Peningkatan Fotosintesis: Menciptakan Tanaman Super untuk Dunia yang Berubah
Para ilmuwan telah menelusuri jalur evolusi dari C3 ke C4 fotosintesismenemukan perubahan peraturan utama yang dapat meningkatkan ketahanan dan efisiensi tanaman.
Penelitian inovatif ini membuka jalan bagi kemajuan pertanian yang dapat membantu memerangi dampak pemanasan global.
Evolusi Fotosintesis
Lebih dari 3 miliar tahun yang lalu, fotosintesis pertama kali muncul pada bakteri purba di Bumi yang seluruhnya tertutup air. Selama jutaan tahun, bakteri ini berevolusi menjadi tumbuhan, beradaptasi dengan perubahan lingkungan sepanjang prosesnya. Sekitar 30 juta tahun yang lalu, kemajuan signifikan terjadi: beberapa tumbuhan mengembangkan bentuk fotosintesis yang lebih efisien. Meskipun tanaman seperti padi masih mempertahankan metode C3 yang lebih tua, tanaman lain, seperti jagung dan sorgum, mengadopsi metode fotosintesis C4 yang lebih maju.
Saat ini, ada lebih dari 8.000 jenis tanaman C4, tumbuh subur di iklim panas dan kering dan merupakan salah satu tanaman paling produktif di dunia. Meskipun demikian, sebagian besar pabrik masih mengandalkan proses C3 yang kurang efisien. Hal ini menimbulkan pertanyaan yang menarik: bagaimana fotosintesis C4 berevolusi, dan apakah mungkin untuk memberikan efisiensi ini pada tanaman C3?
Terobosan dalam Penelitian Efisiensi Pabrik
Kini, untuk pertama kalinya, para ilmuwan dan kolaborator Salk di Universitas Cambridge menemukan langkah penting yang perlu dilakukan tanaman C4 seperti sorgum agar dapat berevolusi agar menjadi sangat efisien dalam berfotosintesis—dan bagaimana kita dapat menggunakan informasi ini untuk menghasilkan tanaman seperti beras, gandum, dan kedelai lebih produktif dan tahan terhadap pemanasan iklim.
Temuan ini dipublikasikan hari ini (20 November) di Alam.
“Menanyakan apa yang membuat tanaman C3 dan C4 berbeda tidak hanya penting dari perspektif biologis dasar, yaitu ingin mengetahui mengapa sesuatu berevolusi dan bagaimana fungsinya pada tingkat molekuler,” kata Profesor Joseph Ecker, penulis senior studi tersebut, Ketua Dewan Internasional Salk. di bidang Genetika, dan penyelidik Howard Hughes Medical Institute. “Menjawab pertanyaan ini merupakan langkah besar menuju pemahaman bagaimana kita dapat menghasilkan tanaman yang paling kuat dan produktif dalam menghadapi perubahan iklim dan pertumbuhan populasi global.”
Memahami Proses Fotosintesis C3 dan C4
Sekitar 95% tanaman menggunakan fotosintesis C3, yang mana sel mesofil—sel bunga karang hijau yang hidup di dalam daun—mengubah cahaya, air, dan karbon dioksida menjadi gula yang memberi energi pada tanaman. Meskipun prevalensinya tinggi, fotosintesis C3 memiliki dua kelemahan utama: 1) 20% oksigen digunakan secara tidak sengaja sebagai pengganti karbon dioksida dan harus didaur ulang, sehingga memperlambat proses dan membuang energi, dan 2) pori-pori pada permukaan daun. terlalu sering dibuka sambil menunggu karbon dioksida masuk, menyebabkan tanaman kehilangan air dan menjadi lebih rentan terhadap kekeringan dan panas.
Untungnya, evolusi telah memecahkan masalah ini melalui fotosintesis C4. Tanaman C4 merekrut sel-sel selubung bundel, yang biasanya berfungsi sebagai pendukung vena daun, untuk berfotosintesis bersama sel-sel mesofil. Hasilnya, tanaman C4 menghilangkan kesalahan penggunaan oksigen untuk menghemat energi dan menjaga pori-pori permukaan tanaman lebih sering tertutup untuk menghemat air. Hasilnya adalah peningkatan efisiensi sebesar 50% dibandingkan dengan pabrik C3.
Wawasan Genetik Tentang Evolusi C3 hingga C4
Namun secara molekuler, apa yang membuat tumbuhan C3 berubah menjadi tumbuhan C4? Dan bisakah para ilmuwan mendorong tanaman C3 menjadi tanaman C4?
Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, para ilmuwan Salk menggunakan teknologi genomik sel tunggal yang mutakhir untuk melihat perbedaan antara beras C3 dan sorgum C4. Meskipun metode sebelumnya terlalu tidak tepat untuk membedakan sel-sel tetangga seperti mesofil dan sel selubung bundel, genomik sel tunggal memungkinkan tim untuk menyelidiki perubahan genetik dan struktural pada setiap jenis sel dari kedua tanaman.
“Kami terkejut dan gembira saat mengetahui bahwa perbedaan antara tanaman C3 dan C4 bukanlah pada penghilangan atau penambahan gen tertentu,” kata Ecker. “Sebaliknya, perbedaannya terletak pada tingkat regulasi, yang dalam jangka panjang dapat mempermudah kita untuk mengaktifkan fotosintesis C4 yang lebih efisien pada tanaman C3.”
Masa Depan Fotosintesis di Bidang Pertanian
Semua sel dalam suatu organisme mengandung gen yang sama, tetapi gen mana yang diekspresikan pada waktu tertentu yang menentukan identitas dan fungsi setiap sel. Salah satu cara ekspresi gen dapat dimodifikasi adalah melalui aktivitas faktor transkripsi. Protein-protein ini mengenali dan mengikat sebagian kecil DNA dekat gen, yang disebut elemen pengatur. Setelah berada pada elemen pengatur, faktor transkripsi dapat membantu “menghidupkan” atau “mematikan” gen di dekatnya.
Saat mengukur ekspresi gen pada tanaman padi dan sorgum, para ilmuwan menemukan bahwa keluarga faktor transkripsi yang biasa disebut DOF bertugas mengaktifkan gen untuk membuat sel selubung bundel pada kedua spesies. Mereka juga memperhatikan bahwa DOF mengikat elemen regulasi yang sama pada kedua spesies. Namun, pada tanaman sorgum C4, elemen pengatur ini tidak hanya terkait dengan gen identitas selubung berkas—tetapi juga mengaktifkan gen fotosintesis. Hal ini menunjukkan bahwa tanaman C4 pada suatu saat telah memasang elemen pengatur leluhur untuk menggabungkan gen selubung ke dalam gen fotosintesis, sehingga DOF akan mengaktifkan kedua set gen tersebut pada saat yang bersamaan. Ini akan menjelaskan bagaimana sel-sel selubung bundel pada tanaman C4 memperoleh kemampuan untuk berfotosintesis.
Eksperimen ini mengungkapkan bahwa tanaman C3 dan C4 mengandung gen dan faktor transkripsi yang diperlukan untuk proses fotosintesis C4 yang unggul—sebuah penemuan yang menjanjikan bagi para ilmuwan yang berharap dapat mendorong tanaman C3 untuk menggunakan fotosintesis C4.
“Sekarang kita memiliki cetak biru tentang bagaimana tanaman yang berbeda memanfaatkan energi matahari untuk bertahan hidup di lingkungan yang berbeda,” kata Joseph Swift, salah satu penulis studi dan peneliti pascadoktoral di laboratorium Ecker. “Tujuan utamanya adalah mencoba mengaktifkan fotosintesis C4 dan, pada gilirannya, menciptakan tanaman yang lebih produktif dan tangguh di masa depan.”
Tugas selanjutnya yang harus dilakukan tim adalah menentukan apakah padi dapat direkayasa untuk menggunakan fotosintesis C4 daripada C3. Hal ini masih merupakan tujuan jangka panjang dengan tantangan teknis yang signifikan yang sedang diatasi melalui upaya kolaboratif global yang dikenal sebagai “Proyek Beras C4.” Lebih lanjut, temuan ini akan menginformasikan misi Salk Harnessing Plants Initiative untuk menciptakan tanaman optimal yang sekaligus melawan dan menahan ancaman perubahan iklim.
Data genomik sel tunggal mereka juga telah dibagikan sebagai sumber daya bagi para ilmuwan di seluruh dunia, yang dengan cepat mendapatkan jawaban atas misteri evolusi yang sudah lama ada.
Referensi: “Exaptation dari jaringan identitas sel leluhur memungkinkan C4 fotosintesis” oleh Joseph Swift, Leonie H. Luginbuehl, Lei Hua, Tina B. Schreier, Ruth M. Donald, Susan Stanley, Na Wang, Travis A. Lee, Joseph R. Nery, Joseph R. Ecker dan Julian M. Hibberd, 20 November 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3
Penulis lainnya termasuk Travis Lee dan Joseph Nery dari Salk, serta Leonie Luginbuehl, Lei Hua, Tina Schreier, Ruth Donald, Susan Stanley, Na Wang, dan Julian Hibberd dari Universitas Cambridge di Inggris.
Pekerjaan ini didukung oleh Howard Hughes Medical Institute, Biotechnology and Biological Sciences Research Council, C4 Rice Project, Bill and Melinda Gates Foundation, Life Sciences Research Foundation, Herchel Smith Fellowship, dan European Molecular Biology Organization.
