Para ilmuwan telah mengidentifikasi gen utama pada tanaman padi yang menjaga pertumbuhan tanaman tetap kuat bahkan ketika pupuk langka. Penemuan ini dapat membantu petani mengurangi biaya dan polusi sekaligus melindungi hasil panen di dunia yang semakin panas.
Gen "pengatur utama" yang baru diidentifikasi pada tanaman padi dapat membantu petani menanam lebih banyak biji-bijian dengan lebih sedikit pupuk, sehingga mengurangi tekanan pada keuangan dan lingkungan.
Sebuah tim peneliti internasional dari Universitas Oxford, Universitas Pertanian Nanjing, dan Institut Genetika dan Biologi Perkembangan (Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok) telah menemukan bagaimana satu gen tunggal membantu padi menyeimbangkan pertumbuhan akar dan pucuk ketika nitrogen, unsur hara penting bagi tanaman, kekurangan. Dengan memanfaatkan versi gen yang secara alami lebih kuat, tim tersebut meningkatkan hasil panen padi hingga hampir 24% dalam uji coba lapangan, bahkan dengan penggunaan pupuk yang dikurangi.
Temuan, diterbitkan dalam jurnal Ilmu, menunjukkan cara baru yang ampuh untuk meningkatkan ketahanan pangan global sekaligus mengurangi ketergantungan pada pupuk nitrogen sintetis, yang mahal untuk diproduksi dan merupakan sumber utama emisi gas rumah kaca dan polusi air.
Pertanian modern sangat bergantung pada pupuk nitrogen untuk menghasilkan panen yang tinggi. Namun, ketika kadar nitrogen dalam tanah menurun, tanaman biasanya merespons dengan mengalihkan lebih banyak energi ke akar untuk mencari nutrisi, mengorbankan pertumbuhan pucuk dan produksi biji-bijian. Strategi bertahan hidup itu berhasil di alam liar, tetapi membatasi hasil panen di lahan pertanian.
Sampai sekarang, para ilmuwan belum mengetahui saklar molekuler apa yang mengendalikan pertukaran ini. Studi baru ini mengidentifikasi sebuah gen pada padi, yang disebut WRINKLED1a, sebagai regulator utama yang mengoordinasikan bagaimana tanaman tumbuh di atas dan di bawah tanah sebagai respons terhadap ketersediaan nitrogen.
Dalam percobaan di rumah kaca dan lapangan, para peneliti menguji apa yang terjadi ketika WRINKLED1a diaktifkan atau dinonaktifkan. Tanaman padi yang kekurangan versi fungsional gen tersebut kehilangan kemampuan untuk meningkatkan pertumbuhan akar dalam kondisi nitrogen rendah dan juga menunjukkan pertumbuhan pucuk yang lebih lemah ketika nitrogen berlimpah. Sebaliknya, tanaman yang direkayasa untuk mengekspresikan WRINKLED1a secara berlebihan tumbuh lebih kuat baik pada akar maupun pucuk dan menjaga keseimbangan yang lebih stabil antara keduanya saat kadar nitrogen berubah.
Untuk melangkah lebih jauh dari laboratorium dan menuju pertanian di dunia nyata, tim kemudian mencari variasi alami dalam gen tersebut di berbagai varietas padi. Dengan menyaring lebih dari 3,000 kultivar, mereka menemukan versi WRINKLED1a yang diekspresikan lebih kuat. Mereka menyilangkan alel "yang ditingkatkan" ini ke dalam tanaman padi yang awalnya membawa bentuk gen yang lebih lemah.
Dalam tiga uji coba lapangan di provinsi Hainan dan Anhui di Tiongkok, tanaman hasil peningkatan mutu menunjukkan rasio akar-batang yang lebih stabil di berbagai kondisi nitrogen dan menghasilkan lebih banyak biji-bijian. Di bawah aplikasi pupuk nitrogen yang relatif rendah, tanaman tersebut menghasilkan peningkatan hasil panen sebesar 23.7%. Bahkan di bawah penggunaan pupuk yang tinggi, hasil panen masih meningkat sebesar 19.9%.
Menurut penulis utama, Zhe Ji, seorang peneliti pascadoktoral di Departemen Biologi dan berafiliasi dengan Pusat Penelitian Calleva di Magdalen College, Universitas Oxford, hasil penelitian ini menyoroti potensi gen tersebut sebagai alat untuk pertanian yang lebih berkelanjutan.
“Studi kami dengan jelas menunjukkan bahwa regulator ini merupakan target yang menjanjikan untuk peningkatan tanaman berkelanjutan. Sungguh luar biasa melihat perbedaan yang dihasilkan oleh versi gen yang telah ditingkatkan terhadap hasil panen padi selama uji coba lapangan kami,” kata Ji dalam siaran pers.
Dengan meneliti lebih dalam cara kerja WRINKLED1a, tim tersebut menunjukkan bahwa gen tersebut memainkan peran yang berbeda di bagian tanaman yang berbeda.
Pada pucuk, WRINKLED1a bertindak sebagai aktivator, mengaktifkan gen pengatur lain yang dikenal sebagai NGR5 yang mendorong percabangan. Lebih banyak cabang berarti lebih banyak tempat untuk produksi biji-bijian. Pada akar, WRINKLED1a mengaktifkan gen yang terlibat dalam penyerapan nitrogen, membantu tanaman menarik lebih banyak nutrisi dari tanah.
Gen tersebut juga mengganggu kompleks protein di akar yang biasanya mencegah penumpukan auksin, hormon tumbuhan yang merangsang pertumbuhan akar. Dengan mengganggu kompleks ini hanya di akar dan bukan di pucuk, WRINKLED1a membantu padi menyesuaikan sistem akarnya tanpa memicu penurunan pertumbuhan di atas tanah seperti biasanya. Perilaku spesifik jaringan tersebut tampaknya menjadi kunci untuk menghindari pertukaran klasik "lebih banyak akar, lebih sedikit pucuk".
Beras merupakan makanan pokok bagi lebih dari separuh populasi dunia, dan permintaannya meningkat seiring pertumbuhan populasi global. Pada saat yang sama, perubahan iklim mengancam panen padi. Studi menunjukkan bahwa setiap kenaikan suhu 1 derajat Celcius selama musim tanam padi dapat mengurangi hasil panen lebih dari 8%.
Pupuk nitrogen juga merupakan salah satu biaya terbesar bagi petani padi, terkadang mencapai sekitar sepertiga dari total biaya produksi. Produksi dan penggunaan pupuk tersebut melepaskan gas rumah kaca dan dapat mencemari saluran air ketika kelebihan nitrogen mengalir dari lahan pertanian.
Dengan memungkinkan tanaman untuk mempertahankan hasil panen tinggi dengan lebih sedikit nitrogen, strategi WRINKLED1a dapat membantu petani di wilayah kaya maupun miskin. Bagi petani kecil yang tidak mampu membeli pupuk dalam jumlah besar, varietas dengan versi gen yang lebih kuat dapat berarti panen yang lebih andal dari lahan yang sama. Bagi produsen skala besar, hal ini dapat menurunkan biaya input dan dampak lingkungan.
Penulis utama, Shan Li dari Universitas Pertanian Nanjing, mencatat bahwa gen tersebut menawarkan cara untuk mendesain ulang bagaimana tanaman merespons stres nutrisi.
“WRINKLED1a membantu padi menghindari pertukaran umum 'lebih banyak akar, lebih sedikit tunas' di bawah keterbatasan nitrogen, mendukung hasil panen yang stabil dengan input nitrogen yang lebih rendah. Langkah selanjutnya adalah menyelidiki apakah gen homolog pada tanaman lain, seperti gandum dan jagung, dapat dimanfaatkan untuk mencapai hasil serupa,” kata Li dalam siaran pers tersebut.
Langkah selanjutnya bisa jadi transformatif. Jika gen serupa pada serealia utama lainnya dapat disesuaikan dengan cara yang sama, pendekatan ini mungkin dapat diperluas ke sebagian besar pasokan biji-bijian global. Para peneliti dapat menggunakan pemuliaan konvensional untuk memperkenalkan alel alami yang lebih kuat, atau menerapkan alat pengeditan gen untuk menyempurnakan aktivitas gen tanpa menambahkan DNA asing.
Penerapan secara luas akan membutuhkan lebih banyak pengujian di berbagai lingkungan, jenis tanah, dan sistem pertanian, serta penilaian yang cermat terhadap dampak jangka panjang pada kesehatan tanah dan ekosistem. Namun, penelitian ini menawarkan bukti konsep yang jelas: dengan memahami dan menyesuaikan sirkuit genetik yang mengatur bagaimana tanaman mengalokasikan sumber dayanya, mungkin dapat menghasilkan lebih banyak makanan dengan input yang lebih sedikit.
Seiring meningkatnya tekanan iklim dan fluktuasi harga pupuk, peningkatan efisiensi semacam itu bisa menjadi sangat penting. Penemuan peran sentral WRINKLED1a dalam pertumbuhan padi memberi para ilmuwan dan pemulia tanaman pegangan baru yang tepat pada salah satu keseimbangan tertua dalam pertanian: bagaimana memberi makan dunia tanpa membebani planet ini.
Sumber: University of Oxford