BAGIKAN
[Shen and Wang et al./Molecular Plant]

Sebuah pendekatan rekayasa tanaman baru untuk meningkatkan fotosintesis pada tanaman padi dapat meningkatkan hasil gabah hingga 27%, menurut sebuah studi yang dipublikasikan dalam jurnal Molecular Plant.

Pendekatan, yang disebut sebagai bypass GOC, memperkaya sel-sel tanaman dengan CO2 yang sebaliknya akan hilang karena harus melalui proses metabolisme yang disebut fotorespirasi. Proses dalam fotorespirasi sering dipandang sebagai bentuk inefisiensi dalam metabolisme tumbuhan karena mengoksidasi langsung produk fotosintesis (glukosa). Akibat fotorespirasi, fotosintesis netto (bersih) menjadi jauh lebih rendah daripada seharusnya. Bagaimanapun, dengan fotorespirasi jaringan tumbuhan lebih terjaga kesetimbangannya.

Tanaman yang telah direkayasa secara genetik menjadi lebih hijau dan lebih besar serta menunjukkan peningkatan efisiensi dan produktivitas fotosintesis dalam kondisi lapangan, dengan keunggulan khusus dalam kondisi cahaya yang terang – cahaya dapat meningkatkan fotorespirasi.

“Kekurangan pangan terkait dengan pertumbuhan populasi dunia akan menjadi masalah serius yang harus dihadapi planet kita,” kata penulis studi senior Xin-Xiang Peng dari Universitas Pertanian Cina Selatan di Guangzhou, Cina. “Studi kami dapat berdampak besar pada masalah ini dengan meningkatkan hasil padi secara signifikan, terutama untuk daerah dengan cahaya yang terang.”

Peningkatan rekayasa tanaman padi, tanaman pangan pokok di seluruh dunia, memiliki kepentingan praktis yang tinggi, terutama mengingat kebutuhan akan peningkatan produktivitas tanaman karena pertumbuhan populasi dunia dan pengurangan tanah yang bisa ditanami. Tetapi peningkatan hasil untuk beras dan beberapa tanaman utama lainnya jarang terjadi dalam beberapa tahun terakhir, dan hasil panen tampaknya mencapai batas maksimum potensi.

Pendekatan genetik utama untuk meningkatkan potensi hasil panen utama berfokus pada fotosintesis, proses biokimia di mana CO2 dan air dikonversi menjadi O2 dan senyawa gula kaya energi yang mendorong pertumbuhan tanaman. Salah satu cara untuk meningkatkan fotosintesis adalah dengan memotong fotorespirasi, proses yang bergantung pada cahaya di mana O2 diambil dan CO2 dilepaskan. Energi yang digufotorespirasi sangat besar. Menghilangkan fotorespirasi dapat menghasilkan peningkatan fotosintesis hingga 55%.

Selama beberapa tahun terakhir, tiga bypass fotorespirasi telah dimasukkan ke dalam tanaman, dan dua di antaranya menyebabkan peningkatan yang dapat diamati dalam fotosintesis dan hasil biomassa. Tetapi sebagian besar percobaan dilakukan dengan menggunakan model organisme Arabidopsis, dan peningkatan biasanya diamati di bawah kondisi lingkungan yang dikendalikan, cahaya rendah, dan hari pendek. “Sejauh pengetahuan kami, penelitian kami adalah yang pertama yang menguji bypass fotorespirasi pada tanaman padi,” kata rekan penulis Zheng-Hui He dari San Francisco State University.

Dalam studinya, para peneliti mengembangkan strategi untuk mengalihkan CO2 dari fotorespirasi menuju fotosintesis. Mereka mengubah molekul yang disebut glikolat, yang diproduksi melalui fotorespirasi, menjadi CO2 menggunakan tiga enzim beras: glikolat oksidase, oksalat oksalat, dan katalase. Untuk menyebarkan bypass GOC, yang diberi nama untuk tiga enzim, para peneliti memperkenalkan gen yang mengkode enzim ke dalam kloroplas padi – organel di mana fotosintesis berlangsung dalam sel tanaman.

Akibatnya, laju fotorespirasi ditekan hingga 18% -31% dibandingkan dengan normal, dan laju fotosintesis bersih meningkat sebesar 15% -22%, terutama karena konsentrasi yang lebih tinggi dari CO2 seluler yang digunakan untuk fotosintesis. Dibandingkan dengan tanaman yang tidak direkayasa secara genetik, tanaman GOC secara konsisten lebih hijau dan lebih besar, dengan berat kering di atas tanah 14% -35% lebih tinggi. Selain itu, butiran pati tumbuh dalam ukuran sebesar 100% dan meningkat dalam jumlah per sel sebesar 37%. Pada musim tanam musim semi, hasil gabah meningkat dari 7% menjadi 27%.

Ke depannya, para peneliti berencana untuk mengoptimalkan kinerja rekayasa tanaman di lapangan dengan menempatkan bypass metabolisme yang sama pada varietas padi lainnya. Mereka juga ingin menerapkan pendekatan yang sama pada beberapa tanaman lainnya seperti kentang.

“Rekayasa tanaman kami dapat digunakan di ladang dalam skala yang lebih besar setelah evaluasi lebih lanjut oleh peneliti independen dan lembaga pemerintah,” kata Peng. “Meskipun kami tidak berharap pendekatan ini akan memengaruhi rasa dari tanamannya, baik kualitas nutrisi maupun rasa belum dievaluasi secara komprehensif oleh laboratorium independen dan lembaga pemerintah.”