Sebuah studi di USC mengungkapkan bahwa tanaman menggunakan jam sirkadian dan protein spesifik, ABF3, untuk mengelola tekanan lingkungan, sehingga menawarkan pendekatan baru untuk mengembangkan tanaman yang tahan terhadap kekeringan dan salinitas tanah. Penelitian ini membuka jalan bagi perbaikan tanaman secara genetik, yang berpotensi meningkatkan ketahanan dan hasil panen dalam menghadapi perubahan iklim.
Penelitian terbaru mengungkapkan bahwa tanaman menggunakan ritme sirkadian internalnya untuk beradaptasi terhadap fluktuasi ketersediaan air dan kadar garam, sehingga menghadirkan strategi baru untuk mengembangkan tanaman yang tahan terhadap kondisi kekeringan.
Perubahan iklim saat ini berdampak pada produktivitas pertanian dan pada akhirnya dapat menimbulkan risiko besar terhadap ketahanan pangan global. Mengembangkan tanaman yang lebih berketahanan, mampu bertahan terhadap kondisi seperti kekeringan atau peningkatan salinitas tanah, menjadi kebutuhan yang mendesak.
Sebuah studi baru dari Keck School of Medicine of USC, sebagian didanai oleh Institut Kesehatan Nasional, mengungkapkan rincian tentang bagaimana tanaman mengatur respons mereka terhadap stres yang mungkin terbukti penting bagi upaya tersebut. Para peneliti menemukan bahwa tumbuhan menggunakan jam sirkadiannya untuk merespons perubahan kadar air dan garam eksternal sepanjang hari. Sirkuit yang sama—putaran umpan balik elegan yang dikendalikan oleh protein yang dikenal sebagai ABF3—juga membantu tanaman beradaptasi terhadap kondisi ekstrem seperti kekeringan. Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
“Intinya adalah tanaman tertahan di tempatnya. Mereka tidak bisa berlarian dan mengambil air minum. Mereka tidak dapat berpindah ke tempat teduh jika mereka mau atau menjauh dari tanah yang mengandung garam berlebih. Oleh karena itu, mereka berevolusi untuk menggunakan jam sirkadian mereka untuk mengukur dan beradaptasi dengan lingkungan mereka,” kata penulis senior studi tersebut, Steve A. Kay, PhD, Universitas dan Profesor Neurologi, Teknik Biomedis, dan Biologi Komputasi Kuantitatif di Universitas Fakultas Kedokteran Keck dan Direktur USC Pusat Biosains Konvergen Michelson.
Gambar bioluminesen dari bibit Arabidopsis mengekspresikan gen reporter jam sirkadian sebagai respons terhadap tekanan air.” Kredit: Laboratorium Dr. Tong Liang/Kay, USC
Temuan ini melanjutkan penelitian panjang dari laboratorium Kay tentang peran protein jam sirkadian pada tumbuhan dan hewan. Protein jam, yang mengatur perubahan biologis sepanjang hari, dapat memberikan solusi cerdas terhadap tantangan yang sedang berlangsung dalam rekayasa tanaman. Menciptakan tanaman yang tahan terhadap kekeringan adalah hal yang sulit, karena tanaman merespons stres dengan memperlambat pertumbuhan dan perkembangannya—respon terhadap stres yang berlebihan berarti tanaman berkinerja buruk.
“Ada keseimbangan yang rumit antara meningkatkan toleransi tanaman terhadap stres sekaligus memaksimalkan pertumbuhan dan hasil,” kata Kay. “Penyelesaian tantangan ini menjadi semakin mendesak karena adanya perubahan iklim.”
Menemukan putaran umpan balik
Penelitian biologi tumbuhan sebelumnya menunjukkan bahwa protein jam mengatur sekitar 90% gen pada tumbuhan dan berperan penting dalam respons tanaman terhadap suhu, intensitas cahaya, dan panjang hari, termasuk perubahan musim yang menentukan kapan tanaman berbunga. Namun satu pertanyaan besar yang belum terjawab adalah apakah dan bagaimana protein jam mengontrol cara tanaman menangani perubahan tingkat salinitas air dan tanah.
Untuk mengeksplorasi kaitan tersebut, Kay dan timnya mempelajari Arabidopsis, tanaman yang biasa digunakan dalam penelitian karena ukurannya yang kecil, memiliki siklus hidup yang cepat, genom yang relatif sederhana dan memiliki sifat dan gen yang sama dengan banyak tanaman pertanian. Mereka menciptakan perpustakaan yang berisi lebih dari 2000 faktor transkripsi Arabidopsis, yaitu protein yang mengontrol cara gen diekspresikan dalam keadaan berbeda. Faktor transkripsi dapat memberikan wawasan penting tentang regulasi proses biologis. Para peneliti kemudian membangun jalur analisis data untuk menganalisis setiap faktor transkripsi dan mencari hubungannya.
“Kami mendapat kejutan yang sangat besar: banyak gen yang diatur oleh jam berhubungan dengan respons terhadap kekeringan,” kata Kay, khususnya gen yang mengendalikan hormon absisik. asamsejenis hormon stres yang diproduksi tanaman ketika kadar air sangat tinggi atau sangat rendah.
Analisis tersebut mengungkapkan bahwa kadar asam absisat dikendalikan oleh protein jam serta faktor transkripsi ABF3 dalam apa yang disebut Kay sebagai “lingkaran umpan balik homeostatis”. Sepanjang hari, protein jam mengatur ABF3 untuk membantu tanaman merespons perubahan kadar air, kemudian ABF3 memberikan informasi kembali ke protein jam untuk menjaga respons stres tetap terkendali. Lingkaran yang sama membantu tanaman beradaptasi ketika kondisi menjadi ekstrem, misalnya saat kekeringan. Data genetik juga mengungkapkan proses serupa untuk menangani perubahan tingkat salinitas tanah.
“Yang istimewa dari sirkuit ini adalah memungkinkan tanaman merespons tekanan eksternal sekaligus menjaga respons stres tetap terkendali, sehingga dapat terus tumbuh dan berkembang,” kata Kay.
Merekayasa tanaman yang lebih baik
Temuan ini menunjukkan dua pendekatan baru yang dapat membantu meningkatkan ketahanan tanaman. Pertama, pemulia pertanian dapat mencari dan menyeleksi keragaman genetik yang terjadi secara alami dalam sirkuit sirkadian ABF3 yang memberi tanaman sedikit keunggulan dalam merespons tekanan air dan salinitas. Bahkan peningkatan kecil dalam ketahanan dapat meningkatkan hasil panen secara signifikan dalam skala besar.
Kay dan rekan-rekannya juga berencana mengeksplorasi pendekatan modifikasi genetik, menggunakan CRISPR untuk merekayasa gen yang mempromosikan ABF3 guna merancang tanaman yang sangat tahan kekeringan.
“Ini bisa menjadi terobosan signifikan dalam memikirkan bagaimana memodulasi tanaman agar lebih tahan kekeringan,” kata Kay.
Referensi: “Interaksi antara jam sirkadian dan respons stres abiotik yang dimediasi oleh ABF3 dan CCA1/LHY” oleh Tong Liang, Shi Yu, Yuanzhong Pan, Jiarui Wang dan Steve A. Kay, 6 Februari 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2316825121
Pekerjaan ini didukung oleh Institut Ilmu Kedokteran Umum Nasional dari Institut Kesehatan Nasional (R37 GM067837).
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
