Para peneliti di Universitas Aarhus telah mengidentifikasi tujuh senyawa akar gandum alami yang menekan bakteri nitrifikasi tanah sama kuatnya dengan penghambat nitrifikasi sintetik, sehingga membuka jalur perkembangbiakan potensial menuju varietas gandum yang dapat mempertahankan lebih banyak nitrogen tanpa memerlukan masukan kimia tambahan atau pengorbanan hasil.
Masalah nitrogen yang terus dihadapi oleh pertanian
Kurang dari separuh nitrogen yang digunakan sebagai pupuk benar-benar diserap oleh tanaman, dan sisanya hilang melalui pencucian ke saluran air atau emisi gas ke atmosfer dalam bentuk dinitrogen oksida, yang merupakan gas rumah kaca yang kuat. Selama berpuluh-puluh tahun, respons utama yang diberikan adalah batasan peraturan pada tingkat penggunaan dan penghambat nitrifikasi sintetik, yaitu bahan kimia yang memperlambat konversi mikroba dari amonium menjadi nitrat namun mahal, memerlukan penggunaan berulang, dan dapat memengaruhi organisme tanah non-target.
Tim Aarhus, yang dipimpin oleh peneliti pascadoktoral Purna Kumar Khatri, menyelidiki apakah gandum itu sendiri dapat melakukan fungsi serupa secara biologis. Pekerjaan mereka berpusat pada penghambatan nitrifikasi biologis, sebuah proses di mana akar tanaman melepaskan senyawa alami yang menekan mikroba nitrifikasi yang bertanggung jawab untuk mengubah amonium menjadi bentuk nitrat-yang lebih rentan terhadap pencucian.
Apa itu benzoxazinoids?
Benzoxazinoid adalah metabolit sekunder yang diproduksi secara alami oleh tanaman sereal termasuk gandum, jagung, dan gandum hitam, yang secara tradisional dipelajari perannya dalam pertahanan tanaman terhadap serangga, gulma, dan nematoda. Para peneliti Aarhus menyaring 18 senyawa benzoxazinoid yang berbeda menggunakan uji bioluminesensi dengan Nitrosomonas europaea, model bakteri nitrifikasi, dan menemukan tujuh - termasuk BOA, MBOA, DIBOA dan DIMBOA - yang mampu menekan nitrifikasi dengan kuat pada konsentrasi yang relatif rendah. Karena senyawa-senyawa ini diproduksi dan dilepaskan oleh tanaman itu sendiri dan bukan digunakan secara eksternal, maka senyawa-senyawa ini menawarkan mekanisme penghantaran yang secara fundamental berbeda dari inhibitor sintetik: pelepasan secara terus-menerus dan terlokalisasi tepat di mana dan kapan tanaman perlu melindungi nitrogen yang tersedia.
Garis gandum yang direkayasa menunjukkan bahwa efeknya dapat diperkuat
Studi tersebut membandingkan garis induk gandum konvensional dengan dua garis gandum yang membawa fragmen kromosom dari Leymus racemosus, rumput liar yang dikenal dapat meningkatkan sifat penghambatan nitrifikasi biologis. Tumbuh secara hidroponik, galur yang ditingkatkan melepaskan konsentrasi benzoxazinoids aktif yang jauh lebih tinggi dibandingkan galur induknya, dan eksudat akarnya menekan nitrifikasi hingga dua kali lebih kuat - hasil yang berkorelasi langsung dengan konsentrasi senyawa yang lebih tinggi yang diukur.
Hasil pemodelan yang dikutip oleh para peneliti menunjukkan bahwa tanaman yang diaktifkan-nitrifikasi-penghambatan-biologis dapat mengurangi kehilangan nitrogen sebesar 20% hingga 30%, dan uji coba lapangan awal menunjukkan tidak ada penalti hasil yang terkait dengan sifat tersebut, yang berarti petani pada prinsipnya dapat menerapkan lebih sedikit pupuk sambil memanen volume biji-bijian yang sebanding. Khatri mengatakan besarnya peluang ini sangat signifikan bahkan dengan peningkatan efisiensi yang kecil: "Jika Anda dapat meningkatkan efisiensi penggunaan nitrogen-bahkan sepuluh persen dalam kondisi lapangan nyata, penghematan mutlak dalam pupuk dan emisi sangatlah besar."
Dari kimia hingga target pembiakan
Sasaran-jangka panjangnya adalah menerjemahkan temuan kimia ini ke dalam strategi pemuliaan: setelah peneliti mengidentifikasi jalur biosintetik mana yang menghasilkan senyawa penghambat nitrifikasi-yang paling efektif, pemulia tanaman dapat memilih varietas gandum yang menunjukkan sifat-sifat tersebut dengan lebih kuat, tanpa mengharuskan petani mengubah praktik atau membeli input baru. Penelitian ini merupakan bagian dari proyek CropSustain internasional yang lebih luas, di mana kelompok penelitian paralel mempelajari bagaimana sifat-sifat ini memengaruhi mikrobioma tanah dan organisme non-target dalam jangka waktu yang lebih lama - sebuah pertanyaan yang penting untuk penerapan peraturan dan komersial meskipun biologi yang mendasarinya terbukti kuat.
Temuan ini muncul ketika pasar nitrogen global masih bergejolak menyusul gangguan Selat Hormuz, yang menyebabkan harga urea mendekati-rekor tertinggi pada awal tahun ini sebelum terjadi koreksi parsial. Meskipun jadwal pemuliaan untuk varietas gandum yang menghambat nitrifikasi-berjalan dalam jangka waktu-tahun dan bukan memberikan bantuan langsung, penelitian ini menambah semakin banyak alternatif biologis - bersama dengan produk pengikat nitrogen mikroba-yang sudah dikomersialkan oleh perusahaan termasuk Pivot Bio - yang secara bertahap dapat mengurangi ketergantungan struktural sektor pertanian pada masukan nitrogen sintetis.
Penelitian yang bertajuk "Benzoxazinoids sebagai senyawa kandidat untuk penghambatan nitrifikasi biologis pada gandum," dipublikasikan di Plant Physiology and Biochemistry dan dilakukan bekerja sama dengan Universitas Kopenhagen, Universitas Aberdeen, dan Pusat Peningkatan Jagung dan Gandum Internasional Meksiko (CIMMYT), yang menyediakan bahan awal untuk uji coba tersebut.
