Bagaimana Hormon Membantu Tanaman Membangun Sistem Ventilasi Daun

Para peneliti telah menunjukkan bagaimana satu jalur hormon pada tanaman mengatur cara daun membangun lapisan epidermis mereka dengan jumlah pori-pori pernapasan yang tepat, memberikan tanaman strategi untuk mengoptimalkan produktivitas mereka sambil mempertimbangkan perubahan lingkungan.

Tampilan mikroskopis bibit Arabidopsis thaliana muda dengan protein fluoresen yang menandai membran plasma.
Kredit: Anne Vatén

Ketika lingkungan bertambah panas, tanaman menghadapi dilema - lubang kecil yang sama yang harus mereka buka untuk menukar gas juga mengeluarkan air. Mereka dapat menutup lubang, yang disebut stomata, untuk tetap terhidrasi dalam kondisi yang lebih panas dan lebih kering. Tetapi, dalam melakukannya mungkin kehilangan karbon dioksida yang sangat penting.

Pertanyaan untuk Lab. Bergmann di Stanford University adalah bagaimana dilema ini akan bermain sebagai bagian yang meningkat dari tumbuhan yang mengalami lingkungan yang lebih hangat dan kering. Mencari tahu bahwa diperlukan kelompok untuk mengambil langkah mundur dan lebih memahami bagaimana tanaman mengatur jumlah stomata setiap daun berkembang. Jawabannya tidak hanya menunjukkan peluang bagi rekayasa tumbuhan untuk menahan perubahan iklim, tetapi juga telah mengungkap proses yang sebelumnya tidak diketahui, di mana tanaman menyempurnakan jumlah stomata yang mereka bangun.

"Akan sangat bagus untuk dapat lebih baik memprediksi bagaimana vegetasi, seperti hutan boreal, akan bereaksi terhadap perubahan global dalam iklim. Perubahan perkembangan stomata adalah jenis mekanisme yang mungkin digunakan tanaman untuk beradaptasi ketika lingkungan berubah., "kata Anne Vatén, seorang sarjana pasca doktoral di lab Dominique Bergmann, seorang profesor biologi di Sekolah Ilmu Humaniora dan Ilmu Pengetahuan Universitas Stanford.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan 6 September di Developmental Cell, para peneliti bekerja di mana hormon pada tanaman Arabidopsis thaliana mengoordinasikan jumlah stomata yang dihasilkan. Terlebih lagi, mereka mengubah tingkat hormon pada tanaman tersebut - menggunakan teknologi pengeditan gen CRISPR / Cas9 - untuk mendapatkan gambaran sejauh mana hormon ini dapat meningkatkan atau menurunkan keberadaan stomata.

Melihat Perkembangan Stomata

Kelompok ini memulai dengan memeriksa pengaruh sitokinin, hormon tanaman penting yang lama dianggap mempengaruhi perkembangan stomata dan mengoordinasikannya dengan proses lain yang terjadi di seluruh tanaman. Vatén, yang memimpin penulis makalah, menganalisis seluruh genom A. thaliana dan menegaskan bahwa gen yang terkait dengan sitokinin memang sangat aktif dalam sel yang akan menjadi stomata. Kemudian, dengan menaikkan atau menurunkan kadar hormon ini dalam sel-sel tertentu di ratusan laboratorium tumbuhan, para peneliti menemukan bahwa mereka bisa secara perlahan mengubah jumlah stomata yang dihasilkan tanaman.

Terlebih lagi, mereka menelusuri bagaimana tepatnya sitokinin bekerja dalam konteks ini. Ini mengaktifkan gen yang disebut SPEECHLESS yang menempatkan sel-sel agar menjadi stomata. Tetapi jalur ini tidak langsung - langkah awal melibatkan divisi mirip sel punca yang mampu memperluas kumpulan sel yang diperuntukkan untuk stomata. Melalui eksperimen mereka, para peneliti menemukan bahwa ketika SPEECHLESS mendorong lebih banyak sel untuk menjadi stomata, ia juga mengaktifkan empat protein yang mempercepat kemampuan sel untuk merespon sitokinin.

Meskipun mengubah kadar sitokinin secara konsisten mempengaruhi stomata, para peneliti menemukan bahwa efeknya tidak pernah sangat dramatis - sepenuhnya menghilangkan protein yang mereka identifikasi, misalnya, hanya mengubah angka stomata sekitar 10%. Dengan temuan ini, peneliti ingin tahu apakah peningkatan 10% dari stomata akan berarti atau tidak. Memperhatikan penelitian sebelumnya pada tanaman yang tumbuh di lingkungan yang ekstrim, Bergmann memperhatikan eksperimen di mana para ilmuwan menggandakan tingkat normal karbon dioksida di atmosfer tanaman dan mengamati efek pada stomata. Dalam studi yang melibatkan ratusan individu yang mewakili lusinan spesies, hasilnya adalah dapat mengurangi jumlah stomata sekitar 9 %.

"Itu adalah penemuan yang benar-benar memuaskan," kata Bergmann, yang juga peneliti Howard Hughes Medical Institute dan penulis senior makalah ini. "Senang rasanya bisa mengatakan bahwa perubahan yang kita lihat dalam angka stomata ketika tanaman kehilangan kemampuan untuk menggunakan sistem sitokinin-SPEECHLESS adalah dalam hal berapa banyak perubahan tanaman untuk mengatasi perubahan lingkungan."

CRISPR dan Perubahan Iklim

Para peneliti menggunakan teknologi pengeditan gen CRISPR / Cas9 untuk secara tepat mengubah gen tunggal dalam tanaman mereka untuk meningkatkan dan menurunkan kadar sitokinin. Teknologi ini sangat menjanjikan untuk dapat membuat perubahan kecil yang diarahkan untuk meningkatkan kemampuan tanaman untuk menahan perubahan iklim. Baru-baru ini, Uni Eropa memutuskan bahwa tanaman yang dimodifikasi melalui CRISPR harus bergantung pada hukum yang sama seperti tanaman yang dimodifikasi melalui metode yang lebih tua dan kurang tepat. Pengalaman Bergmann dengan keduanya membuat dia mempertanyakan keputusan itu, terutama, karena tanaman yang bergantung pada pemuliaan mutagenesis, prosedur yang jauh lebih tua dan jauh lebih invasif, adalah pengecualian.

"Sangat penting untuk mendiskusikan bagaimana informasi genetik diubah secara alami dan melalui berbagai teknik seperti CRISPR / Cas9, dan bagi para ilmuwan untuk menjaga penekanan pada peningkatan tanaman lebih banyak untuk kepentingan orang daripada keuntungan perusahaan," kata Bergmann.

Sejalan dengan obat-obatan yang dipersonalisasi, para peneliti memperkirakan bahwa ahli biologi tanaman akan menjadi semakin tertarik pada perubahan kecil yang dapat dihasilkan para ilmuwan dalam bidang tanaman melalui pengeditan genetik.

Langkah berikutnya adalah melihat bagaimana hormon sitokinin menghubungkan perkembangan stomata dengan sistem vaskular, dan keduanya ke perubahan lingkungan tertentu, seperti kekeringan. Sementara itu, laboratorium Bergmann sudah melihat bagaimana hormon tanaman lain mengatur stomata.

Sumber:

https://www.sciencedaily.com