Cara Membuat Perbedaan Melalui Metabolisme Tumbuhan

Umumnya ketika kita mempertimbangkan banyak tanaman di sekitar kita, kita membayangkan mereka secara efisien menggunakan radiasi elektromagnetik dari Matahari melalui fotosintesis di daunnya — menarik karbon dioksida dari udara, serta air dari tanah melalui akarnya, dan tumbuh dengan cepat. karena mereka cukup bisa. Pada kenyataannya, efisiensi proses ini kurang dari 10% dari energi input, dan berbagai jenis metabolisme tanaman yang telah terbentuk selama evolusi tidak semuanya sama.

Di antara metabolisme tanaman yang digunakan saat ini, beberapa menggunakan jalur fiksasi karbon yang jauh lebih efisien, sementara yang lain akhirnya membuang banyak energi yang mereka peroleh dari fotosintesis dengan proses rumit yang tidak perlu, terutama untuk menangani limbah. Seberapa cepat tanaman dapat tumbuh jika semuanya telah berevolusi, jalur fiksasi karbon yang paling efisien telah menjadi subjek sejumlah penelitian selama beberapa dekade terakhir, yang melibatkan segala hal mulai dari tanaman pangan hingga pohon.

Seperti yang ditunjukkan oleh studi-studi ini kepada kita, lebih dari sekadar keingintahuan biologis ilmiah dan evolusioner, tanaman rekayasa genetika ini menawarkan peluang nyata dalam segala hal mulai dari produksi pangan hingga reboisasi.

Menemukan Kembali Dengan Evolusi

Vertebrata versus mata cephalopoda.  Perhatikan inversi retina (1) dan saraf (2).  Cephalopoda tidak memiliki titik buta vertebrata (4).
Vertebrata versus mata cephalopoda. Perhatikan inversi retina (1) dan saraf (2). Cephalopoda tidak memiliki titik buta vertebrata (4).

Selama miliaran tahun di Bumi, proses evolusi telah mengarah pada pembentukan struktur biologis yang menarik, serta banyak jalur percabangan yang aneh dan insiden untuk menemukan kembali struktur yang sama secara berbeda. Vertebrata dan mata cephalopoda misalnya, yang tampaknya telah terbentuk secara independen, dan keduanya sangat mirip dan sangat berbeda. Proses ini disebut evolusi konvergen.

Sama mencoloknya dengan mata dan fitur konvergen seperti sayap di antara dinosaurus (burung), mamalia dan serangga, mungkin kurang jelas tetapi tidak kalah pentingnya adalah evolusi konvergen fotosintesis. Selama jutaan tahun, versi kasar fotosintesis tanaman awal berubah menjadi sejumlah jalur fotosintesis yang berbeda, semuanya berbasis di sekitar enzim RuBisCO (ribulose-1,5-bifosfat karboksilase-oksigenase) dan siklus Calvin terkait.

Kebanyakan tanaman menggunakan apa yang disebut fiksasi karbon C3, yang menggunakan siklus Calvin yang cukup mendasar. Ini memiliki efisiensi keseluruhan paling banyak 3,5% (relatif terhadap masukan energi radiasi matahari), sedangkan siklus fiksasi karbon C4 yang kurang umum mencapai lebih dari 4%. C4 dan CAM (metabolisme asam crassulacean) adalah bentuk evolusi konvergen, di mana keduanya menggunakan fosfoenolpiruvat (PEP) untuk menangkap CO2 dan dengan demikian menciptakan peningkatan konsentrasi CO2 di sekitar enzim RuBiscCO untuk mengurangi fotorespirasi.

Reaksi enzim RuBisCO dengan karbon dioksida dan oksigen.
Reaksi enzim RuBisCO dengan karbon dioksida dan oksigen.

Masalah inti dengan RuBisCO seperti yang dapat dilihat dalam reaksi yang tercantum di atas adalah bahwa ia bereaksi dengan CO2 dan O2, sedangkan reaksi terakhir jelas tidak diinginkan karena kurangnya atom karbon yang terlibat. Produk metabolisme 2-fosfoglikolat (2-PG, atau C2H2O6P3-) yang dihasilkan dari reaksi dengan oksigen bersifat racun bagi tanaman karena menghambat beberapa jalur metabolisme dan karenanya harus ditangani. Di sinilah fotorespirasi tanaman C3 sangat penting, karena memungkinkan 2-PG diubah menjadi PGA yang diinginkan (asam 3-fosfogliserat) yang digunakan untuk pembentukan gula yang dibutuhkan tanaman untuk berkembang, seperti yang ditangkap dalam grafik ini oleh Williams dkk. (2013) dari jalur metabolisme untuk tanaman C3 dan C4:

Jalur metabolisme tanaman C3 dan C4.  (Kredit: Williams et al., 2013)
Jalur metabolisme tanaman C3 dan C4. (Kredit: Williams et al., 2013)

Hal ini menunjukkan bahwa banyak tanaman – termasuk tanaman pangan dan spesies pohon – yang menggunakan siklus pengikatan karbon C3 menghabiskan sejumlah besar energi yang mereka peroleh dari fotosintesis untuk memecah 2-PG ini yang terbentuk karena interaksi antara RuBisCO dan oksigen. Karena proses fotorespirasi ini, kehilangan air melalui stoma (pori-pori) juga meningkat.

Karena RuBisCO lebih mudah berikatan dengan oksigen daripada karbon dioksida ketika suhu meningkat, hal ini memberikan batasan alami pada kondisi lingkungan yang layak untuk tanaman C3, dan menjelaskan mengapa tanaman C4 dan khususnya tanaman CAM ditemukan dalam kondisi yang lebih hangat dan lebih gersang. Kesimpulan logisnya adalah jika kita mentransplantasikan elemen C4, CAM atau jalur lain yang sesuai seperti yang ditemukan pada misalnya cyanobacteria ke dalam tanaman C3, hal ini dapat meningkatkan laju pertumbuhannya dengan mengurangi energi yang terbuang pada fotorespirasi.

Tes Lapangan

Diagram anatomi daun tumbuhan C3 (A) dan C4 (B).  Yang terakhir membagi konsentrasi CO2 dan siklus Calvin menjadi dua sel.  (Kredit: Cui, 2021)
Diagram anatomi daun tumbuhan C3 (A) dan C4 (B). Yang terakhir membagi konsentrasi CO2 dan siklus Calvin menjadi dua sel. (Kredit: Cui, 2021)

Setelah upaya awal untuk mengubah enzim RuBisCo secara langsung untuk meningkatkan afinitasnya terhadap karbon dioksida kurang berhasil, fokus selama tahun 1990-an bergeser ke pemahaman dan pengoptimalan. Pada saat ini, secara umum diakui bahwa fiksasi karbon gaya C4 rekayasa di pabrik C3 adalah jalan yang layak ke depan, dengan menggunakan pabrik C4 yang ada sebagai template. Yang relevan di sini adalah apakah spesies C3 juga memiliki spesies C4 terkait untuk membuat rekayasa genetika lebih mudah. Poin diskusi aktif lainnya di sini adalah apakah akan mengejar strategi satu atau dua sel, seperti yang dicatat oleh Cui (2021).

Peneliti lain telah berusaha menemukan cara baru untuk meningkatkan fotosintesis, seperti Nölke et al. (2014), yang menambahkan ekspresi poliprotein (DEFp) yang diambil dari Escherichia coli glycolate dehydrogenase (GlcDH) ke tanaman kentang (Solanum tuberosum), dengan hasil peningkatan hasil umbi 2,3x. Pendekatan yang sama ini berpotensi dapat diterapkan pada tanaman lain juga, dengan kemungkinan peningkatan hasil yang serupa.

Pengaruh ekspresi DEFp pada fenotipe kentang dan hasil umbi.  (Noelke et al., 2014)
Pengaruh ekspresi DEFp pada fenotipe kentang dan hasil umbi. (Noelke et al., 2014)

Wang dkk. (2020) melaporkan spesies padi yang dimodifikasi menggunakan pendekatan yang sama seperti Nölke et al., meskipun dengan hasil yang beragam. Penelitian ini diikuti oleh Nayak et al. (2022) yang melaporkan hasil yang menjanjikan yang dapat mengarah pada beras RG dengan modifikasi ini diperkenalkan dalam uji coba lapangan. Data uji coba lapangan terkait tersedia dari South et al. (2019), yang melakukan uji coba lapangan menggunakan tanaman tembakau transgenik. Tanaman ini menunjukkan peningkatan sekitar 40% dalam produksi biomassa yang berguna dibandingkan dengan jenis liar.

Jelas, sebelum spesies RG ini didistribusikan kepada petani untuk tanaman tahun depan, lebih banyak eksperimen dan uji lapangan harus dilakukan untuk memastikan efektivitas, stabilitas jangka panjang dari modifikasi ini dan keamanan secara keseluruhan. Meski begitu, eksperimen ini memberikan gambaran yang menggoda tentang masa depan di mana hasil pertanian saat ini meningkat 150-200%, tanpa kebutuhan nutrisi tambahan, penurunan kebutuhan air, dan ketahanan yang jauh lebih baik terhadap gelombang panas, yang diperkirakan akan terjadi jauh lebih banyak. lebih teratur karena perubahan iklim yang sedang berlangsung.

Yang menimbulkan pertanyaan apakah pendekatan serupa dapat digunakan untuk membuat pohon biasa jauh lebih efisien dalam mengikat karbon dari atmosfer juga.

Hutan Saat Anda Menunggu

Kebijaksanaan konvensional memberi tahu kita bahwa pohon membutuhkan waktu lama untuk tumbuh. Mungkin tidak mengherankan, sebagian besar jenis tanaman yang disebut sebagai ‘pohon’ (yaitu tidak ada definisi biologis ‘pohon’) menggunakan metabolisme fiksasi karbon C3. Dalam artikel pracetak baru-baru ini oleh Living Carbon Team et al. (2022), modifikasi yang mirip dengan spesies transgenik berbasis tanaman yang dibahas sebelumnya dilaporkan telah diterapkan pada poplar. Poplar hibrida ini kemudian ditanam di ladang di Oregon, seperti yang dijelaskan di situs web Living Carbon Team. Dengan artikel pracetak yang melaporkan peningkatan sekitar 50% dalam perolehan biomassa relatif terhadap poplar standar, ini akan mengarah pada kepercayaan pada tujuan mulia di situs web Living Carbon

Seperti yang dijelaskan pada halaman FAQ untuk proyek tersebut, semua tanaman yang dimodifikasi dengan cara ini yang ditanam adalah betina, sehingga modifikasi genetik tidak akan menyebar ke poplar liar lainnya melalui serbuk sari, tetapi akan tetap terkandung hanya pada pohon yang ditanam. Proyek ini dilakukan dalam kemitraan dengan Oregon State University (OSU), dengan lebih dari 600 pohon poplar hibrida telah ditanam. Tujuannya adalah untuk mendapatkan sebanyak mungkin dari mereka ditanam selama tahun-tahun mendatang sebagai bagian dari pendekatan penangkapan karbon.

Bersama dengan prospek untuk meningkatkan hasil panen secara signifikan, hutan yang tumbuh 50% lebih cepat daripada hutan konvensional, tampaknya ini akan menjadi masa depan yang menarik yang dapat kita nantikan.

Rekayasa genetika

Salah satu gajah utama di ruangan ketika membahas topik ini adalah organisme hasil rekayasa genetika (GMO), atau “rekayasa genetika” (GE) seperti istilah yang lebih tepat. Banyak negara memiliki undang-undang yang melarang atau sangat membatasi pertumbuhan, impor dan penjualan organisme RG, produk, benih, dll. Tidak diragukan lagi ini akan menjadi penghalang terbesar dalam membuat tanaman yang ditingkatkan fotosintesis ini diterima.

Meskipun banyak argumen dapat dibuat untuk keamanan yang melekat pada pohon hibrida ini karena baik manusia maupun ternak cenderung tidak mengkonsumsi hutan dan pohon secara umum, perbedaan antara dunia sains yang logis dan dunia yang digerakkan oleh emosi dari rata-rata orang dan kehidupan sehari-hari siklus berita memang mencolok dalam konteks ini.

Meskipun demikian, dengan perjalanan dunia saat ini ke arah di mana kekeringan, kelaparan, dan semua gejala perubahan iklim yang sangat tidak menyenangkan lainnya akan dirasakan oleh lebih banyak orang, mungkin alat yang telah disediakan oleh ilmu pengetahuan akan menjadi penyelamat kita di sini. , memungkinkan kita memberi makan jutaan orang dan mengurangi kelebihan CO2 di atmosfer, semuanya dengan membuat tanaman lebih baik dalam menimbun karbon.