Lên mạng ngày 3/1/2011
CUỘC CÁCH MẠNG XANH THỨ HAI CHO LÚA
Trần-Đăng Hồng, PhD
GIỚI HẠN CỦA CÁCH MẠNG XANH HIỆN NAY
Cuộc cách mạng xanh ở lúa bắt đầu từ thập niên 1960s đã giải quyết tốt đẹp một phần nạn thiếu lương thực trên toàn thế giới. Việc lai tạo giống lúa mới, đầu tiên với giống IR8, làm tăng vọt năng xuất gấp 2 lần so với các giống cổ truyền nếu tính trên cùng diện tích cho mỗi vụ lúa, và tăng 3-4 lần nếu tính trên diện tích cho cả nguyên năm. Sở dĩ được vậy là nhờ cải thiện giống qua các đặc tính:
- Không quang cảm. Giống lúa cổ truyền chịu ảnh hưởng mạnh của nhật kỳ, chỉ phát động ra hoa khi gặp mùa có ngày ngắn <14 giờ (kể từ lúc rạng đông cho tới chạng vạng tối, trung bình thời gian tính từ lúc mặt trời mọc đến lặn + 8 phút đến 30 phút tùy mùa và vùng địa lý). Vì vậy, giống lúa cổ truyền, như các giống lúa mùa, chỉ tượng đòng vào tháng 10 - 12 dương lịch, là tháng có ngày ngắn, dầu gieo sớm (tháng 4 hay 5 dl) hay muộn (7- 9 dl), và như vậy chỉ canh tác được 1 vụ mỗi năm mà thôi. Ngược lại, các giống cải thiện không quang cảm, tượng đòng khi tới tuổi trưởng thành, trung bình khoảng 40 – 50 ngày sau khi gieo, chu kỳ từ gieo đến gặt chỉ dài từ 90 ngày đến 140 ngày dầu trồng bất cứ tháng nào trong năm, và như vậy có thể canh tác 2 hay 3 vụ lúa/năm.
- Xử dụng hiệu quả ánh sáng mặt trời. Nhờ cải thiện qua kiến trúc hình dạng của lá thẳng đứng, nên tổng số diện tích mặt lá thâu nhận được ánh sáng mặt trời nhiều gần gấp đôi so với các giống lúa cổ truyền có lá rũ. Vì lá thẳng đứng nên có thể trồng dày hơn, lá ít che khuất nhau, nên lá nhận được nhiều năng lượng mặt trời hơn, nhờ vậy sản xuất nhiều chất quang-tổng-hợp (photosyntate) hơn trên cùng một diện tích đất.
- Phân phối hiệu quả chất quang-tổng-hợp qua tuyển chọn giống cây thấp lùn không đổ ngả. Chất-quang-tổng-hợp do lá sản xuất được chuyển đến hột lúa và thân rạ. Với giống lùn, phần thân rạ ít, nên chỉ số thâu-hoạch (harvest index, trọng lượng gié lúa/trọng lượng rơm rạ) cao, hơn 50% chất quang-tổng-hợp tích tụ ở hạt lúa.
Nhờ vị trí lá thẳng đứng, và thân cây thấp lùn nên có thể trồng dày với mật độ cao, và bón nhiều phân đạm mà lúa không bị đổ ngã. Đó là những đặc tính chánh góp phần vào gia tăng năng xuất lúa/ha/vụ hay sản lượng/ha/năm.
Cuộc cách mạng xanh ở lúa trong vòng 50 năm nay (1960-2010) được tiếp tục với kỹ thuật tạo giống lúa lai (Hybrid rice) ở thập niên 1970s, đã góp phần gia tăng năng xuất lúa đáng kể, tuy quy mô không lớn lắm, vì chỉ áp dụng được ở một số vùng địa lý như ở Trung Hoa, Bắc Việt Nam và một ít quốc gia khác.
Nếu dựa trên xử dụng năng lượng hửu hiệu của các giống lúa cải thiện có hiện nay, tiềm năng năng xuất, tức năng xuất lý thuyết tối đa, là 12 tấn lúa/ha/vụ mùa nắng và 9 tấn/ha/vụ mùa mưa. Trong thực tế, mặc dầu đã được cải thiện qua những giống kháng sâu, kháng bệnh, chịu đựng thời tiết xấu, áp dụng nhiều phân bón, v. v. trong mấy chục năm qua năng xuất thực tế tối đa không vượt quá ngưởng 9 tấn/ha/vụ, và như vậy không giải quyết được nạn nghèo đói và thiếu lương thực trong những thập niên tới với đà dân số gia tăng hiện nay.
Ngoài ra, hiện tượng hâm nóng toàn cầu, với thời tiết bất cập, nhiệt độ gia tăng, hạn hán thường xuyên, thiếu nguồn nước ngọt, diện tích canh tác bị thu hẹp vì nước biển dâng cao, nước mặn xâm nhập, diện tích thành phố lấn dần vào đồng ruộng, và đất đai càng ngày càng cằn cổi, sa mạc hóa, v.v. nạn thiếu thực phẩm chắc chắn sẽ xảy ra với tình trạng năng xuất hiện nay, nhất là các nước Á Châu mà gạo là nguồn thực phẩm chánh. Hiện tại, ở Á Châu 1 ha lúa cung cấp cho 27 người ăn. Trong 40 năm nữa, với đà dân số gia tăng hiện nay, phải làm thế nào để 1 ha lúa cung ứng cho 42 người ăn, nghĩa là phải gia tăng năng xuất hơn hiện nay 55% để tình trạng đói mới không xảy ra (2)
Vì vậy, cần phải có một cuộc cách mạng xanh khác nữa mới có thể giải quyết vấn đề lương thực trong tương lai.
TUYỂN CHỌN QUANG-TỔNG-HỢP HỬU HIỆU
Để vượt cái ngưởng giới hạn năng xuất thấp của giống lúa cổ truyền, trong cuộc cách mạng xanh vừa qua các nhà lai tạo đã cài vào giống cải thiện những gen chi phối kiến trúc cây lúa như đặc tính lá thẳng đứng và thân lùn với mục đích gia tăng hiệu năng xử dụng năng lượng mặt trời qua hiện tượng quang-tổng-hợp (photosynthesis) của cả đám lúa.
Trong cuộc cách mạng xanh sắp tới các nhà sinh học sẽ tìm cách biến đổi bản chất quang-tổng-hợp của cây lúa để xử dụng năng lượng mặt trời hửu hiệu hơn nữa.
Hiện tại, cây hoa màu chỉ xử dụng có hiệu quả khoảng 0,3% năng lượng của ánh sáng mặt trời để sản xuất ra thành phẩm nông nghiệp như hạt hay củ v.v., mặc dầu lá thâu nhận được 40% năng lượng của mặt trời (7).
Thực vật sống nhờ ánh sáng, khí CO2 và nước qua hiện tượng quang-tổng-hợp để tạo chất bột, rồi từ đó các phản ứng dây chuyền khác biến đổi thành chất đạm và chất béo, căn bản cho sự sống.
Khí CO2 vào nhu mô lá để quang-tổng-hợp khi khí-khổng (stomata) trên biểu bì lá mở. Gia tăng lượng khí CO2 trong không khí và gia tăng nhiệt độ (như hiện tượng hâm nóng toàn cầu hiện nay) làm gia tăng quang-tổng-hợp, cho tới lượng bảo hòa. Cường độ quang-tổng-hợp tối đa xảy ra ở một nhiệt độ tối hảo, không xảy ra ở nhiệt độ tối thiểu hay nhiệt độ tối đa. Các nhiệt độ này thay đổi tuỳ loại cây thích ứng của mỗi vùng khí hậu. Đại khái, nhiệt độ tối hảo cho cây vùng ôn đới khoảng 20-25°C, vùng nhiệt đới khoảng 25-32°C. Khi quang-tổng-hợp đạt độ bảo hòa, khí-khổng đóng, và nhờ vậy ngăn thoát hơi nước, cây xử dụng nước có hiệu quả hơn.
Song song với hiện tượng quang-tổng-hợp chỉ xảy ra khi có ánh nắng, hiện tượng hô-hấp xảy ra cả ban ngày lẩn ban đêm, đốt một phần chất bột do quang-tổng-hợp tạo thành, nhả CO2 lại vào không khí. Như vậy, thực vật chế tạo chất bột thật sự để làm chất khô chính là hiệu số giữa quang-tổng-hợp và hô-hấp.
Năng xuất chất quang-tổng-hợp còn tuỳ thuộc loại cây. Trên phương diện quang-tổng-hợp, thực vật chia làm 3 nhóm, nhóm thực vật C3, C4 và CAM.
Quang-tổng-hợp C3
Ở nhóm thực vật C3, khí CO2 được lá hấp thụ qua khí-khổng, đến lục-bào (mesophyll) ở ngay dưới lớp biểu bì lá để quang-tổng-hợp. Khí-khổng chỉ mở vào ban ngày khi có nhiệt độ mát và khi cây có đầy đủ nước. Khí-khổng có nhiệm vụ vừa hấp thụ CO2 vừa nhả O2 trong hiện tượng quang-tổng-hợp (khi có ánh sáng, ban ngày), vừa hấp thụ O2 và nhả CO2 trong hiện tượng hô-hấp (cả ngày lẫn đêm), và nhả hơi nước trong hiện tượng thoát hơi nước.
Ở lục-bào, dưới ảnh hưởng của ánh sáng và enzyme Rubisco, khí CO2 phản ứng với Ribulose biphosphate (RuBP, đường chứa 5 Carbon) để tạo thành 2 phân tử 3-phosphoglycerate (đường chứa 3 Carbon). Phản ứng này được mang danh là chu trình Calvin với sản phẩm 3-C (3-phosphoglycerate).
Ở nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh, enzyme Rubisco hấp thụ CO2 đồng thời cũng hấp thụ nhiều O2 nên làm gia tăng hô-hấp. Phần ảnh hưởng gia tăng hô-hấp do ánh sáng được gọi là quang-hô-hấp (Photorespiration). Như vậy, khi gia tăng cường độ ánh sáng, quang-tổng-hợp ở thực vật C3 gia tăng, nhưng đồng thời hiện tượng quang-hô-hấp cũng gia tăng, từ 1,5 đến 3,5 lần nhiều hơn hô-hấp bình thường trong bóng tối, do đó làm mất đi khoảng 20% CO2 cố định bởi chu trình Calvin.
Khi gặp nhiệt độ cao, hay thiếu nước, khí-khổng đóng để ngăn cản thoát hơi nước, quang-tổng-hợp vì vậy không hoạt động được.
Như vậy, thực vật với quang-tổng-hợp C3 sản xuất chất khô tối hảo ở nhiệt độ tương đối mát (khoảng 20-25ºC), ở nồng độ CO2 thấp (như hiện nay 350 ppm), ánh sáng trung bình và phải đầy đủ nước.
95% thực vật trên thế giới thuộc nhóm quang-tổng-hợp C3, đặc biệt chiếm đa số ở thực vật thích ứng vùng ôn đới, như các ngủ cốc ôn đới (lúa mì, lúa mạch), hay thực vật thích ứng cường độ ánh sáng yếu. Đậu nành, cỏ dại, cây ăn trái, cây rừng, lúa Á châu (Oryza sativa), cây cho củ, v.v. của vùng ôn đới và nhiệt đới cũng thuộc nhóm C3.
Thực vật nhóm C3 hưởng lợi nhiều nhất khi lượng CO2 tăng gấp đôi, nhất là thực vật thích ứng vùng ôn đới, năng xuất chất khô toàn cây có thể gia tăng 20-30% so với lượng CO2 hiện nay. Điều này có lợi trong tương lai với đà gia tăng lượng CO2 trong khí quyển, tuy nhiên sẽ bất lợi khi có gia tăng nhiệt độ.
Tại vùng ôn đới, quang-tổng-hợp nhóm thực vật C3 trung bình biến 1 MJ năng lượng mặt trời thành 1 g chất bột (8). Cường độ tăng trưởng chất khô tối đa của thực vật nhóm C3 ở ôn đới khoảng 13 g/m2 /ngày.
Hiện tại, các giống lúa cải thiện vùng nhiệt đới (C3) thâu nhận được 90 % ánh sáng mặt trời chiếu vào lá, nhưng quang-tổng-hợp chỉ xử dụng 1,5% năng lượng mặt trời này để biến thành chất khô, trong lúc trên lý thuyết cây lúa có khả năng hấp thụ 3-5%.
Quang-tổng-hợp C4
Ở nhóm C4, quang-tổng-hợp xảy ra lần lượt ở 2 loại tế bào của lá. Lá C4 có kiến trúc đặc biệt, gồm lục-bào và tế-bào-bó-bẹ-lá (bundle sheath), được mang danh “Kiến trúc Kranz”.
Lục-bào là nơi chu trình C4 xảy ra: khí-khổng mở vào ban ngày, khí CO2 vào lục-bào được cố định nhờ enzyme Phosphoenol pyruvate carboxylase (PEPC) để tạo thành acid C4 (acit chứa 4 Carbon), như OAA (Oxaloacetic acid, C4H2O52−)
Tại tế-bào-bó-bẹ-lá, chu trình Calvin C3 xảy ra: OAA được chuyển tới tế-bào-bó-bẹ-lá. Tại đây, OAA phóng thích malic acid và aspatic acid, rồi phóng thích CO2 và Pyruvate (CH3COCOOH). CO2 vừa được phóng thích đi vào vào chu trình Calvin để tạo đường (như quang-tổng-hợp C3), còn Pyruvate được chuyển tới lục-bào, biến thành PEP để tiếp tục cố định khí CO2 cho một chu trình mới.
Tóm lại, quang-tổng-hợp C4 hiệu quả hơn bởi vì:
- Khí-khổng chỉ mở vào ban ngày, CO2 được hấp thụ vào lục-bào.
- Chu trình Calvin xảy ra ở tế-bào-bó-bẹ-lá, ở đây không có Oxy để kết hợp với Rubisco, nên không có quang-tổng-hợp.
- Ngược lại, nồng độ CO2 rất cao tại tế-bào-bó-bẹ-lá.
- PEPC có tính kết hợp mạnh với CO2 nên khí-khổng không cần mở rộng toàn diện mà vẫn hấp thụ nhiều CO2, nhờ vậy làm giảm việc thoát hơi nước, điều này rất quan trọng cho thực vật vùng khô hạn.
- Vì không có Oxy ở tế-bào-bó-bẹ-lá, quang-hô-hấp ở nhóm C4 xảy ra ít hơn nhóm C3, nhờ vậy quang-tổng-hợp-thực-sự cao và hiệu quả hơn C3.
Tại vùng nhiệt đới, trong điều kiện hiện nay về CO2 (370 ppm) và nhiệt độ (30-32ºC), với cường độ ánh sáng mạnh, quang-tổng-hợp ở nhóm C4 hửu hiệu hơn nhóm C3, và xử dụng nước cũng hiệu quả hơn.
Ở cường độ ánh sáng càng cao, quang-hô-hấp càng trở nên không đáng kể. Nhờ vậy, cùng một năng lượng mặt trời, thực vật C4 sản xuất chất khô nhiều hơn thực vật C3 khoảng 50%. Chẳng hạn cứ mỗi megajoule năng lượng mà cây hấp thụ được thì lúa nước Á châu (thuộc C3) sản xuất được 2,2 g, lúa mì (thuộc C3) 2,7 g, và bắp (thuộc C4) 3,3 g chất khô (6).
Trong điều kiện về ánh sáng tối đa và nhiệt độ tối đa trong ngày ở mùa hè Anh quốc, thực vật C3 tăng trưởng tối đa 34-39g/m2/ngày, trong lúc C4 khoảng 50-54 g m2/ngày, còn nếu tính đồng đều cho suốt mùa canh tác thì C3 sản xuất 13 g/m2/ngày, còn C4 khoảng 22 g m2/ngày (7, 8 ). Tương tự như vậy, trong điều kiện hoàn hảo về khí hậu và điều kiện canh tác, tiềm năng năng xuất hạt của bắp (C4) tới 13,9 t/ha, trong lúc của lúa (C3) chỉ 8,3 t/ha. Do đó, nếu tạo ra được giống lúa có quang-tổng-hợp C4 như bắp, thì việc gia tăng năng xuất lúa thêm 50% sẽ ở trong tầm tay.
Tuy nhiên, nếu nhiệt độ gia tăng thì thực vật C4 bị mất nhiều chất bột do gia tăng hô hấp, bởi vì nhiệt độ tối hảo của quang-tổng-hợp của C4 thấp hơn nhiệt độ tối hảo của hô-hấp. Khi gia tăng gấp đôi CO2 và tăng 1°C (như trong tương lai với hiện tượng hâm nóng toàn cầu), quang-tổng-hợp nhóm C4 không gia tăng nhiều bằng nhóm C3, nhất là loài thực vật thích ứng vùng nhiệt đới. Quang-tổng-hợp nhóm C4 chỉ gia tăng 5-10% trong điều kiện này, trong lúc nhóm C3 có thể tăng 20-30%.
Thực vật C4 cũng xử dụng nước hiệu quả gấp đôi so với thực vật C3: Khi trồng trong cùng điều kiện, ở 30°C, C3 xử dụng 833 phân tử nước cho mỗi phân tử CO2 hấp thụ, trong lúc C4 chỉ xử dụng 277 phân tử nước. Vì vậy, để sản xuất 1 g chất khô, C3 xử dụng 550-850 g nước, C4 xử dụng 250-350 g nước, nhất là trong môi trường có ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao, và hạn hán.
Thực vật C4 cũng xử dụng ít phân bón hơn 40%, nhưng cho 50% năng xuất chất khô nhiều hơn thực vật C3.
Thực vật C4 không thích ứng môi trường ngập nước, nên lúa C4 có thể không phát huy tất cả tiềm năng của quang-tổng-hợp C4. Ngược lại lúa rẫy C4 phát huy được tiềm năng này ở môi trường khô hạn và thiếu nước.
Tóm lại, thực vật C3 thích ứng cho môi trường có cường độ ánh sáng thấp (chẳng hạn như loại cây mọc chen chúc thành đám như cỏ, lúa, cây mọc dưới rừng) và nhiệt độ lạnh (thực vật ôn đới). Ngược lại thực vật C4 thích ứng nơi có ánh sáng mạnh (cây mọc nơi lộ thiên, hay mọc thưa) và khí hậu nóng (nhiệt đới).
Quang-tổng-hợp C4 xảy ra ở thực vật có kiến trúc Kranz ở lá. Kiến trúc này gồm bó-mạch-bẹ-lá (vascular sheath) bao quanh bởi 2 vòng tế bào, vòng bên trong là một lớp tế bào gọi là tế-bào-bó-bẹ-lá giàu tinh-bột và lục-lạp- không-chứa hạt, và vòng bên ngoài là lớp lục-bào chứa lục-lạp thông thường. Nhiệm vụ chính của kiến trúc Kranz là nơi tập trung khí CO2 với nồng độ cao chung quanh enzyme RuBisCO để quang-tổng-hợp, và giảm thiểu hiện tượng quang-hô-hấp.
Lục-bào của lá C3 (trái) và kiến trúc Kranz ở bắp (C4) (phải)
Về mặt kiến trúc của lá, lá C4 có nhiều gân hơn lá C3. Ở lá C4 cứ mỗi 2 mm chiều ngang có khoảng 20 gân, trong khi C3 chỉ 10-12 gân. Ngoài ra, lục-lạp tập trung ở lục-bào nằm giữa các gân của bẹ lá của C3, trong lúc lục-lạp chứa đầy đặc trong lục-bào ở C4, lại tập trung bao quanh các gân bẹ lá thành nhiều bó, tạo thành tế-bào-bó-bẹ-lá. Chính nhờ chứa nhiều lục-lạp hơn, lại hấp thụ và tích tụ nhiều CO2 hơn, nên quang-tổng-hợp C4 hiệu quả hơn, mặc dầu không khí có cùng nồng độ CO2 .
Vì vậy, C4 có thể quang-tổng-hợp ở nồng độ CO2 rất thấp, tối thiểu khoảng 10 ppm, trong lúc cây C3 cần tối thiểu 50 ppm mới quang-tổng-hợp được. Dưới nồng độ này, cây không quang-tổng-hợp được và sẽ chết.
Có khoảng 7.600 loài cây có quang-tổng-hợp C4, chiếm khoảng 3% loài thực vật trên đất liền, thấy trong nhóm Hiển hoa, đa số ở Đơn-tử-diệp (chiếm 40%) hơn Song-Tử-Diệp (chỉ chiếm 4,5%). Mặc dầu đa số trong Đơn-tử-diệp, nhưng chúng chỉ hiện diện trong 3 họ (Poaceae, Cyperaceae và Hydrocharilaceae) trong khi hiện diện trong 15 họ của Song-tử-diệp.
Trong Đơn-tử-diệp, chúng hiện diện nhiều nhất trong họ cỏ (Poaceae, khoảng 46%). Trong nhóm cây hoa màu hòa-bảng, C4 quan trọng nhất là bắp (ngô), mía, millet và sorghum (lúa miến). Họ cỏ Năng Cyperaceae cũng có một số loài có quang-tổng-hợp C4.
Trong Song-tử-diệp, chúng hiện diện nhiều nhất trong họ Chenopodiaceae (trong số 1.400 loài thì có 550 loài có quang-tổng-hợp C4), kế tiếp là họ Rau Dền Amaranthaceae (với 250 loài trong số 1.000 loài). Ngoài ra, quang tổng-hợp C4 còn hiện diện ở một số loài trong họ Asteraceae, Brassicaceae (Cải) và Euphorbiaceae. Loài tảo xanh (blue alga) cũng thuộc loại C4.
Trong cùng một họ (như họ Đậu, Leguminosae), hay cùng một giống (genus) (như Atriplex), hay cùng chung một loài (species) có dòng thuộc C3, có dòng thuộc C4. Hay ngay cả trên một cây, có cả 2 loại C3 và C4, như bắp (Zea) và nhiều loại lúa hoang dại.
Hầu hết, thực vật C4 có kiến trúc Kranz. Tuy nhiên, vẫn có thực vật có quang-tổng-hợp-C4 nhưng không có kiến trúc Kranz.
Suaeda aralocaspica, Bienertia cycloptera và Bienertia sinuspersici (thuộc Chenopodiaceae) là loại thực vật vùng khô hạn, đất nhiểm mặn, sa mạc ở Đông Nam Á có quang-tổng-hợp tương tự C4 nhưng không có kiến trúc Kranz.
Hydrilla verticillata, một loại thủy thực vật cổ đại, không có kiến trúc Kranz, nhưng vẫn thực hiện quang-tổng-hợp tương tự C4 nhờ khả năng hấp thụ nhiều CO2 và không có quang-hô-hấp (10).
Quang-tổng-hợp CAM (Crassulacean Acid Metabolism).
Là loại cây thích ứng vùng khô hạn, cây có cơ nguyên ngăn chận hiện tượng thoát hơi nước. Khí-khổng đóng vào ban ngày khi có ánh sáng, chỉ mở vào ban đêm khi có nhiệt độ mát. Ngay cả ban đêm, khi có nhiệt độ nóng khí-khổng vẫn đóng. Vào ban đêm, khí-khổng mở, CO2 hấp thụ biến thành acid và tồn trử dưới dạng malate trong không bào (vacuole). Ngày hôm sau, khi có ánh sáng, lúc khí-khổng còn đóng kín, acid này phóng thích CO2 để xử dụng cho quang-tổng-hợp như nhóm C3.
Nhóm thực vật quang-tổng-hợp CAM chiếm khoảng 5%, gồm khoảng trên 1.000 loài, tập trung khoảng 17 họ, thích ứng vùng sa mạc, hay vùng khô hạn, như các họ Crassulaceae, Cactaceae, Bromeliaceae, Orchidaceae, một số rong, rêu mọc trên thượng tầng cây cối trong rừng. Tiêu biểu thực vật CAM là thơm khóm (pineapple) và xương rồng (cactus).
Nhiều loại cây có cả C3 và CAM ở trên cùng một cây. Chẳng hạn, Mesemryanthemum crystallinum (họ Aizoaceae) có C3 và CAM, bình thường hoạt động với C3, nhưng khi gặp nước mặn thì chuyển qua CAM.
Chỉ Portulaca oleracea (Rau sam, họ Portulacaceae) là loài cây duy nhất có C4 và CAM trên cùng một cây, và tuỳ theo môi trường mà C4 hay CAM hoạt đông.
Thực vật C4 có lợi thế trong môi trường có cường độ ánh sáng cao, thực vật CAM có lợi thế vừa ở nhiệt độ cao, vừa ẩm độ không khí thấp (khô hạn) và đất nhiểm mặn.
Thực vật nhóm CAM sẽ hưởng lợi khi gia tăng CO2 và nhiệt độ, ngay cả ở điều kiện hạn hán trong môi trường tương lai.
SỰ TIẾN HÓA CỦA QUANG-TỔNG-HỢP
Sự khác biệt về kiến trúc mô tế bào giữa C3 và C4 là sự hiện diện thêm kiến trúc Kranz ở C4.
Thực vật trên đất liền bắt đầu sống tự lập nhờ quang-tổng-hợp sơ khai cách đây khoảng 2,7 tỷ năm, và tiến hóa đến quang-tổng-hợp-C3 cách đây khoảng 450 triệu năm (9). Khởi thủy, ở Rêu (moss) quang-tổng-hợp xảy ra ở tế bào trong kiến trúc sợi đơn giản, tương tự như lá, và trao đổi khí CO2 qua các lỗ (pores) trên biểu bì. Qua tiến hóa, đến loài Dương Xỉ (Fern) lá trở nên đa dạng, phức tạp và quang-tổng-hợp hửu hiệu hơn (2).
Quang-tổng-hợp ở thực vật C3 khởi thủy được phát sinh từ trong môi trường không khí giàu CO2, khoảng 100 lần nhiều hơn hiện nay (11), và nghèo O2 của thời nguyên thủy. Vì vậy, ở thời nguyên thủy này thực vật tăng trưởng nhanh nhờ quang-tổng-hợp mạnh và ít quang-hô-hấp. Rồi địa cầu trải qua bao chu kỳ địa chất biến đổi; lượng CO2 trong khí quyễn giảm lần, rồi lại gia tăng, rồi lại giảm, rồi gia tăng thành nhiều chu kỳ. Vì vậy, quang-tổng-hợp phải tự-diễn-biến để thích ứng với môi trường mới có chứa ít hay chứa nhiều CO2, từ từ tạo loại thực vật vừa có đặc tính của C3 và C4, gọi là quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4. Sau đó, thực vật tiến hóa dần dần đến quang-tổng-hợp C4 và CAM.
Quang-tổng-hợp-C4 bắt đầu xảy ra cách đây khoảng 25-32 triệu năm vào thời Oligocene, khi lượng CO2 trong khí quyển hạ thấp, biến đổi giữa 180 và 320 ppm (ngày nay là 370 ppm), nhưng mải tới 6-7 triệu năm trước đây thực vật C4 mới thật sự chiếm phần quan trọng. Vào thời nguyên thủy, cả địa cầu là rừng rậm, chỉ toàn thực vật C3. Qua bao thời kỳ biến đổi địa chất, một số rừng bị hủy diệt, một số thành đất trống và sa mạc. Sự diển biến thành thực vật C4 khởi đầu từ các loài cỏ có quang-tổng-hợp C3 sống nơi thiếu ánh sáng dưới tầng cây rừng rậm, thoát li ra ngoài đồng trống, nơi có nhiều ánh nắng và thường thiếu nước. Một số tiến hóa đến thực vật CAM để thích ứng với điều kiện khô hạn và sa mạc, hay nhiểm mặn.
Lá vì vậy cũng phải diễn biến về cấu trúc, kiến trúc, cũng như hình dạng để có quang-tổng-hợp hửu hiệu. Càng tiến hóa lá càng chứa nhiều loại tế bào khác nhau. Ở loại Hiển hoa, quang-tổng-hợp diển tiến từ C3 qua thời kỳ quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4, để tới C4 và trãi qua tổng cộng 45 thời kỳ độc lập (2).
Giống Flaveria, trong họ Compositae (Họ hoa Vạn Thọ) gồm khoảng 18 loài, vừa có quang-tổng-hợp C3 và C4, lại vừa có quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4.
Trong giống lúa Oryza, lúa canh tác Á Châu (O. sativa) và lúa Phi Châu (O. glaberrima) đều là thực vật C3. Tuy nhiên, trong số 22 loài lúa hoang dại có một số loài có quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4 (11).
KHUYNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TẠO GIỐNG LÚA CÓ QUANG-TỔNG-HỢP-C4
Ý niệm tạo giống lúa có quang-tổng-hợp-C4 bắt đầu từ 1999. Ngày nay, khoa học cho biết ở vài loại mô đặc biệt của thực vật C3, như ở cây thuốc lá và rau cần tây (celery), cũng có đầy đủ enzymes của thực vật C4 để cố định CO2 theo quang-tổng-hợp C4 mặc dầu không được hoàn hảo như thực vật C4. Ngược lại, ở thực vật C4 lục-bào nào không nằm kế cận tế-bào-bó-bẹ-lá thì vẫn quang-tổng-hợp C3.
Nếu thành công chuyển được gen chi phối quang-tổng-hợp C4 vào cây lúa thì sẽ làm biến đổi sinh hóa qua các enzymes, kiến trúc lá như kiến trúc Kranz, kiến trúc tế bào như lục bào, v.v. ở cây lúa trong tương lai, vì vậy tạo giống lúa C4 là một thử thách khó khăn cần thời lâu dài mới có thể khắc phục được (1).
Chuyển một gen hay nhiều gen của một loài C4 hay C3-C4 vào cây lúa chỉ có khả năng thành công với các giống hay loài C4 hay C3-C4 có bà con thân thuộc với lúa (1). Họ hàng càng xa thì càng khó thành công.
Vì thực vật C3 và C4 khác biệt nhau về tộc họ, nên không thể hay khó chuyển gen qua phương pháp lai phấn cổ điển. Cách duy nhất là chuyển gen chi phối quang-tổng-hợp C4 như của bắp, qua C3 như lúa, qua kỹ thuật chuyển gen sinh học (genetic engineering). Ngày nay, vi khuẩn Agrobacterium được áp dụng thành công trong kỹ thuật chuyển gen từ một tế bào của sinh vật này đến tế bào của một sinh vật khác, và vì vậy được áp dụng rộng rải trong kỹ thuật chuyển gen vào giống lúa canh tác.
Ba giải pháp được đề nghị:
(i) Triệt tiêu hay giảm thiểu hoạt động của cơ chế quang-hô-hấp ở lúa hiện nay, nghĩa là lúa vẫn giữ quang-tổng-hợp C3 nhưng không có quang-hô-hấp.
(ii) Tạo giống lúa có quang-tổng-hợp C4 như mía, bắy hay sorghum.
(iii) Tạo giống lúa mà lá có kiến trúc Kranz để có quang-tổng-hợp C4.
TÌM NGUỒN GEN CHI PHỐI QUANG-TỔNG-HỢP HỬU HIỆU
Quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4 và quang-tổng-hợp C4 hửu hiệu từ 30 đến 50% hơn quang-hô-tổng-hợp C3. Vì vậy, các nhà khoa học tìm nguồn gen quy định các quang-tổng-hợp hửu hiệu này để chuyển vào bộ gen của lúa.
Lúa Á Châu thuộc loại C3, không có kiến trúc Kranz như lá bắp , vì vậy việc tìm gen chi phối kiến trúc Kranz từ bắp để chuyển vào lúa không phải là chuyện dễ và cần phải có thời gian nghiên cứu lâu dài.
Loại thủy thực vật Hydrilla verticillata vốn không có kiến trúc Kranz nhưng vẫn thực hiện quang-tổng-hợp-C4 hửu hiệu được trong lục-bào qua cơ nguyên giảm thiểu quang-hô-hấp tương tự như bắp. Vì vậy, cải thiện quang-tổng-hợp ở lúa bằng cách bắt chước giảm thiểu quang-hô-hấp như của Hydrilla verticillata là một giải pháp đang được theo đuổi ngày nay.
Có khoảng 6.000 loài cỏ hòa bảng có bà con với lúa là mục tiêu tuyển chọn nguồn gen cho lúa. Chẳng hạn, cỏ Echinochloa crus-galli (cỏ lông công, lòng vực trong ruộng lúa), Echinochloa colona, Echinochloa glabrescens, Digitaria ciliaris đều có quang-tổng-hợp C4. Rottboellia cochinchinensis (cỏ lắt léo) cũng là C4.
Trong Panicum, thì P. bisulcatum thuộc C3, trong lúc P. maximum (cỏ voi), và P. miliaceum thuộc C4, còn P. milioides thì thuộc C3-C4.
Quan trọng hơn cả và nằm trong tầm tay kỹ thuật ngày nay là nguồn gen từ trong các loài lúa hoang dại. Hiện tại, Viện Nghiên Cứu Lúa Gạo Quốc Tế IRRI đang có bộ sưu tập 6.000 dòng của 22 loài lúa hoang dại.
Chưa có nhiều nghiên cứu chi tiết, nhưng kết quả sơ khởi cho biết có nhiều loài lúa hoang có quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4. Chẳng hạn, O. rufipogon, mặc dầu không có kiến trúc Kranz, nhưng có quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4, theo đó quang-hô-hấp thấp hơn 25% so với lúa canh tác O. sativa.
TIÊU CHUẨN TUYỂN CHỌN QUANG-TỔNG-HỢP HỬU HIỆU TRONG CÁC GIỐNG LÚA HOANG DẠI
IRRI tuyển chọn sơ khởi từ trong số 6.000 dòng lúa hoang dại được 130 dòng để tìm dòng nào có quang-tổng-hợp C4 hoặc C3-C4, dựa vào các tiêu chuẩn sau đây (11):
(i) Cho cây mạ hấp thụ đồng vị phóng xạ 13C. Bởi vì thực vật C4 phân biệt được và ít hấp thụ đồng vị phóng xạ 13C hơn thực vật C3, nên xử dụng tỉ số 13C/12C trong tuyển chọn. Các giống C4 có tỉ số này biến thiên giữa 0.252 và 0.320.
(ii) Số gân của lá C4 nhiều gấp đôi so với C3, nên tỉ số giữa số lượng gân/chiều ngang (mm) của lá được xử dụng. Lá C4 có tỉ số này 11, lúa hoang dại có tỉ số là 5.
(iii) Khoảng cách giữa các mạch (interveinal spacing) ở C4 như cỏ lông công là 93-136 µm, giống lúa IR72 khoảng cách 170 µm, còn lúa hoang dại biến thiên từ 113 – 332 µm.
(iv) Bởi vì lục-lạp chứa trong lục-bào ở C4 chiếm trên 80% diện tích, nên có thể dùng làm tiêu chuẩn tuyển chọn. Dùng kính hiển vi đếm số lục-bào và tính số bách phân (%) của tế-bào-bó-bẹ (BSC) có chứa lục-lạp, và số bách phân diện tích lục-lạp chứa trong mỗi tế-bào-bó-bẹ. Ở thực vật C4, 100% tế-bào-bó-bẹ chứa lục-lạp, và trong mỗi tế-bào-bó-bẹ lục-lạp chiếm trên 80% diện tích. Ngược lại ở lúa canh tác như IR64, các trị số trên lần lượt là 100% và 21%. Các giống lúa hoang dại như O. longistaminata có trị số lần lược là 100% và 48%, gần bằng trị số 100% và 50% của Panicum milioides của nhóm quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4.
Các kết quả sơ khởi cho biết không có một giống lúa hoang dại nào có quang-tổng-hợp-C4, nhưng trong số này có một số có quang-tổng-hợp-trung-gian C3-C4, và từ những dòng tuyển chọn này có thể ghép gen chi phối C3-C4 vào lúa canh tác để có quang-tổng-hợp hửu hiệu hơn (11).
HIỆN TRẠNG NGHIÊN CỨU TẠO GIỐNG LÚA C4
Dự án tạo giống lúa C4 cho cách mạng xanh thứ 2 trong tương lai là một tham vọng to lớn, theo đó con người sẽ biến đổi cây lúa toàn diện từ sinh hóa qua du nhập các enzymes của C4, qua kiến trúc lá với kiến trúc Kranz với lá có nhiều gân, đến cơ cấu tế bào của lục-bào chứa toàn lục-lạp v.v.
Xử dụng Agrobacterium làm phương tiện chuyên chở gen trong kỹ thuật biến đổi di truyến (GM, genetic modification) cho lúa. Chuyển một hay nhiều gen chi phối enzymes của C4 vào lúa đã thực hiện được, nhưng vẫn chưa đưa đến kết quả mong muốn về gia tăng quang-tổng-hợp hay gia tăng sản xuất chất khô.
Kiến trúc Kranz có vai trò chánh trong quang-tổng-hợp-C4, vì chỉ ở kiến trúc này lá mới hấp thụ nhiều CO2 để cho Rubisco hoạt động hửu hiệu, và vô hiệu hiên tượng quang-hô-hấp. Việc đi tìm gen chi phối kiến trúc Kranz ở C4 hiện đang tiến hành, mặc dầu bản đồ gen của lúa đã biết rõ từ 2003. Và việc chuyển những gen chi phối kiến trúc Kranz vào lúa cũng cần phải nhiều thời gian để khắc phục khó khan.
Nghiên cứu so sánh kiến trúc của gen Pdk chi phối pyruvate ở lúa, và Pdk chi phối orthophosphate dikinase (PPDK) ở bắp, cho biết những gen này giống hệt nhau, chỉ có một điểm khác là gen ở lúa có chứa thêm hai introns (intron là một vùng của DNA mà không diễn dịch thành protein). Tuy nhiên, gen ở bắp hoạt động mạnh 4 lần tạo enzymes phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) và PPDK nhiều hơn ở lúa, vì vậy các nhà khoa học tìm cách chuyển gen này từ bắp vào cây lúa (5).
Ngày nay, các nhà khoa học đã thành công chuyễn 3 gen chi phối quang-tổng-hợp-C4 là PEPC, PPDK và NADP-malic enzyme (ME) của bắp vào cây lúa (3).
Nghiên cứu trong việc chuyển gen chi phối PEPC từ cây bắp qua cây lúa tăng quang-tổng-hợp ở lúa-chuyển-gen lên 30% và làm giảm quang-hô-hấp. Tương tự như vậy, chuyển gen chi phối PPDK của pyruvate ở lục-bào làm gia tăng quang-tổng-hợp ở lúa-chuyển-gen tới 35%. Kết quả thí nghiệm ngoài đồng trong điều kiện ánh sáng mặt trời tối đa, khả năng quang-tổng-hợp của lúa-chuyển-gen-PEPC gấp đôi lúa dẫn chứng, và năng xuất hạt gia tăng 10-30% ở lúa chuyển-gen-PEPC, và 30-35% ở lúa-chuyển-gen-PPDK hơn lúa không chuyển gen (4).
Mặc dầu được hợp tác chặc chẻ giữa nhiều Đại học, nhiều Viện nghiên cứu nỗi danh trên thế giới, được tài trợ bởi nhiều công ty kỹ nghệ hàng đầu trên thế giới (Như Quỹ Bill & Melinda Gates của hảng Microsoft tài trợ 11 triệu US$ cho khởi đầu dự án lúa C4) và nhiều chánh phủ, phải còn một thời gian dài nữa, khoảng 15-20 năm nữa giống lúa C4 mới có thể phát động canh tác quy mô. Bởi vì, còn phải có thời gian 3-5 năm nữa để còn xét nghiệm là giống lúa C4 có an toàn cho sức khỏe con người và môi trường thế giới hay không để thỏa mản yêu sách của các nhà môi sinh bao giờ cũng chống đối.
Tài liệu chính tham khảo
1- Hibberd JM. 2008. The regulation of genes in C3 plants that have been co-opted into C4 photosynthesis, and implications for making a C4 rice. Trong Charting new pathways to C4 rice. Soạn bởi Sheehy JE, Mitchell PL & Hardy B. World Scientific Publishing Singapore, pp 217-231.
2- Hibberd JM, Sheehy JE & Langdale JA. 2008. Using C4 photosynthesis to increase the yield of rice - rationale and feasibility. Current Opinion in Plant Biology, 11: 228–231.
3- Ku MSB, Agarie S, Nomura M, Fukayama H, Tsuchida H, Ono K, Hirose S, Toki S, Miyao M, & Matsuoka M. 1999. High level expression of maize phosphoenolpyruvate carboxylase in transgenic rice plants. Nature Biotechnology 17: 76-80.
4- Ku MSB, Cho D, Ranade U, Hsu TP, Li X, Jiao DM, Ehleringer J, Miyao M & Matsuoka M. 2000. Photosynthetic performance of transgenic rice plants overexpressing maize C4 photosynthesis enzymes. Trong Redesigning rice photosynthesis to increase yield (2000). Proceedings of a Workshop, 30 Nov.-3 Dec. 1999, Los Baños. Soạn bởi J. Sheehy, P. Mitchell & B. Hardy.
5- Matsuoka M, Fukayama H, Tsuchida H, Nomura M, Agarie S, Ku MSB & Miyao M. 2000. How to express some C4 photosynthesis genes at high levels in rice. Trong Redesigning rice photosynthesis to increase yield (2000). Proceedings of a Workshop, 30 Nov.-3 Dec. 1999, Los Baños. Soạn bởi J. Sheehy, P. Mitchell & B. Hardy.
6- Mitchell PL & Sheehy JE. 2000. Performance of a potential C4 rice: overview from quantum yield to grain yield. Trong Redesigning rice photosynthesis to increase yield (2000). Proceedings of a Workshop, 30 Nov.-3 Dec. 1999, Los Baños. Soạn bởi J. Sheehy, P. Mitchell & B. Hardy.
7- Monteith RL. 1977. Climate and the efficiency of Crop production in Britain.
Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences © 1977 The Royal Society, 281: 277-294.
8- Monteith RL. 1978. Reassessment of Maximum Growth Rates for C3 and C4 Crops. Experimental Agriculture 14: 1-5.
9- Osborne CP & Beerling DJ. 2006. Nature's green revolution: the remarkable evolutionary rise of C4 plants. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 361(1465): 173–194.
10- Reiskind JB, Madsen TV, van Ginkel LC & Bowes G. 1997. Evidence that inducible C4-type photosynthesis is a chloroplastic CO2 concentrating mechanism in Hydrilla verticillata, a submersed monocot. Plant Cell Environment 20: 211-220.
11- Sheehy JE, Ferrer AB, Mitchell PL, Elmido-Mabilangan A, Pablico P & Dionora MJA. 2008. How the rice crop works and why it needs a new engine. Trong Charting new pathways to C4 rice. Soạn bởi Sheehy JE, Mitchell PL & Hardy B. World Scientific Publishing Singapore. 422 pp.
12- Taylor WC. 2000. C4 rice: What are the lessons from developmental and molecular studies. Studies in Plant Science 7: 87-96
