BAGIKAN
[MabelAmber]

Di masa depan, mungkin tanaman akan memiliki kemampuan menciptakan pupuk untuk mereka sendiri. Petani tidak perlu lagi membeli dan menyebarkan pupuk untuk tanaman mereka, dan peningkatan produksi pangan akan bermanfaat bagi miliaran orang di seluruh dunia.

Pernyataan-pernyataan ini mungkin terdengar seperti sesuatu yang muncul dari novel fiksi ilmiah, tetapi penelitian terbaru oleh para ilmuwan dari Washington University di St. Louis menunjukkan bahwa tak akan lama lagi menjadi memungkinkan untuk merekayasa tanaman sehingga mampu untuk mengembangkan pupuk untuk mereka sendiri. Penemuan ini bisa memiliki efek revolusioner pada pertanian dan kesehatan planet ini.

Diterbitkan di mBio, penelitian ini dipimpin oleh Himadri Pakrasi, dari Universitas Glassberg-Greensfelder dan Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi, rekan peneliti senior,.

Membuat pupuk banyak memerlukan energi, dan selama proses pembuatannya menghasilkan gas rumah kaca yang merupakan penggerak utama perubahan iklim. Dan itu tidak efisien.

Pemupukan adalah sistem pengiriman nitrogen, yang digunakan tanaman untuk menciptakan klorofil untuk berfotosintesis, tetapi kurang dari 40 persen nitrogen dalam pupuk komersial terkirim  pada tanaman.

Setelah tanaman diberi pupuk, ada masalah lain: limpasan. Pupuk yang dibilas oleh hujan berakhir di sungai, teluk dan danau, menjadi bahan makanan bagi ganggang yang dapat tumbuh di luar kendali, menghalangi sinar matahari dan membunuh tanaman dan kehidupan hewan di bawah permukaan.

Namun, ada sumber nitrogen lain yang melimpah di sekitar kita. Atmosfir Bumi adalah sekitar 78 persen nitrogen, dan laboratorium Pakrasi di Departemen Biologi hanya merekayasa bakteri yang dapat memanfaatkan gas atmosfer itu — sebuah proses yang dikenal sebagai “memperbaiki” nitrogen — dalam langkah signifikan menuju rekayasa tanaman yang dapat melakukan hal yang sama.

Penelitian ini berakar pada fakta bahwa, meskipun tidak ada tanaman yang dapat memperbaiki nitrogen dari udara, ada bagian dari cyanobacteria (bakteri yang berfotosintesis seperti tanaman) yang mampu melakukannya. Cyanobacteria dapat melakukan ini meskipun oksigen, produk sampingan dari fotosintesis, mengganggu proses fiksasi nitrogen.

Bakteri yang digunakan dalam penelitian ini, Cyanothece, mampu memperbaiki nitrogen karena sesuatu yang memiliki kesamaan dengan manusia – memiliki ritme sirkadian, yaitu proses biologis yang menunjukkan osilasi endogen dan berulang setiap sekitar 24 jam. Ritme ini didorong oleh jam sirkadian, dan telah banyak diamati pada tanaman, hewan, jamur, dan cyanobacteria.

“Cyanobacteria adalah satu-satunya bakteri yang memiliki ritme sirkadian,” kata Pakrasi. Menariknya, Cyanothece berfotosintesis di siang hari, mengubah sinar matahari menjadi energi kimia yang mereka gunakan sebagai bahan bakar, dan memperbaiki nitrogen di malam hari, setelah mengeluarkan sebagian besar oksigen yang diciptakan selama fotosintesis melalui respirasi.

Tim peneliti ingin mengambil gen dari Cyanothece, yang bertanggung jawab untuk mekanismenya di siang hari, dan memasukkannya ke dalam jenis cyanobacteria lain, Synechocystis, untuk membujuk bakteri ini untuk memperbaiki nitrogen dari udara juga.

Untuk menemukan urutan gen yang tepat, tim mencari tanda ritme sirkadian. “Kami melihat sekumpulan 35 gen yang berdekatan yang melakukan hal-hal hanya pada malam hari,” kata Pakrasi, “dan pada dasarnya mereka terdiam di siang hari.”

Tim peneliti secara manual mengeluarkan oksigen dari Synechocystis dan menambahkan gen dari Cyanothece. Peneliti menemukan Synechocystis mampu memperbaiki nitrogen pada 2 persen Cyanothece.

Namun, hal-hal menjadi sangat menarik ketika Liu, peneliti pascadoktoral yang selama ini menjadi andalan proyek, mulai menghapus beberapa gen itu; hanya dengan 24 gen Cyanothece, Synechocystis mampu memperbaiki nitrogen pada tingkat lebih dari 30 persen Cyanothece.

Tingkat fiksasi nitrogen menurun tajam dengan penambahan sedikit oksigen (hingga 1 persen), tetapi naik lagi dengan penambahan kelompok gen yang berbeda dari Cyanothece, meskipun tidak mencapai tingkat setinggi tanpa kehadiran oksigen.

“Ini berarti rencana rekayasa itu layak,” kata Pakrasi. “Saya harus mengatakan, pencapaian ini di luar dugaan saya.”

Langkah selanjutnya untuk tim adalah menggali lebih dalam rincian proses, mungkin mempersempit lebih jauh lagi bagian gen yang diperlukan untuk fiksasi nitrogen, dan berkolaborasi dengan ilmuwan tanaman lain untuk menerapkan pelajaran yang didapat dari penelitian ini ke tingkat berikutnya: tanaman pengikat nitrogen .

Tanaman yang dapat menggunakan nitrogen dari udara akan paling efektif untuk petani subsisten — sekitar 800 juta orang di seluruh dunia, menurut Bank Dunia — meningkatkan hasil panen dalam skala yang bermanfaat bagi keluarga atau kota dan membebaskan waktu yang sekali menghabiskan pupuk yang menyebar secara manual .

“Jika itu berhasil,” kata Bhattacharyya-Pakrasi, “ini akan menjadi perubahan signifikan dalam pertanian.”