University of Nevada, Riset Reno mengatasi pertumbuhan populasi di masa depan dan kekurangan pangan – Sains Terkini

Setelah beberapa tahun bereksperimen, para ilmuwan telah merekayasa selangkangan thale, atau Arabidopsis thaliana, untuk berperilaku seperti sukulen, meningkatkan efisiensi penggunaan air, toleransi salinitas, dan mengurangi dampak kekeringan. Metode rekayasa sukulen jaringan yang dirancang untuk tanaman berbunga kecil ini dapat digunakan pada tanaman lain untuk meningkatkan toleransi terhadap kekeringan dan salinitas dengan tujuan untuk memindahkan pendekatan ini ke tanaman pangan dan bioenergi.

"Jaringan penyimpan air adalah salah satu adaptasi paling sukses pada tanaman yang memungkinkan mereka untuk bertahan hidup dalam kekeringan jangka panjang. Ciri anatomis ini akan menjadi lebih penting ketika suhu global naik, meningkatkan besarnya dan durasi peristiwa kekeringan selama abad ke-21," kata Profesor John Cushman dari Universitas Nevada, Biokimia dan Biologi Molekuler Reno, salah satu penulis makalah ilmiah baru tentang succulence jaringan tanaman yang diterbitkan di Jurnal Tanaman.

Pekerjaan ini akan digabungkan dengan proyek Cushman lainnya: merekayasa sifat lain yang disebut metabolisme asam crassulacean (CAM), mode fotosintesis yang menghemat air yang dapat diterapkan pada tanaman untuk meningkatkan efisiensi penggunaan air.

"Dua adaptasi ini bekerja bahu-membahu," kata Cushman, dari Sekolah Tinggi Pertanian, Bioteknologi & Sumber Daya Alam Universitas. "Tujuan keseluruhan kami adalah merekayasa CAM, tetapi untuk melakukan ini secara efisien, kami perlu merekayasa anatomi daun yang memiliki sel yang lebih besar untuk menyimpan asam malat yang terakumulasi di tanaman pada malam hari. Bonus tambahannya adalah bahwa sel yang lebih besar ini juga berfungsi untuk simpan air untuk mengatasi kekeringan dan untuk mencairkan garam dan ion lain yang diambil oleh tanaman, membuat mereka lebih toleran terhadap garam. "

Ketika tumbuhan mengambil karbon dioksida, ia membawanya melalui pori-pori di daun, yang disebut stomata. Mereka membuka stomata mereka sehingga karbon dioksida masuk, dan kemudian itu diperbaiki menjadi gula dan semua senyawa lain yang mendukung sebagian besar kehidupan di bumi. Tapi, ketika stomata terbuka, tidak hanya karbon dioksida yang masuk, tetapi juga uap air keluar, dan karena tanaman berubah menjadi dingin, mereka kehilangan sejumlah besar air. "


Tim ilmuwan Cushman menciptakan A. thaliana yang dimodifikasi secara genetika dengan ukuran sel yang meningkat sehingga menghasilkan tanaman yang lebih besar dengan peningkatan ketebalan daun, kapasitas penyimpanan air yang lebih banyak, dan pori-pori stomata yang lebih sedikit dan kurang terbuka untuk membatasi kehilangan air dari daun karena terlalu banyak gen yang diekspresi. , dikenal sebagai VvCEB1 untuk para ilmuwan. Gen ini terlibat dalam fase ekspansi sel pengembangan berry dalam anggur anggur.

Succulence jaringan yang dihasilkan memiliki dua tujuan.

"Sel yang lebih besar memiliki vakuola yang lebih besar untuk menyimpan malat di malam hari, yang berfungsi sebagai sumber karbon untuk pelepasan dan refiksasi karbon dioksida, dengan apa yang disebut aksi enzim Rubisco, pada siang hari di balik pori-pori stomata tertutup, sehingga membatasi fotorespirasi dan kehilangan air," kata Cushman. "Dan, jaringan sukulen menjebak karbon dioksida yang dilepaskan pada siang hari dari dekarboksilasi malat sehingga dapat diperbaiki lebih efisien oleh Rubisco.

Salah satu manfaat utama dari ekspresi berlebih gen VvCEB1 adalah perbaikan yang diamati dalam efisiensi penggunaan air instan dan terpadu seluruh pabrik, yang masing-masing meningkat hingga 2,6 kali lipat dan 2,3 kali lipat. Efisiensi penggunaan air adalah rasio karbon tetap atau biomassa yang dihasilkan dengan laju transpirasi atau kehilangan air oleh pabrik. Perbaikan ini berkorelasi dengan tingkat ketebalan daun dan succulence jaringan, serta kepadatan pori stomata yang lebih rendah dan mengurangi lubang pori.

"Kami mencoba sejumlah gen kandidat, tetapi kami hanya mengamati fenotipe yang luar biasa ini dengan gen VvCEB1," kata Cushman. "Kami biasanya akan mensurvei antara 10 hingga 30 jalur transgenik independen, dan kemudian ini ditanam selama dua hingga tiga generasi sebelum pengujian terperinci."

Arabidopsis thaliana adalah model yang kuat untuk mempelajari proses pertumbuhan dan perkembangan pada tumbuhan. Ini adalah tanaman kecil seperti gulma yang memiliki waktu generasi pendek sekitar enam minggu dan tumbuh dengan baik dalam kondisi laboratorium yang menghasilkan biji dalam jumlah besar.


Succulence jaringan yang direkayasa diharapkan dapat memberikan strategi yang efektif untuk meningkatkan efisiensi penggunaan air, penghindaran kekeringan atau atenuasi, toleransi salinitas dan untuk mengoptimalkan kinerja CAM.

Tanaman CAM sangat cerdas, menjaga stomata tertutup pada siang hari, dan hanya membukanya pada malam hari ketika evapotranspirasi rendah karena lebih dingin dan matahari tidak bersinar, Cushman menjelaskan. Pentingnya CAM ditemukan dalam kemampuan uniknya untuk menghemat air. Di mana sebagian besar tumbuhan akan menyerap karbon dioksida pada siang hari, tumbuhan CAM melakukannya pada malam hari.

"Pada dasarnya, pabrik CAM lima sampai enam kali lebih efisien penggunaan air, sedangkan sebagian besar pabrik sangat tidak efisien air," katanya. "Sukulen jaringan yang terkait dengan CAM dan sifat adaptif lainnya seperti kutikula yang lebih tebal dan akumulasi lilin epicuticular, berarti mereka dapat mengurangi pemanasan daun pada siang hari dengan memantulkan sebagian cahaya yang mengenai daun. Banyak tanaman CAM yang beradaptasi dengan gurun juga memiliki kemampuan yang lebih besar untuk mentolerir suhu tinggi. "

Dengan permintaan produk pertanian yang diperkirakan akan meningkat sebanyak 70% untuk melayani pertumbuhan populasi manusia, yang diperkirakan mencapai sekitar 9,6 miliar pada tahun 2050, Cushman dan timnya mengejar solusi bioteknologi ini untuk mengatasi potensi kekurangan pangan dan bioenergi di masa depan.

"Kami berencana untuk memindahkan sukulen jaringan dan rekayasa CAM ke dalam tanaman tanaman. Pekerjaan saat ini adalah bukti konsep," kata Cushman.

Pekerjaan itu didanai oleh Departemen Energi, Kantor Sains, Program Ilmu Genomik.

You may also like...

Leave a Reply

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