Penemuan gen anatomi akar dapat menghasilkan pemuliaan tanaman jagung yang lebih tangguh
Sifat tersebut mengakibatkan akar lebih mampu menangkap lebih banyak air dan unsur hara dari tanah, membutuhkan lebih sedikit pupuk, dan tahan terhadap kekeringan
UNIVERSITY PARK, Pa. — Sebuah penemuan baru, yang dilaporkan hari ini dalam sebuah studi global yang mencakup lebih dari satu dekade penelitian, dapat mengarah pada pemuliaan tanaman jagung yang tahan terhadap kekeringan dan kondisi tanah rendah nitrogen dan pada akhirnya mengurangi kerawanan pangan global, menurut tim peneliti internasional yang dipimpin Penn State.
Dalam temuan yang diterbitkan hari ini (16 Maret) di Prosiding National Academy of Science , para peneliti mengidentifikasi gen yang mengkodekan faktor transkripsi – protein yang berguna untuk mengubah DNA menjadi RNA – yang memicu urutan genetik yang bertanggung jawab untuk pengembangan sifat penting, yang memungkinkan akar jagung memperoleh lebih banyak air dan nutrisi.
Sifat yang dapat diamati itu, atau fenotipe, disebut aerenkim kortikal akar dan menghasilkan saluran udara yang terbentuk di akar, menurut ketua tim peneliti Jonathan Lynch , profesor ilmu tumbuhan terkemuka. Timnya di Penn State telah menunjukkan bahwa fenotipe ini membuat akar lebih murah secara metabolis, yang memungkinkannya menjelajahi tanah dengan lebih baik dan menangkap lebih banyak air dan nutrisi dari tanah yang kering dan tidak subur.
Sekarang, mengidentifikasi mekanisme genetik di balik sifat tersebut menciptakan target pemuliaan, kata Lynch, yang kelompok penelitiannya di Sekolah Tinggi Ilmu Pertanian telah mempelajari ciri-ciri akar pada jagung dan kacang-kacangan di Amerika Serikat, Asia, Amerika Latin, Eropa dan Afrika selama lebih dari tiga dekade, dengan tujuan meningkatkan kinerja tanaman.
Penelitian terbaru ini dipelopori oleh Hannah Schneider , mantan mahasiswa doktoral dan kemudian sarjana pascadoktoral di laboratorium Lynch, sekarang menjadi asisten profesor fisiologi tanaman di Wageningen University & Research, Belanda. Dalam studi tersebut, dia menggunakan alat genetik canggih yang dikembangkan dalam penelitian sebelumnya di Penn State untuk menyelesaikan “fenotipe throughput tinggi” guna mengukur karakteristik ribuan akar dalam waktu singkat.
Menggunakan teknologi seperti Laser Ablation Tomography dan Anatomics Pipeline, bersama dengan studi asosiasi genome, dia menemukan gen – “faktor transkripsi bHLH121” – yang menyebabkan jagung mengekspresikan aerenkim kortikal akar. Tetapi menemukan dan kemudian memvalidasi dasar-dasar genetik dari sifat akar memerlukan upaya yang lama, kata Schneider.
“Kami pertama kali melakukan eksperimen lapangan yang masuk ke studi ini mulai tahun 2010, menanam lebih dari 500 baris jagung di lokasi di Pennsylvania, Arizona, Wisconsin, dan Afrika Selatan,” katanya. “Saya bekerja di semua lokasi itu. Kami melihat bukti yang meyakinkan bahwa kami telah menemukan gen yang terkait dengan aerenkim kortikal akar.”
Tapi pembuktian konsepnya butuh waktu lama, cerita Schneider. Para peneliti menciptakan beberapa galur jagung mutan menggunakan metode manipulasi genetik seperti sistem pengeditan gen CRISPR/Cas9 dan knockout gen untuk menunjukkan hubungan sebab-akibat antara faktor transkripsi dan pembentukan aerenkim kortikal akar .
“ Butuh waktu bertahun-tahun tidak hanya untuk membuat galur-galur itu, tetapi juga untuk membuat fenotipe dalam kondisi berbeda untuk memvalidasi fungsi gen ini,” katanya. “Kami menghabiskan 10 tahun untuk ini, mengonfirmasi dan memvalidasi hasil kami, untuk memastikan bahwa ini adalah gen dan faktor transkripsi spesifik yang mengontrol pembentukan aerenkim kortikal akar. Melakukan jenis pekerjaan ini di lapangan dan menggali serta menentukan fenotipe akar tanaman dewasa merupakan proses yang panjang.”
Dalam makalah tersebut, para peneliti melaporkan bahwa studi fungsional mengungkapkan bahwa galur jagung mutan dengan gen bHLH121 tersingkir dan galur mutan CRISPR/Cas9 di mana gen tersebut diedit untuk menekan fungsinya, keduanya menunjukkan penurunan pembentukan aerenkim kortikal akar. Sebaliknya, garis ekspresi berlebih menunjukkan pembentukan aerenkim kortikal akar yang jauh lebih besar jika dibandingkan dengan garis jagung tipe liar.
Karakterisasi galur-galur ini di bawah ketersediaan air dan nitrogen yang kurang optimal di beberapa lingkungan tanah mengungkapkan bahwa gen bHLH121 diperlukan untuk pembentukan aerenkim kortikal akar, menurut para peneliti. Mereka mengusulkan bahwa validasi keseluruhan dari pentingnya gen bHLH121 dalam pembentukan aerenkim kortikal akar, memberikan penanda baru bagi pemulia tanaman untuk memilih varietas dengan eksplorasi tanah yang lebih baik, dan hasilnya, dalam kondisi suboptimal.
Bagi Lynch, yang berencana pensiun dari fakultas Departemen Ilmu Tanaman pada akhir tahun ini, penelitian ini merupakan puncak dari kerja keras selama 30 tahun di Penn State.
“Temuan ini adalah hasil kerja sama banyak orang di Penn State dan dengan kami, bekerja selama bertahun-tahun,” katanya. “Kami menemukan fungsi sifat aerenkim dan kemudian gen yang terkait dengannya, Dan, itu muncul karena teknologi yang telah dirancang di sini di Penn State, seperti Shovelomics — menggali akar di lapangan — Laser Ablation Tomography and Anatomics Pipeline. Kami menggabungkan semua itu dalam pekerjaan ini.”
Hasilnya signifikan, Lynch melanjutkan, karena menemukan gen di balik sifat penting yang akan membantu tanaman memiliki toleransi kekeringan yang lebih baik dan penangkapan nitrogen dan fosfor yang lebih baik dalam menghadapi perubahan iklim.
“Itu adalah kualitas yang sangat penting – baik di sini di AS maupun di seluruh dunia,” katanya. “Kekeringan adalah risiko terbesar bagi petani jagung dan diperparah dengan perubahan iklim, dan nitrogen adalah biaya terbesar untuk menanam jagung, baik dari perspektif keuangan maupun lingkungan. Membiakkan galur jagung lebih efisien dalam mencari nutrisi akan menjadi perkembangan besar.”
Mereka yang berkontribusi pada penelitian di Penn State adalah Kathleen Brown, profesor biologi stres tanaman, sekarang sudah pensiun, Meredith Hanlon, sarjana pascadoktoral, Departemen Ilmu Tanaman; Stephanie Klein; mahasiswa doktoral dalam ilmu tanaman; dan Cody Depew, sarjana pascadoktoral, Departemen Ilmu Tumbuhan; dan Vai Lor, Shawn Kaeppler dan Xia Zhang, Departemen Agronomi dan Pusat Inovasi Tanaman Wisconsin, University of Wisconsin; Patompong Saengwilai, Departemen Biologi, Fakultas Sains, Universitas Mahidol, Bangkok, Thailand; Jayne Davis, Rahul Bhosale dan Malcolm Bennett, Future Food Beacon dan School of Biosciences, University of Nottingham, Loughborough, UK; Aditi Borkar, Sekolah Kedokteran Hewan dan Sains, Universitas Nottingham, Sutton Bonington, Inggris.
Departemen Energi AS, Yayasan Howard G Buffett, dan Institut Pangan dan Pertanian Nasional Departemen Pertanian AS mendukung penelitian ini.
Sumber: https://www.psu.edu/news/research/story/discovery-root-anatomy-gene-may-lead-breeding-more-resilient-corn-crops/