữu cơ nơi dòng cây C3 như lúa không cao vì ô-xy sinh ra từ quá trình hô hấp lại có khuynh hướng giành RUBISCO của chu trình quang tổng hợp, thường gọi là chu trình Kelvin. Khi nhiệt độ bên ngoài càng cao, đặc biệt lúc đã vượt quá 20^oC thì việc hô hấp càng mạnh, ô-xy sinh ra càng nhiều và cướp lấy RUBISCO làm hạn chế mức độ quang tổng hợp dẫn tới việc cây chậm tăng trưởng hoặc chỉ cho năng suất thấp.

Trong thực tế tự nhiên đã có một số rất ít các loài thực vật như bắp (ngô), mía và cỏ ngọt có tiến trình quang tổng hợp hiệu quả hơn nhờ khả năng cố định thành các tổ hợp 4C tạo thành dòng cây C4 cho năng suất cao. Khí CO2 tại đó không bị bắt ngay bởi RUBISCO mà bởi một chất trung gian tên là phosphoenolpyruvate (PEP) để chuyển hóa thành một chất 4C là oxaloacetic acid (OAA) di chuyển sâu vào trong các mạch lá. Ở đó OAA được RUBISCO tiếp nhận lấy phần các-bon để quang tổng hợp và trả PEP trở lại mặt lá. Việc quang tổng hợp diễn ra trong các thành mạch không bị ô-xy tranh chấp và cây có khuynh hướng phát triển bộ gân phủ dày mặt lá.

Ý niệm chuyển đổi dòng lúa C3 hiện nay thành dòng siêu lúa C4 đã được đưa ra từ nhiều năm trước nhờ phát hiện trong điều kiện tự nhiên cây lúa đã có gene lặn liên quan đến kiểu quang tổng họp PEP-RUBISCO. Các viện nghiên cứu nay tách lập C4 từ các giống lúa đang khai thác bằng cách hạ nồng độ CO2 xuống dưới 50ppm nhằm làm chết các lúa C3. Công tác nhân và chọn lọc giống sẽ tiến hành sau đó với mục tiêu đưa chúng vào trồng đại trà trong 10 năm tới. Đặc tính chung của các giống lúa C4 là tế bào khí khổng không cần mở lớn mà chỉ khép hờ nên giảm bớt nhu cầu tưới nước và có thể đem lên các vùng khô hạn, đồng thời giảm nhu cầu phân đạm vì không phải hoang phí RUBISCO vốn là enzyme chứa tới 15% ni-tơ.

(Theo Báo NN Việt Nam)