Para peneliti telah menunjukkan bahwa mesin genetik yang bertanggung jawab atas fiksasi nitrogen biologis dapat ditransfer ke strain bakteri baru, memberikan pemahaman yang lebih jelas tentang bagaimana sifat penting pertanian ini menyebar di alam dan berpotensi membuka jalan baru untuk mengurangi ketergantungan pertanian pada pupuk nitrogen sintetis.
Temuannya, dipublikasikan diBiologi Saat Inipada tanggal 28 Mei, fokus pada rhizobia liar-bakteri tanah yang membentuk hubungan simbiosis dengan tanaman polong-polongan seperti kacang polong dan buncis. Bakteri ini mengubah nitrogen di atmosfer menjadi bentuk yang dapat digunakan tanaman, sehingga legum dapat tumbuh dengan sedikit atau tanpa pupuk nitrogen eksternal. Para ilmuwan mengatakan penelitian ini menyoroti bagaimana gen yang mengatur simbiosis ini dapat diperoleh oleh garis keturunan bakteri yang sebelumnya tidak memiliki kemampuan tersebut, sebuah langkah kunci menuju perluasan fiksasi nitrogen biologis ke tanaman lain.
Memahami dasar genetik simbiosis
Penelitian yang dipimpin oleh Angeliqua P. Montoya dan rekannya, meneliti genomik evolusioner dari hubungan endosimbiotik yang baru muncul pada rhizobia liar. Dengan melacak pergerakan gen pengikat nitrogen di antara populasi bakteri, para peneliti dapat mengidentifikasi jalur genetik yang memungkinkan bakteri menjalin kemitraan yang sukses dengan tanaman.
Fiksasi nitrogen pada kacang-kacangan bergantung pada bintil akar khusus, tempat rhizobia menerima karbohidrat dari tanaman inang sebagai ganti nitrogen yang terikat secara biologis. Meskipun hubungan ini telah berkembang secara alami selama jutaan tahun, para ilmuwan telah lama mencari cara untuk mereplikasi sistem serupa pada tanaman non-kacang-kacangan.
Penelitian ini memberikan bukti baru bahwa sifat genetik yang diperlukan untuk simbiosis dapat menyebar ke seluruh garis keturunan bakteri, sehingga menunjukkan bahwa evolusi kemitraan-pengikat nitrogen mungkin lebih fleksibel daripada yang dipahami sebelumnya. Temuan tersebut dapat membantu para peneliti mengidentifikasi prasyarat genetik yang diperlukan untuk membangun hubungan serupa pada bakteri yang terkait dengan tanaman serealia.
Mengapa terobosan ini penting bagi pasar pupuk
Pentingnya fiksasi nitrogen biologis melampaui biologi tanaman. Sebagian besar tanaman pokok utama dunia-termasuk gandum, jagung, dan beras-tidak dapat mengikat nitrogen di atmosfer dan oleh karena itu sangat bergantung pada pupuk nitrogen yang dihasilkan melalui proses Haber-Bosch.
Pembuatan amonia, bahan dasar pupuk nitrogen, adalah salah satu proses industri{0}}yang paling intensif energi secara global dan masih sangat rentan terhadap biaya gas alam, gangguan geopolitik, dan pembatasan perdagangan. Gejolak pasar pupuk yang terjadi baru-baru ini, termasuk kekhawatiran pasokan yang terkait dengan rute pengiriman ke Timur Tengah dan pengendalian ekspor dari negara-negara produsen pupuk utama, telah memperbarui minat terhadap teknologi yang dapat mengurangi ketergantungan pada nitrogen sintetis.
Jika tanaman serealia dapat memperoleh sebagian besar kebutuhan nitrogennya melalui fiksasi biologis, maka-implikasi jangka panjangnya terhadap permintaan pupuk bisa sangat besar. Meskipun transisi tersebut masih jauh, hal ini telah menarik investasi yang signifikan dari perusahaan bioteknologi pertanian, pengembang masukan biologis, dan pemasok nutrisi-tanaman utama yang mencari solusi pengelolaan nutrisi-yang lebih berkelanjutan.
Membangun kemajuan sebelumnya
Studi baru ini menambah kumpulan penelitian yang bertujuan untuk memahami mekanisme molekuler yang mengatur simbiosis mikroba{0}}tanaman. Investigasi sebelumnya telah mengidentifikasi protein tanaman spesifik, jalur sinyal, dan respons yang dimediasi kalsium yang menentukan apakah tanaman menerima atau menolak bakteri pengikat nitrogen.
Para peneliti telah menunjukkan bukti-modifikasi-konsep pada tanaman model dan beberapa spesies sereal, termasuk jelai, yang menunjukkan bahwa komponen jaringan sinyal simbiosis dapat dimanipulasi. Namun, mencapai fiksasi nitrogen yang andal dan bernilai ekonomis pada tanaman serealia utama tetap menjadi salah satu tujuan paling ambisius dalam ilmu pertanian.
Temuan Current Biology memberikan perspektif yang saling melengkapi dengan berfokus pada sisi hubungan mikroba, mengungkap bagaimana kemampuan-pengikat nitrogen muncul dan menyebar di antara populasi bakteri di lingkungan alami.
Penerapan secara komersial masih memerlukan waktu bertahun-tahun lagi
Meskipun ada kemajuan ilmiah, para peneliti mengingatkan bahwa penerapan praktis pada pertanian tetap menjadi tujuan{0}jangka panjang. Mendemonstrasikan transfer gen dan kemampuan simbiosis dalam sistem bakteri liar merupakan tonggak sejarah ilmiah yang penting, namun tantangan besar masih tetap ada sebelum penemuan tersebut dapat diterjemahkan ke dalam produk komersial.
Sektor pupuk hayati telah menarik banyak modal ventura dan investasi perusahaan selama dekade terakhir, namun industri ini juga mengalami kemunduran karena perusahaan kesulitan untuk mereproduksi hasil laboratorium secara konsisten di kondisi lapangan. Mencapai kolonisasi yang stabil, tingkat fiksasi nitrogen yang memadai, dan keuntungan ekonomi bagi petani masih merupakan tantangan yang kompleks.
Akibatnya, temuan terbaru ini sepertinya tidak akan berdampak langsung terhadap permintaan pupuk. Sebaliknya, mereka berkontribusi pada landasan ilmiah yang berkembang yang pada akhirnya dapat mendukung pengembangan-teknologi mikroba generasi berikutnya yang dirancang untuk melengkapi atau menggantikan sebagian aplikasi nitrogen sintetis.
Langkah selanjutnya bagi peneliti
Tahap penelitian berikutnya akan fokus pada apakah mekanisme genetik yang diidentifikasi pada rhizobia liar dapat dimasukkan ke dalam spesies bakteri yang secara alami berasosiasi dengan akar tanaman serealia. Para ilmuwan kemudian harus menentukan apakah komunitas mikroba hasil rekayasa ini dapat menyediakan cukup nitrogen yang terfiksasi secara biologis untuk memberikan manfaat agronomi yang terukur dalam kondisi pertanian komersial.
Keberhasilan ini mencerminkan perubahan besar dalam nutrisi tanaman, yang berpotensi memungkinkan petani mengurangi penggunaan pupuk sambil mempertahankan hasil panen. Namun, untuk saat ini, upaya ini masih merupakan langkah awal namun penting menuju salah satu tujuan pertanian-yang paling dicari: memungkinkan tanaman sereal utama mengakses nitrogen melalui kemitraan biologis daripada bergantung sepenuhnya pada pupuk buatan pabrik.
