Para ilmuwan berhasil mengakali fotosintesis untuk meningkatkan hasil panen

Sebagaimana diprediksikan dengan model komputer, tanaman rekayasa genetis lebih mampu memanfaatkan sinar matahari yang ketersediaannya terbatas saat daunnya berada di tempat teduh, demilian para peneliti melaporkan. Kredit: Julie McMahon

Para peneliti melaporkan dalam jurnal Sains bahwa mereka dapat meningkatkan produktivitas tanaman dengan meningkatkan level dari tiga protein yang terlibat dalam fotosintesis. Dalam uji coba lapangan, para ilmuwan melihat kenaikan produktivitas dari 14 persen menjadi 20 persen  pada tanaman tembakau rekayasa (dimodifikasi). Penelitian tersebut menegaskan bahwa fotosintesis dapat dibuat lebih efisien untuk meningkatkan hasil tanaman, yang mana merupakan suatu hipotesis yang pernah diragukan oleh sebagian komunitas ilmiah.

Bertahun-tahun dilakukan analisis komputasi dan percobaan-percobaan laboratorium dan lapangan membawa pada pemilihan protein yang menjadi sasaran dalam penelitian ini. Para peneliti menggunakan tembakau karena mudahnya dimodifikasi. Sekarang mereka memfokuskan diri pada tanaman pangan.

“Kami tidak tahu pasti apakah pendekatan ini akan berhasil juga pada tanaman lain, tapi karena kami menargetkan suatu proses universal yang sama di semua tanaman, kami cukup yakin itu akan berhasil juga,” kata Stephen Long, professor biologi tumbuh-tumbuhan dan ilmu tanaman Universitas Illinois yang memimpin penelitian itu bersama peneliti postdoctoral Katarzyna Glowacka dan Johannes Kromdijk.

Tim tersebut menargetkan suatu proses yang digunakan tumbuhan untuk melindungi diri dari energi surya yang berlebihan.

“Daun tanaman yang terkena sinar matahari penuh, menyerap lebih banyak cahaya daripada yang dapat digunakannya,” kata Long. “Jika tanaman tidak dapat menyingkirkan energi ekstra ini, hal ini akan benar-benar membuat daun menjadi putih.”

Tanaman melindungi diri dengan membuat perubahan-perubahan di dalam daun yang yang dapat menyingkirkan kelebihan energi tersebut sebagai panas, katanya. Proses ini disebut pendinginan non-fotokimia (nonphotochemical quenching/NPQ).

“Tapi ketika awan melintasi matahari, atau daun masuk ke dalam naungan lainnya, dapat memakan waktu hingga setengah jam agar proses npq tersebut dapat mengendor,” kata Long. “Di tempat teduh, kurangnya cahaya membatasi fotosintesis, dan npq juga membuang cahaya sebagai panas.”

Long dan mantan mahasiswa pascasarjana Xinguang Zhu menggunakan superkomputer di Pusat Nasional Aplikasi Supercomputing (The National Center for Supercomputing Applications) di Universitas Illinois untuk memprediksi berapa banyak pemulihan lambat npq dapat mengurangi produktivitas tanaman selama sehari. Perhitungan ini mengungkapkan “kerugian sangat tinggi” dari 7,5 persen menjadi 30 persen, tergantung pada jenis tanaman dan suhu yang melingkupi, kata Long.

Diskusi Long dengan  peneliti dari Universitas California Berkeley sekaligus mitra dalam studi tersebut,  Krishna Niyogi  – seorang ahli proses molekuler yang mendasari npq menyarankan bahwa meningkatnya kadar ketiga protein mungkin dapat mempercepat proses pemulihan tersebut.

Untuk menguji konsep ini, tim tersebut memasukkan “kaset” dari ketiga gen itu (diambil dari tanaman model Arabidopsis) ke tanaman tembakau.

“Tujuannya adalah hanya untuk mendongkrak tingkat tiga protein yang sudah ada dalam tembakau,” kata Long.

Para peneliti menumbuhkan bibit dari beberapa percobaan, kemudian mengujinya seberapa cepat tanaman hasil rekayasa tersebut menanggapi perubahan cahaya yang ada.

Sebuah teknik pencitraan fluoresensi memungkinkan tim untuk menentukan mana dari tanaman yang ditransormasikan pulih lebih cepat setelah dipindahkan ke tempat teduh. Para peneliti memilih tiga tanaman rekayasa terbaik dan mengujinya dalam beberapa plot disamping plot  tembakau non-rekayasa.

Dua baris tanaman tembakau rekayasa secara konsisten menunjukkan produktivitas 20 persen lebih tinggi, dan baris yang ketiga 14 persen lebih tinggi daripada tanaman tembakau non-rekayasa.

“Tembakau ditanam untuk diambil daunnya, yang mana meningkat secara substansial,” kata Kromdijk. “Tapi pada tanaman pangan, kita akan perlu meningkatkan apapun yang dapat kita makan dari tanaman tersebut – buah, biji atau akar -. Bahwa “

Daun tembakau menunjukkan ekspresi berlebih sementara dari gen-gen yang terlibat dalam pendinginan non-fotokimia (npq), sebuah sistem yang melindungi tanaman dari kerusakan akibat cahaya. Daerah merah dan kuning merupakan aktivitas npq yang rendah, sementara daerah biru dan ungu menunjukkan aktivitas npq tinggi (Kredit : Lauriebeth Leonelli and Matthew Brooks/UC Berkeley)

Percobaan-percobaan lain telah menunjukkan bahwa peningkatan fotosintesis dengan cara mengekspos tanaman pada karbon dioksida yang tinggi menghasilkan lebih banyak biji pada gandum, kedelai dan beras, katanya.

“Sekarang kita bisa melakukan ini secara genetik, dan kami secara aktif mengulangi pekerjaan-pekerjaan kami dengan berbagai tanaman pangan ,” katanya.

“Temuan ini menawarkan beberapa kabar baik yang langka pada saat mana diperkirakan timbul kekurangan pangan yang mengerikan di masa depan,” kata Glowacka.

“PBB memprediksi bahwa pada tahun 2050 kita perlu menghasilkan sekitar 70 persen lebih banyak makanan di atas tanah yang kita gunakan saat ini,” kata Long. “Sikap saya adalah bahwa sangat penting untuk menempatkan teknologi baru ini dalam agenda kita sekarang karena teknologi ini bisa membutuhkan waktu sampai 20 tahun sebelum penemuan-penemuan semacam itu dapat mencapai ladang petani. Jika kita tidak melakukannya sekarang, kita tidak akan memiliki solusi ini saat kita membutuhkannya.”

Yayasan Bill dan Melinda Gates mendanai penelitian ini, dengan ketentuan bahwa setiap produk pertanian baru yang dihasilkan dari penelitian ini dilisensikan sedemikian rupa sehingga teknologi ini tersedia secara bebas bagi petani-petani di negara-negara miskin di Afrika dan Asia Selatan.

November 17, 2016

Sumber :
Scientists tweak photosynthesis to boost crop yield 

This entry was posted in Berita Pertanian and tagged , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *