Nghiên cứu do các nhà khoa học tại Viện Boyce Thompson (BTI), Đại học Cornell và Đại học Edinburgh phối hợp thực hiện đã hé lộ một chiến lược sinh học bất ngờ ở một nhóm thực vật trên cạn quý hiếm. Phát hiện này được kỳ vọng có thể ứng dụng cho các cây lương thực chủ lực như lúa mì và lúa gạo.

“Điểm nghẽn” mang tên Rubisco

Nghiên cứu tập trung vào rubisco, một enzym đóng vai trò then chốt trong quá trình quang hợp khi hấp thụ carbon dioxide để tạo ra chất hữu cơ. Dù được xem là một trong những enzyme quan trọng nhất trên Trái đất, rubisco lại hoạt động chậm và kém hiệu quả.

Theo Phó Giáo sư Fay-Wei Li (BTI), rubisco thường dễ “xao nhãng” và “nhầm lẫn” khi phản ứng với oxy thay vì carbon dioxide, dẫn đến lãng phí năng lượng và làm giảm hiệu suất sinh trưởng của cây trồng.

Trong tự nhiên, một số sinh vật như tảo đã tiến hóa cơ chế khắc phục hạn chế này bằng cách gom rubisco vào các cấu trúc nội bào gọi là pyrenoid. Về cơ bản, đây là những bong bóng giúp tập trung carbon dioxide quanh enzym, giúp tăng hiệu quả hoạt động. Tuy nhiên, việc tái tạo hệ thống phức tạp này trong cây trồng từ lâu đã là thách thức lớn đối với giới khoa học.

Bước đột phá từ loài rêu sừng

Manh mối quan trọng đến từ rêu sừng (hornworts), loài thực vật trên cạn duy nhất được biết đến có cấu trúc tập trung CO₂ tương tự tảo. Do có quan hệ tiến hóa gần hơn với cây trồng, rêu sừng được xem là “ứng viên” tiềm năng để nghiên cứu.

Tuy nhiên, kết quả lại nằm ngoài dự đoán. Thay vì sử dụng protein riêng biệt để gom rubisco như ở tảo, rêu sừng lại tự “cải biến” chính enzyme này.

Phaeoceros laevis, một loài rêu sừng thường được biết đến với tên gọi rêu sừng trơn.

Các nhà khoa học đã xác định một thành phần protein đặc biệt mang tên RbcS-STAR. Trong cấu trúc rubisco, phần protein nhỏ ở rêu sừng được bổ sung thêm một “đuôi” gọi là vùng STAR hoạt động như một “khóa dán” phân tử, giúp các phân tử enzym rubisco tự kết dính và tạo thành cụm.

Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã đưa RbcS-STAR vào một loài rêu sừng khác vốn không có khả năng tạo pyrenoid. Kết quả cho thấy rubisco đã chuyển từ trạng thái phân tán sang hình thành các cấu trúc tập trung.

Thử nghiệm tiếp theo trên loài cây Arabidopsis (cây cải xoong Thale) cũng cho kết quả tương tự khi enzyme rubisco tạo thành các cụm dày đặc bên trong lục lạp.

“Chúng tôi thậm chí đã thử chỉ gắn đuôi STAR vào Rubisco bản địa của Arabidopsis, và nó đã kích hoạt hiệu ứng phân cụm tương tự", giáo sư Alistair McCormick tại Đại học Edinburgh, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết. “Điều này cho thấy STAR đóng vai trò như một “công cụ mô-đun” có thể hoạt động trên nhiều loài thực vật khác nhau”.

Triển vọng cho nông nghiệp

Nghiên cứu này đã mở ra khả năng cải thiện hiệu quả quang hợp bằng cách kích hoạt sự phân cụm rubisco trong cây trồng chỉ với một thành phần đơn lẻ, thay vì phải tái tạo toàn bộ hệ thống phức tạp như ở tảo.

Các nhà khoa học cho biết vẫn còn những thách thức cần giải quyết. Bên cạnh việc gom cụm rubisco, cây trồng cần có cơ chế vận chuyển carbon dioxide đến enzyme một cách hiệu quả.

“Chúng tôi đã xây dựng được “ngôi nhà” cho rubisco, nhưng để nó hoạt động hiệu quả, cần phải hoàn thiện hệ thống “thông gió”, đồng tác giả nghiên cứu, giáo sư Laura Gunn (Đại học Cornell) ví von.

Dù còn nhiều rào cản, nghiên cứu được đánh giá là bước tiến quan trọng trong nỗ lực cải thiện quang hợp. Ngay cả những cải thiện nhỏ cũng có thể giúp tăng năng suất cây trồng và giảm tác động môi trường của hoạt động canh tác. Đây là yếu tố then chốt trong bối cảnh nhu cầu lương thực toàn cầu ngày càng gia tăng.

Theo các nhà khoa học, khám phá này cho thấy thiên nhiên đã phát triển sẵn những giải pháp hiệu quả mà con người có thể học hỏi và ứng dụng vào các loại cây trồng đang nuôi sống hàng tỉ người trên thế giới.