Modifikasi lingkungan ringan dapat memaksimalkan produktivitas – Sains Terkini

Tanaman yang kita tanam di ladang sering membentuk kanopi padat dengan banyak daun yang tumpang tindih, sehingga "daun-daun matahari" muda di bagian atas kanopi terpapar sinar matahari penuh dengan "daun-daun peneduh" yang lebih tua di bagian bawah. Untuk memaksimalkan fotosintesis, efisiensi penggunaan sumber daya, dan hasil, daun matahari biasanya memaksimalkan efisiensi fotosintesis pada cahaya tinggi, sedangkan daun naungan memaksimalkan efisiensi pada cahaya rendah.

"Namun, di beberapa tanaman terpenting kami, maladaptasi menyebabkan hilangnya efisiensi fotosintesis pada daun di bagian bawah tajuk, yang membatasi kemampuan tanaman untuk berfotosintesis dan menghasilkan hasil," kata Charles Pignon, mantan peneliti postdoctoral di Universitas Illinois. "Untuk mengatasi masalah ini, penting untuk mengetahui apakah ini disebabkan oleh daun yang lebih tua atau terkena lingkungan cahaya yang berbeda di bagian bawah kanopi."

Pertanyaan ini dijawab dalam penelitian terbaru yang dipublikasikan di Perbatasan dalam Ilmu Tanaman, di mana para peneliti dari University of Illinois dan University of Oxford bekerja dengan jagung dan tanaman bioenergi Miscanthus untuk menemukan bahwa penurunan efisiensi daun di bagian bawah kanopi bukan karena usia mereka tetapi karena perubahan lingkungan cahaya mereka.

Pekerjaan ini dilakukan melalui program Illinois Summer Fellows (ISF). Diluncurkan pada 2018, ISF memungkinkan mahasiswa sarjana untuk melakukan penelitian sains tanaman bersama para ilmuwan yang sangat terampil di Illinois. 2018 Fellows Robert Collison dan Emma Raven bekerja dengan Pignon dan Stephen Long, Ketua Stanley O. Ikenberry Profesor Biologi Tumbuhan dan Ilmu Tanaman di Illinois, untuk mengkonfirmasi dan lebih memahami hasil dari studi sebelumnya untuk Teknologi Hemat Air Sorgum (WEST), sebuah penelitian. proyek yang bertujuan untuk mengembangkan tanaman bioenergi yang menghasilkan lebih banyak biomassa dengan lebih sedikit air.

Fotosintesis adalah proses alami yang digunakan tanaman untuk mengubah sinar matahari menjadi energi. Tanaman biasanya termasuk dalam dua jenis fotosintesis utama – C3 dan C4. Perbedaan antara jenis-jenis ini adalah bahwa tanaman C4 memiliki mekanisme yang memusatkan karbon dioksida di dalam daun mereka, memungkinkan mereka untuk berfotosintesis lebih efisien. Namun, sebagian besar tanaman, pohon, dan tanaman beroperasi menggunakan fotosintesis C3 yang kurang efisien.


Matahari dan daun naungan berkontribusi pada asimilasi karbon fotosintesis, menghasilkan gula yang memberi makan tanaman dan hasil bahan bakar. Oleh karena itu, fotosintesis kanopi yang lebih rendah adalah proses penting yang mempengaruhi hasil seluruh tanaman, dengan perkiraan 50 persen dari total karbon kanopi yang disumbangkan oleh daun pelindung.

Studi sebelumnya tentang tanaman C3 menunjukkan bahwa daun yang diarsir biasanya lebih efisien daripada daun matahari pada intensitas cahaya rendah, yang berarti daun yang diarsir beradaptasi dengan lingkungan rendah cahaya mereka. Namun, penelitian sebelumnya oleh Pignon dan Long menunjukkan bahwa ini bukan kasus untuk semua tanaman. Kanopi jagung dan miskantus, tanaman C4 yang biasanya berfotosintesis lebih efisien daripada tanaman C3, memiliki daun peneduh yang kurang efisien secara fotosintesis, menunjukkan maladaptasi pada tanaman penting ini.

"Daun naungan menerima sangat sedikit cahaya, sehingga biasanya menjadi sangat efisien dengan penggunaan cahaya rendah," kata Pignon, sekarang seorang ahli fisiologi tanaman di Benson Hill di St. Louis. "Pada dasarnya, mereka memanfaatkan sebagian kecil dari cahaya yang mereka terima. Namun, pada tanaman C4 yang kami pelajari, daun naungan pada tanaman ini tidak hanya menerima sangat sedikit cahaya, tetapi mereka juga menggunakannya dengan kurang efisien. Ini adalah maladaptasi yang sangat mahal di tanaman yang sebaliknya sangat produktif – karena itu kami menyebutnya tumit Achilles. "

Dengan enam hingga delapan lapisan daun di tegakan tanaman jagung modern kami, sebagian besar daun teduh dan dapat menyumbang setengah dari pertumbuhan tanaman selama fase kritis pengisian biji-bijian.

"Dalam studi sebelumnya, para peneliti memperkirakan bahwa maladaptasi ini menyebabkan hilangnya 10 persen dalam potensi fotosintesis kanopi," kata Raven, yang baru-baru ini lulus dari Oxford dengan rencana untuk mengejar gelar doktornya. "Pada dasarnya ada dua alasan potensial: usia daun atau kondisi cahaya, jadi kami menyelidiki faktor mana yang menyebabkan inefisiensi ini."

Collison dan Raven, penulis pendamping pertama dari makalah yang baru diterbitkan ini, mengumpulkan data dan menganalisis hasil kuantum maksimum fotosintesis – efisiensi maksimum yang digunakan cahaya untuk mengasimilasi karbon – pada daun dengan usia kronologis yang sama tetapi lingkungan cahaya yang berbeda untuk menemukan tumit 'Achilles' tanaman. Ini dicapai dengan membandingkan daun pada usia yang sama di pusat plot spesies ini dibandingkan dengan yang berada di tepi selatan sinar matahari plot ini. Dari ini, mereka menunjukkan bahwa efisiensi fotosintesis yang buruk dari daun bawah tanaman ini disebabkan oleh kondisi cahaya yang berubah dan bukan usia.


"Jagung dan Miskantus keduanya terkait erat dengan tebu dan sorgum, sehingga tanaman C4 lainnya berpotensi kehilangan efisiensi fotosintesis yang disebabkan oleh lingkungan yang ringan," jelas Collison, yang juga telah lulus dari Oxford dan dapat melanjutkan studi pascasarjana. "Dengan menemukan penyebab hilangnya efisiensi ini, kita dapat mulai melihat solusi potensial untuk masalah ini, memodifikasi pabrik untuk meningkatkan produktivitasnya."

Program Musim Panas Illinois

Program ISF telah memupuk lingkungan di mana para Fellows memiliki independensi yang dibutuhkan untuk berkembang sebagai ilmuwan sambil mengetahui bahwa mereka memiliki dukungan dan dorongan dari pengawas mereka. Fellows dipasangkan dengan pengawas ilmuwan untuk membantu mereka dengan elemen spesifik dari sebuah proyek yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi fotosintesis tanaman dan / atau penggunaan air. Program ini bertujuan untuk memberikan pengalaman yang bermanfaat yang membantu siswa berkembang sebagai ilmuwan, dan pada akhirnya, untuk mempertimbangkan mengejar karier dalam biologi tanaman.

"Peluang untuk melakukan perjalanan ke negara lain dan melakukan penelitian yang berarti dalam lingkungan lapangan dunia nyata bersama para pembimbing di bidang mereka sangat berharga," kata Long, yang meluncurkan dan mengarahkan program ISF di Institut Carl R. Woese untuk Genomic Biology. "Pada akhir waktu mereka di Illinois, para Siswa kami telah menyatakan bahwa pengalaman ini memungkinkan mereka untuk berkontribusi kepada dunia dan mengambil kembali keterampilan berharga yang dapat mereka terapkan dalam upaya masa depan mereka sebagai inovator di bidang pertanian dan seterusnya."

Collison merefleksikan waktunya di Illinois sebagai pengalaman yang tidak banyak siswa, terutama di awal karir mereka, untuk ikut serta. "Kesempatan untuk melakukan penelitian di awal karir Anda sebagai ilmuwan benar-benar menarik," katanya. . "Setiap orang yang kami temui – termasuk penyelia kami dan ilmuwan lainnya – selalu bersedia membantu kami."

Raven juga berbagi wawasannya tentang nilai melakukan penelitian di Illinois dan perbedaan apa yang mungkin ada dalam pengaturan akademik atau pekerjaan lainnya. "Ketika Anda menghadiri kuliah atau kelas-kelas praktis, Anda tidak pernah benar-benar merasa memiliki proyek Anda sendiri karena Anda hanya mengikuti apa pun yang disarankan oleh profesor Anda," kata Raven. "Tetapi memiliki kepemilikan makalah ini di Illinois sangat memuaskan. Sangat menyenangkan untuk menjadi bagian dari sesuatu yang lebih besar dari kita dan pada akhirnya akan membantu petani di negara lain untuk menanam makanan lebih berkelanjutan."

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.