Nghiên cứu gần đây được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia và Quỹ Triad đã cho thấy một nhóm thực vật độc đáo, thường bị bỏ qua có tên là hornworts (rêu sừng) có thể nắm giữ chìa khóa để mở khóa cánh cửa hiện thực hóa ý tưởng trên.
"Rêu sừng sở hữu một khả năng đáng chú ý, độc đáo trong số các loài thực vật trên cạn - chúng có bộ "tăng áp" tự nhiên cho quá trình quang hợp". Ông Tanner Robison, một sinh viên tốt nghiệp tại Viện Boyce Thompson (BTI) và là tác giả đầu tiên của bài báo mới được công bố trên tạp chí Nature Plants, cho biết. "Đặc điểm đặc biệt này, được gọi là cơ chế cô đặc CO2, giúp chúng quang hợp hiệu quả hơn hầu hết các loài thực vật khác, bao gồm cả các loại cây lương thực quan trọng của chúng ta".
Cơ chế này nằm ở trung tâm của cấu trúc gọi là pyrenoid, hoạt động như một khoang cô đặc CO2 cực nhỏ bên trong tế bào thực vật. Pyrenoid giống như một khoang chứa chất lỏng, cụ thể ở đây là enzyme Rubisco - có tác dụng thu giữ CO2 và chuyển hóa thành đường trong quá trình quang hợp. Bao quanh pyrenoid là các kênh và enzyme chuyên biệt bơm CO2 vào, làm bão hòa Rubisco bằng nguyên liệu thô chính của nó.
"Cơ chế cô đặc CO2 này mang lại cho rong sừng một lợi thế đáng kể. Rubisco là một loại enzyme kém hiệu quả, vì vậy hầu hết các loại thực vật đều lãng phí rất nhiều năng lượng để xử lý quá trình oxy hóa của nó. Nhưng bằng cách cô đặc CO2 xung quanh Rubisco, rong sừng có thể tối đa hóa hiệu quả của nó và giảm thiểu quá trình 'hô hấp quang' lãng phí này." - Phó Giáo sư Laura Gunn tại Trường Khoa học Thực vật Tích hợp của Cornell cho biết.
Bằng cách sử dụng các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến và phân tích di truyền, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng rong sừng có thể sử dụng một hệ thống đơn giản hơn nhiều để cô đặc CO2. Không giống như tảo, cần máy móc phức tạp để bơm CO2 vào tế bào của chúng, rêu sừng có thể sử dụng phương pháp thụ động đòi hỏi ít cơ quan hoạt động hơn.
"Giống như tìm ra một thiết kế động cơ đơn giản hơn, hiệu quả hơn, sự đơn giản này có thể giúp dễ dàng thiết kế các hệ thống tương tự ở các loài thực vật khác, như các loại cây trồng thiết yếu." - Phó Giáo sư Fay-Wei Li, tại BTI và là đồng tác giả của nghiên cứu giải thích.
Nhóm nghiên cứu cho rằng tác động tiềm tàng của cơ chế này rất lớn và nhóm nghiên cứu ước tính rằng việc lắp đặt cơ chế cô đặc CO2 tương tự ở cây trồng có thể thúc đẩy quá trình quang hợp lên tới 60%, dẫn đến tăng đáng kể năng suất mà không cần nhiều đất hoặc tài nguyên hơn.
Nghiên cứu này cũng cung cấp những hiểu biết mới về quá trình tiến hóa của thực vật. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng cơ chế cô đặc CO2 có thể có ở tổ tiên chung của tất cả các loài thực vật trên cạn, nhưng chỉ rêu sừng mới giữ lại và tinh chỉnh khả năng này qua hàng triệu năm tiến hóa.
Khi chúng ta phải đối mặt với những thách thức kép về biến đổi khí hậu và an ninh lương thực, loài thực vật nhỏ bé này có thể cung cấp bản thiết kế cho sự đổi mới nông nghiệp có ý nghĩa. Mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi công nghệ tự nhiên này có thể được sử dụng ở các loại cây trồng khác, nhưng khám phá này mở ra một hướng đi mới đầy hứa hẹn cho nền nông nghiệp bền vững.
