Rekayasa Fotosintesis Untuk meningkatkan hasil panen dan menghemat air.

Para peneliti yang tergabung dalam Proyek Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) baru-baru ini menemukan cara merekayasa jalannya proses fotosintesis sehingga dapat menghasilkan tanaman yang lebih produktif.

Proyek RIPE adalah upaya internasional yang dipimpin oleh University of Illinois untuk mengembangkan tanaman yang lebih produktif dengan meningkatkan fotosintesis – proses alami bertenaga sinar matahari yang digunakan semua tanaman untuk memperbaiki karbon dioksida menjadi gula yang memicu pertumbuhan, perkembangan, dan akhirnya hasil.

Produktivitas pabrik menurun ketika persediaan, saluran transportasi dan mesin yang andal terbatas. Untuk mengetahui batasan fotosintesis, para peneliti telah memodelkan masing-masing dari 170 langkah proses ini untuk mengidentifikasi bagaimana tanaman dapat memproduksi gula dengan lebih efisien.

Dalam studi ini, tim meningkatkan pertumbuhan tanaman sebesar 27 persen dengan menyelesaikan dua kendala: satu di bagian pertama fotosintesis di mana tanaman mengubah energi cahaya menjadi energi kimia dan satu di bagian kedua di mana karbon dioksida diubah menjadi gula.

Di dalam dua fotosistem, sinar matahari ditangkap dan diubah menjadi energi kimia yang dapat digunakan untuk proses lain dalam fotosintesis. Protein transpor yang disebut plastosianin memindahkan elektron ke dalam fotosistem untuk memicu proses ini. Tetapi plastosianin memiliki afinitas tinggi untuk protein akseptornya dalam fotosistem sehingga plastosianin tidak dapat memindahkan elektron bolak-balik secara efisien.

Tim mengatasi hambatan pertama ini dengan membantu plastosianin berbagi beban dengan penambahan sitokrom c6 yaitu protein transpor yang lebih efisien yang memiliki fungsi serupa dalam alga. Plastocyanin membutuhkan tembaga dan sitokrom membutuhkan zat besi untuk berfungsi. Bergantung pada ketersediaan nutrisi ini, alga dapat memilih di antara dua protein transpor ini.

Pada saat yang sama, tim telah meningkatkan hambatan fotosintesis dalam Siklus Calvin-Benson – di mana karbon dioksida difiksasi menjadi gula – dengan meningkatkan jumlah enzim kunci yang disebut SBPase, meminjam mesin seluler tambahan dari spesies tanaman lain. dan cyanobacteria.

Dengan menambahkan “forklift seluler” untuk memindahkan elektron ke dalam fotosistem dan “mesin seluler” untuk Siklus Calvin, tim juga meningkatkan efisiensi penggunaan air tanaman, atau rasio biomassa yang dihasilkan terhadap air yang hilang oleh pabrik.

“Dalam uji coba lapangan kami, kami menemukan bahwa tanaman ini menggunakan lebih sedikit air untuk membuat lebih banyak biomassa,” kata peneliti utama Christine Raines, seorang profesor di Sekolah Ilmu Hayati di Essex di mana dia juga menjabat sebagai Wakil Rektor untuk Penelitian. . “Mekanisme yang bertanggung jawab atas peningkatan tambahan ini masih belum jelas, tetapi kami terus mengeksplorasi ini untuk membantu kami memahami mengapa dan bagaimana ini bekerja.”

Kedua perbaikan ini, jika digabungkan, telah terbukti meningkatkan produktivitas tanaman sebesar 52 persen di rumah kaca. Lebih penting lagi, penelitian ini menunjukkan peningkatan 27 persen dalam pertumbuhan tanaman dalam uji coba lapangan, yang merupakan ujian sebenarnya dari setiap perbaikan tanaman – menunjukkan bahwa peretasan fotosintesis ini dapat meningkatkan produksi tanaman dalam kondisi pertumbuhan dunia nyata.

Studi ini memberikan peluang menarik untuk menggabungkan tiga metode yang dikonfirmasi dan independen untuk mencapai peningkatan 20 persen dalam produktivitas tanaman, “kata Direktur RIPE Stephen Long, Ketua Ikenberry Endowed University untuk Ilmu Tanaman dan Biologi Tanaman di Institut Carl R. Woese untuk Biologi Genomik. di Illinois. “Pemodelan kami menunjukkan bahwa menggabungka terobosan ini dengan dua penemuan sebelumnya dari proyek RIPE dapat menghasilkan peningkatan hasil aditif dengan total sebanyak 50 hingga 60 persen pada tanaman pangan.”

Penemuan pertama RIPE, yang diterbitkan di Science, membantu tanaman beradaptasi dengan perubahan kondisi cahaya dan meningkatkan hasil panen sebanyak 20 persen. Terobosan kedua proyek, juga diterbitkan di Science, menciptakan jalan pintas tentang bagaimana tanaman mengatasi kesalahan dalam fotosintesis untuk meningkatkan produktivitas sebesar 20 hingga 40 persen.

Selanjutnya, tim berencana untuk menerjemahkan penemuan ini dari tembakau sebagai model penelitian untuk merekayasa, menanam, dan menguji tanaman pangan pokok seperti singkong, kacang tunggak. , jagung, kedelai, dan beras yang dibutuhkan untuk memberi makan populasi kita yang berkembang abad ini. Proyek RIPE dan para sponsornya berkomitmen untuk memastikan Akses Global dan membuat teknologi proyek tersedia bagi para petani yang paling membutuhkannya.

Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) bertujuan untuk melengkapi petani di seluruh dunia dengan hasil tanaman lebih tinggi guna memastikan setiap orang memiliki cukup makanan untuk menjalani hidup yang sehat dan produktif.

Proyek penelitian internasional ini disponsori oleh Bill & Melinda Gates Foundation, U.S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR), dan Department for International Development (DFID) Pemerintah Inggris Raya. RIPE dipimpin oleh University of Illinois dalam kemitraan dengan The Australian National University, Chinese Academy of Sciences, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, Lancaster University, Louisiana State University, University of California, Berkeley, University of Cambridge, University of Essex, dan Departemen Pertanian AS, Layanan Penelitian Pertanian.

Jurnal Refrensi:

• Patricia E. López-Calcagno, Andrew J. Simkin, Kenny L. Brown, Silvere Vialet-Chabrand, Tracy Lawson, Stuart J. Fisk, and Christine A. Raines. 2020. Stimulating photosynthetic processes increases productivity and water-use efficiency in the field. Nature Plants, 2020 DOI: 10.1038/s41477-020-0740-1