Các nhà khoa học đã dành nhiều thời gian để tạo ra một nguồn bền vững mới cho dầu thực vật, triacylglycerols (TAG), để đạt được nhu cầu tăng trưởng của nhiên liệu tái tạo như dầu máy bay bền vững (SAF) và dầu diesel tái tạo.
Hiện tại, dầu cọ và các loại dầu từ các loại hạt như đậu tương đem lại phần lớn đầu TAG cho nhiên liệu tái tạo nhưng các nguồn này, nhưng các nguồn này lại chưa đủ để giúp đạt được nhu cầu toàn cầu tương lai. Để giải quyết điều này, các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa các loại cỏ có tiềm năng sinh khối cao như cao lương (hay còn gọi là lúa miến, bo bo) để tạo dầu. Các loại cỏ này hiệu quả cao trong quang hợp, tạo ra một lượng lớn sinh khối và có thể lớn trong khí hậu khắc nghiệt, điều đó khiến cho chúng thuộc nhóm ứng viên xuất sắc.
Trong nghiên cứu mới, xuất bản trên tạp chí Plant Biotechnology Journal, các nhà khoa học ở CABBI nhấn mạnh vào lợi ích của một con đường từ phòng thí nghiệm ra thị trường trong việc bán giống cao lương trong TAG. Các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa cao lương để tích tụ hơn 5,5% dầu TAG trong lá của nó và 3,5% trong gốc ở điều kiện trồng ngoài đồng – lần lượt gấp 78 lần và 58 lần so với cao lương chưa chỉnh sửa. Mức độ năng suất này có thể đem lại lượng dầu gấp 1,4 lần mỗi héc ta so với đậu tương, khiến cho giống cây này trở nên hứa hẹn với nhiên liệu tái tạo.
“Công trình này là sự thăng hoa nỗ lực của một nhóm nghiên cứu, chứng tỏ nghiên cứu cơ bản có thể hữu dụng để phát triển nguồn nguyên liệu mới để giải quyết nhu cầu năng lượng toàn cầu”, theo Edgar Cahoon, giám đố Trung tâm Đổi mới khoa học cây trồng của ĐH Nebraska và là một trong số các tác giả chính của bài báo.
Tương phản với các loại hạt giàu dầu và hoa trái từ những cây như dầu cọ và đậu tương, TAG chỉ tích tụ trong các cơ quan như lá và gốc của một loài cây như một phản hồi sự căng thẳng với sự phá hủy màng.
Để thiết kế cao lương tích tụ dầu, các nhà nghiên cứu áp dụng một chiến lược “đẩy – kéo – bảo vệ” mà các nhà nghiên cứu của CABBI từng áp dụng thành công trong việc tích tụ dầu thực vật trong những cây trồng khác. Họ đưa các gene để ‘đẩy’ nhiều carbon hơn từ quá trình quang hóa để tạo ra dầu, ‘đẩy’ các acids béo thành các phân tử dầu TAG, và ‘bảo vệ’ lượng dầu lưu trữ khỏi bị phá vỡ. Cách tiếp cận này từng thành công trên nhiều loại cây trồng khác, nay được tập trung vào cao lương vì khả năng chịu nhiệt và hạn hán cũng như hệ gene được hiểu rõ.
Bằng việc sử dụng phương pháp chuyển gene tiên tiến, các nhà khoa học ở CABBI chỉnh sửa các dòng cao lương mà khi được trồng ở khu thực nghiệm của Trung tâm nghiên cứu, mở rộng và giáo dục Đông Nebraska, không chỉ giữ được khả năng tạo dầu ổn định khắp nhiều thế hệ mà còn tránh được những sụt giảm sinh khối trong những nghiên cứu khác về cây trồng lấy sinh khối.
“Hiểu biết rộng rãi của CABBI đã cho phép chúng tôi triển khai một khái niệm từ phòng thí nghiệm và đặt nó vào trồng trọt để thu được thành phẩm cho sản xuất nhiên liệu sinh học và sản phẩm sinh học”, Cahoon nói.
Các dòng cao lương được thiết kế tạo dầu mới đó đem lại những nguồn tiềm năng mới cho dầu diesel tái tạo, giảm bớt sự phụ thuộc vào các nguồn truyền thống trong khi vẫn đạt được các yêu cầu ngày càng tăng về nhiên liệu tái tạo. Và loại cao lương lấy dầu này có tiềm năng cung cấp những dòng tiền mới và thị trường mới cho những người nông dân. Việc chế biến dầu cao lương mở ra những con đường mới thúc đẩy nền kinh tế sinh học và hỗ trợ sự phát triển vùng nông thôn.
Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm hiểu cách gia tăng sản lượng dầu để đạt được mục tiêu của CABBI là tăng 10% dầu TAG.
“Điều cơ bản để cải thiện sản lượng TAG sẽ phụ thuộc vào phân tích sâu các hệ quả của cách tiếp cận chỉnh sửa chuyển hóa ‘kéo -đẩy- bảo vệ’ áp dụng trong nghiên cứu này”, theo Jörg Schwender, nhà khoa học chính của Nhóm khoa học cây trồng tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven và tác giả chính khác của bài báo. “Ví dụ, trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng toàn bộ trình tự gene đoạn ngắn hệ phiên mã (hoặc trình tự RNA), một kỹ thuật phân tích hoạt động của hàng ngàn gene tại cùng thời điểm trong các mẫu mô”.
Phân tích này tìm ra là các dòng cao lương dầu thường làm tăng hoạt động của một loại enzyme trong lá có thể phân hủy lipid, và cũng ảnh hưởng đến TAG. Phân tích thêm về thông lượng hcuyeenr hóa với các truy dấu đồng vị xác nhận là các lipid, dẫu được tạo ra ở tỉ lệ cao hơn trong lá cao lương dầu, bị phân rã nhanh hơn trong cùng thời gian. Phát hiện này có thể giúp tinh chỉnh được một chiến lược chỉnh sửa mới để làm tăng các tỉ lệ dầu thu được. Nhóm nghiên cứu hướng đến việc tối ưu cách tiếp cận này để khiến cao lương trở thành một thành phẩm tạo dầu sinh học bền vững và tin cậy hơn.
Nguồn: “Development of vegetative oil sorghum: From lab-to-field”, Plant Biotechnology Journal.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14527
