Ilmuwan Menambal Kesalahan Fotosintesis untuk Membuat Tanaman Tumbuh 40 Persen Lebih Besar

oleh Ryan Whitwam

Semua oksigen yang Anda nikmati bernapas tidak hanya muncul secara ajaib di atmosfer. Bumi layak huni karena tanaman di seluruh dunia memompa oksigen sebagai produk sampingan dari fotosintesis, dan beberapa di antaranya menjadi tanaman pangan yang enak. Namun, fotosintesis tidak sempurna meskipun banyak penyempurnaan evolusioner. Para ilmuwan dari Universitas Illinois telah bekerja untuk memperbaiki kekurangan dalam fotosintesis, dan itu dapat meningkatkan hasil panen sebanyak 40 persen.

Inti dari penelitian baru ini adalah proses pada tanaman yang disebut fotorespirasi, yang bukan bagian dari fotosintesis karena merupakan konsekuensinya. Seperti banyak proses biologis, fotosintesis tidak berfungsi dengan benar 100 persen dari waktu. Faktanya, salah satu reaksi utama dalam fotosintesis hanya sekitar 75 persen efektif. Perubahan terjadi dalam proses yang dilakukan pabrik karena ketidakefisienan itu.

Dalam fotosintesis, tanaman mengambil air dan karbon dioksida dan memprosesnya untuk menghasilkan gula (makanan) dan oksigen. Tumbuhan tidak membutuhkan oksigen, sehingga dikeluarkan. Untungnya, kita memang membutuhkan oksigen, dan kita menghembuskan karbon dioksida.

Masalah yang dibahas dalam studi baru adalah dengan enzim yang disebut ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase (RuBisCO). Kompleks protein ini menempelkan molekul karbon dioksida ke ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP). Selama berabad-abad, atmosfer Bumi menjadi lebih teroksigenasi, dan itu berarti RuBisCO harus mengatasi lebih banyak molekul oksigen yang dicampur dengan karbon dioksida. Sekitar seperempat waktu, RuBisCO mengambil molekul oksigen secara tidak sengaja, dan itu memiliki konsekuensi di dalam pabrik.

Ilmuwan Don Ort (kanan), Paul South (tengah) dan Amanda Cavanagh (kiri) mempelajari seberapa baik tanaman mereka yang dimodifikasi untuk memotong fotorespirasi dilakukan di samping tanaman yang tidak dimodifikasi dalam kondisi dunia nyata.

Ketika RuBisCO gagal, tanaman dibiarkan dengan produk sampingan beracun seperti glikolat dan amonia. Dibutuhkan energi untuk memproses senyawa-senyawa ini (melalui fotorespirasi), yang ditambahkan pada hilangnya energi dari inefisiensi fotosintesis. Para penulis penelitian mencatat bahwa beras, gandum, dan kedelai semuanya menderita karena kesalahan ini, dan RuBisCO menjadi semakin tidak akurat ketika suhu naik. Itu berarti pasokan makanan bisa turun karena pemanasan global menjadi lebih parah.

Cara mengatasinya adalah bagian dari program yang disebut Menyadari Peningkatan Efisiensi Fotosintesis (RIPE), dan itu bergantung pada pengenalan gen baru yang meningkatkan pertumbuhan. Biasanya, fotorespirasi mengambil rute sirkuler dan kompleks melalui tiga organel seluler yang berbeda. Mengkonsumsi ATP (mata uang energi sel) yang seharusnya akan membuat tanaman lebih besar dan lebih kuat. RIPE berfokus pada membuat fotorespirasi lebih cepat dan lebih hemat energi.

Tim mengembangkan tiga jalur alternatif menggunakan sekuens genetik baru. Mereka mengoptimalkan jalur ini di 1.700 pabrik yang berbeda untuk mengidentifikasi pendekatan terbaik. Selama dua tahun, para peneliti menguji urutan menggunakan tanaman tembakau yang dimodifikasi. Itu adalah tanaman umum dalam sains karena genomnya sangat dipahami dengan baik.

Tanaman-tanaman itu menghasilkan sekitar 40 persen lebih banyak biomassa daripada tanaman yang tidak dimodifikasi. Itu menunjukkan jalur fotorespirasi yang lebih efisien menghemat energi yang cukup dari tanaman yang bisa menuju pertumbuhan. Langkah selanjutnya adalah memasukkan gen ke dalam tanaman pangan seperti kedelai, kacang tunggak, beras, dan tomat.

Mungkin butuh beberapa tahun untuk mengintegrasikan gen fotorespirasi yang direvisi ke dalam tanaman pangan, yang lebih rumit daripada tembakau. Tanaman yang dihasilkan kemudian harus disetujui untuk dikonsumsi manusia oleh regulator - yang tidak mudah dengan sendirinya, dan sering ada oposisi anti-ilmiah untuk tanaman rekayasa genetika. RISE didukung oleh nirlaba di seluruh dunia, termasuk Yayasan Bill & Melinda Gates. Setiap benih yang dikembangkan di bawah RISE akan tersedia bebas royalti.

Sekarang baca:

  • Para ilmuwan mencari cara untuk men-tweak genom tanaman untuk meningkatkan fotosintesis
  • Awak Stasiun Luar Angkasa Internasional makan salad pertama yang tumbuh di luar angkasa
  • Gandum biotek baru memberi jamur jari tanpa menambahkan gen baru
  • Gandum biotek baru memberi jamur jari tanpa menambahkan gen baru

Awalnya diterbitkan di www.extremetech.com pada 7 Januari 2019.