Gen Terobosan Meningkatkan Pertumbuhan Tanaman dan Meningkatkan Fotosintesis
Sebuah gen disebut Pemacu telah diidentifikasi di pohon poplar yang meningkat fotosintesis dan pertumbuhan hingga 200% dalam kondisi terkendali dan 30% di lapangan.
Penemuan ini, relevan dengan tanaman lain sejenisnya Arabidopsisdapat menyebabkan peningkatan hasil pertanian dan produksi bioenergi tanpa sumber daya tambahan.
Penemuan Terobosan dalam Bioteknologi Tanaman
Sebuah tim ilmuwan dari dua Pusat Penelitian Bioenergi Departemen Energi—Pusat Inovasi Bioenergi (CBI) Laboratorium Nasional Oak Ridge dan Pusat Inovasi Bioenergi dan Bioproduk Lanjutan (CABBI) Universitas Illinois Urbana-Champaign—telah menemukan gen pada pohon poplar yang secara signifikan meningkatkan fotosintesis. Gen ini, disebut Pemacudapat meningkatkan tinggi pohon sekitar 30% di kondisi lapangan dan hingga 200% di lingkungan rumah kaca.
Selain mendongkrak pertumbuhan pohon poplar, Pemacu juga meningkatkan biomassa Arabidopsis (thale cress), menunjukkan bahwa hal ini berpotensi meningkatkan hasil panen tanaman lain bila diterapkan dalam skala yang lebih besar.
Pohon Poplar: Sumber Daya Bioenergi Utama
Pemacu diidentifikasi di Populus trichocarpaatau pohon kapuk hitam, a jenis yang tumbuh subur dari Baja California di Meksiko hingga Kanada bagian utara. Pohon ini diakui sebagai kandidat utama sebagai bahan baku pembuatan biofuel dan bioproduk.
Pemacu adalah gen chimeric yang berisi rangkaian dari tiga gen yang awalnya terpisah, dan telah disimpan dalam poplar dengan sedikit perubahan seiring waktu evolusi. Gen memainkan peran penting dalam fotosintesis, proses yang digunakan tanaman untuk mengubah sinar matahari, karbon dioksida, dan air menjadi glukosa – bahan penyusun selulosa, pati, dan makromolekul lain yang terkait dengan produksi makanan dan bahan bakar.
Gen chimeric memiliki asal usul yang unik dan diperkirakan memungkinkan terjadinya perubahan evolusioner yang membantu tanaman beradaptasi dengan lingkungan baru. Dalam kasus Pemacutim ORNL menetapkan bahwa itu berisi tiga yang berbeda DNA asal. Satu segmen berasal dari bakteri yang ditemukan di sistem akar pohon poplar; satu segmen berasal dari semut yang memelihara jamur yang diketahui menginfeksi poplar; dan satu segmen berasal dari subunit besar Rubisco, protein melimpah yang ditemukan di kloroplas tumbuhan.
Kloroplas adalah struktur sel utama yang menampung peralatan fotosintesis yang mengubah energi cahaya menjadi energi kimia yang mendorong pertumbuhan tanaman. Protein Rubisco berfungsi sebagai “penyerap karbon” tanaman, menangkap karbon dioksida dari atmosfer. Para ilmuwan selama bertahun-tahun telah berupaya mencari cara untuk meningkatkan jumlah Rubisco pada tanaman untuk meningkatkan hasil panen dan penyerapan CO2 di atmosfer.
Dampak Multi-Spesies dan Potensi Pertanian
Ketika para peneliti menciptakan pohon poplar dengan ekspresi yang lebih besar Pemacu gen, kandungan Rubisco dan aktivitas fotosintesisnya melonjak, menghasilkan tanaman yang 200% lebih tinggi ketika ditanam dalam kondisi rumah kaca, seperti yang dijelaskan dalam jurnal Sel Perkembangan. Pohon-pohon tersebut menunjukkan kandungan Rubisco hingga 62% lebih banyak dan peningkatan serapan CO2 bersih sebesar 25% pada daun. Dalam kondisi lapangan, para ilmuwan menemukan ekspresi yang lebih tinggi Pemacu menghasilkan pohon poplar yang lebih tinggi hingga 37%, dengan volume batang 88% lebih banyak, sehingga meningkatkan biomassa per tanaman.
Para ilmuwan menyisipkan Pemacu di tanaman yang berbeda, Arabidopsis, menghasilkan peningkatan biomassa yang serupa dan peningkatan produksi benih sebesar 50%. Temuan ini menunjukkan penerapan yang lebih luas Pemacu berpotensi memicu hasil yang lebih tinggi pada tanaman lain.
Kemajuan Menuju Bioenergi Berkelanjutan
Poplar dan Arabidopsis dikenal sebagai tanaman C3, kategori yang mencakup tanaman pangan utama seperti kedelai, beras, gandum, dan oat. Itu Pemacu gen memiliki potensi untuk meningkatkan hasil tanaman bioenergi tanpa memerlukan lebih banyak lahan, air, atau pupuk, sehingga mendukung bioekonomi yang kuat. Jika Pemacu Hal serupa juga terjadi pada tanaman pangan, sehingga hasil panen yang lebih tinggi dapat mengurangi kelangkaan pangan di seluruh dunia.
“Menanam tanaman bioenergi abadi dengan hasil tinggi di lahan marjinal yang tidak cocok untuk pertanian konvensional dapat membantu kita memenuhi peningkatan permintaan biofuel cair untuk sektor-sektor yang sulit dialiri listrik seperti penerbangan,” kata Jerry Tuskan, direktur CBI dan Corporate Fellow di ORNL yang ikut menulis kertas itu. “Pabrik bahan baku yang tumbuh cepat dan tangguh dapat menstimulasi bioekonomi, menciptakan lapangan kerja di pedesaan, dan mendukung perkiraan permintaan energi.”
“Penemuan ini bisa menjadi terobosan dalam hal stimulasi besar pada fotosintesis dan produktivitas tanaman,” kata Stephen Long, pakar fotosintesis tanaman terkemuka dan profesor di Universitas Illinois Urbana-Champaign, yang juga salah satu penulis makalahnya. peran dengan CABBI yang dipimpin Illinois. “Meskipun kita perlu melakukan pengujian secara lebih luas untuk memastikan bahwa kita dapat mereproduksi hasilnya dalam skala besar, fakta bahwa alat ini dapat bekerja pada pabrik yang sama sekali tidak berkerabat menunjukkan bahwa alat ini dapat bekerja pada pabrik yang lebih luas.”
Langkah selanjutnya dalam penelitian ini dapat mencakup uji coba lapangan multilokasi terhadap pohon poplar dan bioenergi serta tanaman pangan lainnya, dengan para peneliti mencatat produktivitas tanaman dalam berbagai kondisi pertumbuhan untuk menganalisis keberhasilan jangka panjang, kata Long.
Penemuan ini merupakan hasil kolaborasi antara dua pusat DOE di mana para ilmuwan fokus pada pengembangan pabrik bahan baku bioenergi yang lebih baik serta metode yang efisien untuk mengolah tanaman menjadi bahan bakar dan produk canggih.
Kolaborasi Strategis dan Penelitian Genetik
Di CBI yang dipimpin ORNL, para ilmuwan telah mempelajari poplar selama bertahun-tahun sebagai tanaman tahunan non-pangan yang tumbuh cepat untuk produksi bahan baku. Mereka menyusun studi asosiasi genome-wide, atau GWAS, yang pertama Populus trichocarpa dengan mengambil sampel dari 1.500 pohon di alam liar dan menganalisis karakteristik fisik serta susunan genetiknya. GWAS, salah satu yang pertama dan terbesar dari jenisnya, mengidentifikasi lebih dari 28 juta polimorfisme nukleotida tunggal yang bertindak sebagai penanda biologis, membantu para ilmuwan menemukan gen yang terkait dengan sifat-sifat tertentu seperti pertumbuhan tanaman; kandungan karbon, nitrogen dan lignin; dan seberapa efisien tanaman menggunakan air.
Para ilmuwan dari CBI dan CABBI menggunakan populasi GWAS untuk mencari dua kandidat gen yang telah dikaitkan dengan pendinginan fotosintesis, sebuah proses yang mengatur seberapa cepat tanaman menyesuaikan diri antara sinar matahari dan naungan serta membuang energi berlebih dari terlalu banyak sinar matahari untuk menghindari kerusakan. Ilmuwan CABBI memanfaatkan teknik penyaringan yang telah mereka kembangkan untuk melakukan fenotipe poplar secara cepat di kebun percobaan di Davis, California. Pemeriksaan awal tidak langsung menemukan gen yang mereka cari. Namun analisis molekuler lebih lanjut terhadap salah satu kandidat gen ternyata berhasil Pemacuyang memengaruhi dua gen yang diprediksi CABBI sebagai kunci peningkatan fotosintesis.
Penelitian ini didukung oleh CBI dan CABBI, keduanya disponsori oleh Program Penelitian Biologi dan Lingkungan Kantor Sains DOE. Proyek ini menggunakan kemampuan pencitraan yang tinggi dan terdepan di dunia dari Advanced Plant Phenotyping Laboratory milik ORNL, yang memungkinkan pengukuran perubahan ukuran daun pada pohon poplar secara cepat dan otomatis. Pemacu gen dalam lingkungan rumah kaca. Pengurutan seluruh genom dan lainnya RNA analisis dilakukan oleh Joint Genome Institute, atau JGI, fasilitas pengguna DOE Office of Science di Lawrence Berkeley National Laboratory. Proyek ini menggunakan sumber daya komputasi berkinerja tinggi dari Oak Ridge Leadership Computing Facility, fasilitas pengguna DOE Office of Science di ORNL.
Memvalidasi Gen Chimeric dalam Bioteknologi Tanaman
“Gen chimeric yang dilestarikan seperti Pemacu sering diabaikan karena tidak berfungsi, artefak evolusioner yang tidak lagi mempengaruhi proses tanaman,” kata Biruk Feyissa dari ORNL, yang memimpin analisis molekuler gen dan penulis pertama makalah ini. “Tetapi di sini kami membuktikan sebaliknya. Validasi molekuler dan fisiologis kami menegaskan hal itu Pemacu meningkatkan fotosintesis sehingga tanaman bekerja lebih baik dalam kondisi cahaya yang stabil dan berfluktuasi.”
“Penemuan ini membuka jalan baru dalam pemikiran ilmiah,” kata Tuskan. “Kita cenderung menganggap fotosintesis sebagai proses yang sulit untuk ditingkatkan. Namun faktanya, mesin molekuler yang mengelilingi fotosintesis terus berkembang seiring adaptasi tanaman terhadap lingkungannya. Dalam hal ini, pertukaran DNA dengan organisme terkait mengubah proses biologis secara mendasar.”
Referensi: “Gen yatim piatu PEMACU meningkatkan efisiensi fotosintesis dan produktivitas tanaman” oleh Biruk A. Feyissa, Elsa M. de Becker, Coralie E. Salesse-Smith, Jin Zhang, Timothy B. Yates, Meng Xie, Kuntal De, Dhananjay Gotarkar, Margot SS Chen, Sara S. Jawdy, Dana L. Carper, Kerrie Barry, Jeremy Schmutz, David J. Weston, Paul E. Abraham, Chung-Jui Tsai, Jennifer L. Morrell-Falvey, Gail Taylor, Jin-Gui Chen, Gerald A. Tuskan, Stephen P. Long, Steven J. Burgess dan Wellington Muchero, 3 Desember 2024, Sel Perkembangan.
DOI: 10.1016/j.devcel.2024.11.002
Ilmuwan lain dalam proyek ini termasuk co-lead Steven Burgess dari CABBI dan Carl R. Woese Institute for Genomic Biology di Illinois; co-lead Jay Chen, ketua kelompok ORNL Plant Systems Biology; Jin Zhang, Timothy Yates, Kuntal De, Sara Jawdy, Dana Carper, David Weston, Paul Abraham dan Jennifer Morrell-Falvey dari CBI/ORNL; Elsa de Becker dan Coralie Salesse-Smith dari CABBI/Illinois; Margot SS Chen dan Chung-Jui Tsai dari CBI/Universitas Georgia; Gail Taylor dari CBI/Universitas California, Davis; Meng Xie dari Laboratorium Nasional Brookhaven; Dhananjay Gotarkar dari Universitas Missouri; Kerrie Barry dari Laboratorium Nasional JGI/Lawrence Berkeley; dan Jeremy Schmutz dari JGI dan HudsonAlpha. Makalah ini didedikasikan untuk mengenang Wellington Muchero, salah satu pemimpin proyek dan mantan ilmuwan tanaman dan ahli genetika ORNL.
