Ketergantungan pupuk sintetis sangat tinggi untuk kebutuhan pertanian. Satu sisi keberadaan pupuk sintetis secara ilmiah sudah diakui kemampuan meningkatkan hasil panen, namun di sisi lain pupuk sintetis disebut dapat menimbulkan ancaman kerusakan ekosistem tanah akibat pemakaian berlebihan. Belum lama ini para ilmuwan internasional mempublikasi hasil uji coba laboratorium pada pengurangan pemakaian pupuk kimia untuk produksi padi.
Gen “pengatur utama” yang baru diidentifikasi dalam tanaman padi dapat membantu petani menanam lebih banyak biji-bijian dengan lebih sedikit pupuk kimia ataupun organik, mengurangi tekanan pada dompet dan lingkungan.
Sebuah tim peneliti internasional terdiri dari Universitas Oxford, Universitas Pertanian Nanjing, dan Institut Genetika dan Biologi Perkembangan (Akademi Ilmu Pengetahuan China) telah menemukan bagaimana satu gen membantu menyeimbangkan akar tanaman padi dan pertumbuhan tunas ketika nitrogen, nutrisi utama tanaman, kekurangan pasokan. Dengan memanfaatkan versi gen yang lebih kuat secara alami ini, tim meningkatkan hasil padi hingga hampir 24% dalam uji coba lapangan, bahkan di bawah pengurangan penggunaan pupuk.
Temuan yang diterbitkan dalam jurnal Science, menunjukkan cara baru yang ampuh untuk meningkatkan ketahanan pangan global sambil mengurangi ketergantungan pada pupuk nitrogen sintetis, yang mahal untuk diproduksi dan merupakan sumber utama emisi gas rumah kaca dan polusi air.
Pertanian modern saat ini sangat bergantung pada pupuk nitrogen untuk mendorong hasil yang tinggi. Tetapi ketika kadar nitrogen di tanah turun, tanaman biasanya merespons dengan menyalurkan lebih banyak energi ke akar untuk mencari nutrisi, mengorbankan pertumbuhan tunas dan produksi biji-bijian. Strategi bertahan hidup itu berhasil di alam liar, tetapi membatasi panen di pertanian.
Sampai sekarang, para ilmuwan tidak tahu sakelar molekuler apa yang mengendalikan pertukaran ini. Studi baru mengidentifikasi gen dalam padi, yang disebut WRINKLED1a, sebagai pengatur pusat yang mengoordinasikan bagaimana tanaman tumbuh di atas dan di bawah tanah sebagai respons terhadap ketersediaan nitrogen.
Dalam percobaan rumah kaca dan lapangan, para peneliti menguji apa yang terjadi ketika WRINKLED1a dihidupkan atau dimatikan. Tanaman padi yang kekurangan versi fungsional gen kehilangan kemampuannya untuk meningkatkan pertumbuhan akar dalam kondisi nitrogen rendah dan juga menunjukkan pertumbuhan tunas yang lebih lemah ketika nitrogen berlimpah. Sebaliknya, tanaman yang direkayasa untuk mengekspresikan kerutan secara berlebihan WRINKLED1a tumbuh lebih kuat di akar dan pucuk dan menjaga keseimbangan yang lebih stabil di antara keduanya saat tingkat nitrogen berubah.
Untuk bergerak melampaui laboratorium dan menuju pertanian dunia nyata, tim kemudian mencari variasi alami dalam gen di seluruh varietas padi. Dengan menyaring lebih dari 3.000 kultivar, mereka menemukan versi WRINKLED1a yang diekspresikan lebih kuat. Mereka membiakkan alel yang “ditingkatkan” ini menjadi tanaman padi yang awalnya membawa bentuk gen yang lebih lemah.
Dalam tiga uji coba lapangan di provinsi Hainan dan Anhui di China, pabrik yang ditingkatkan memiliki rasio akar-ke-pucuk yang lebih stabil di berbagai kondisi nitrogen dan menghasilkan lebih banyak biji-bijian. Di bawah aplikasi pupuk nitrogen yang relatif rendah, mereka menghasilkan peningkatan hasil sebesar 23,7%. Bahkan di bawah penggunaan pupuk yang tinggi, hasil panen masih naik 19,9%.
Hasilnya menyoroti potensi gen sebagai alat untuk pertanian yang lebih berkelanjutan, menurut penulis koresponden Zhe Ji, seorang peneliti post-doctoral di Departemen Biologi dan berafiliasi dengan Calleva Research Centre di Magdalen College di Universitas Oxford.
“Studi kami dengan jelas menunjukkan bahwa regulator ini merupakan target yang menjanjikan untuk perbaikan tanaman yang berkelanjutan. Sungguh luar biasa melihat perbedaan yang dimiliki versi gen yang lebih baik terhadap hasil padi selama uji coba lapangan kami,” kata Ji dalam siaran pers.
Menggali lebih dalam tentang cara kerja WRINKLED1a, tim menunjukkan bahwa gen memainkan peran yang berbeda di berbagai bagian tanaman.
Pada tunas, WRINKLED1a bertindak sebagai aktivator, mengaktifkan gen pengatur lain yang dikenal sebagai NGR5 yang mendorong percabangan. Lebih banyak cabang dapat berarti lebih banyak lokasi untuk produksi biji-bijian. Di akar, WRINKLED1a mengaktifkan gen yang terlibat dalam penyerapan nitrogen, membantu tanaman menarik lebih banyak nutrisi dari tanah.
Gen tersebut juga mengganggu kompleks protein pada akar yang biasanya mencegah penumpukan auksin, hormon tanaman yang merangsang pertumbuhan akar. Dengan mengganggu kompleks ini hanya pada akar dan bukan pada pucuk, WRINKLED1a membantu rice menyesuaikan sistem akarnya tanpa memicu hukuman yang biasa terjadi pada pertumbuhan di atas tanah. Perilaku spesifik jaringan itu tampaknya menjadi kunci untuk menghindari trade-off klasik “lebih banyak akar, lebih sedikit tunas”.
Beras adalah makanan pokok bagi lebih dari separuh populasi dunia, dan permintaan meningkat seiring bertambahnya populasi global. Pada saat yang sama, perubahan iklim membahayakan panen padi. Studi menunjukkan bahwa setiap kenaikan suhu 1 derajat Celcius selama musim tanam padi dapat memangkas hasil panen lebih dari 8%.
Pupuk nitrogen juga merupakan salah satu biaya terbesar bagi petani padi, terkadang mencapai sekitar sepertiga dari total biaya produksi. Memproduksi dan menerapkan pupuk tersebut melepaskan gas rumah kaca dan dapat mencemari saluran air ketika kelebihan nitrogen mengalir dari ladang.
Dengan memungkinkan tanaman mempertahankan hasil tinggi dengan lebih sedikit nitrogen, strategi WRINKLED1a dapat membantu petani di daerah kaya dan berpenghasilan rendah. Bagi petani kecil yang tidak mampu membeli pupuk dalam jumlah besar, varietas dengan versi gen yang lebih kuat dapat berarti panen yang lebih andal dari lahan yang sama. Untuk produsen skala besar, hal itu dapat menurunkan biaya input dan dampak lingkungan.
Penulis utama Shan Li dari Universitas Pertanian Nanjing mencatat bahwa gen tersebut menawarkan cara untuk mendesain ulang bagaimana tanaman merespons tekanan nutrisi.
“WRINKLED1a membantu beras menghindari trade-off ‘lebih banyak akar, lebih sedikit tunas’ di bawah batasan nitrogen, mendukung hasil yang stabil dengan input nitrogen yang lebih rendah. Langkah selanjutnya adalah menyelidiki apakah gen homolog pada tanaman lain, seperti gandum dan jagung, dapat dimanfaatkan untuk mencapai hasil yang serupa,” kata Li dalam siaran pers.
Langkah selanjutnya bisa menjadi transformatif. Jika gen serupa dalam sereal utama lainnya dapat disetel dengan cara yang sama, pendekatannya dapat diperluas ke sebagian besar pasokan biji-bijian global. Para peneliti dapat menggunakan pemuliaan konvensional untuk memperkenalkan alel alami yang lebih kuat, atau menerapkan alat pengeditan gen untuk menyempurnakan aktivitas gen tanpa menambahkan DNA asing.
Setiap peluncuran yang meluas akan memerlukan lebih banyak pengujian di berbagai lingkungan, jenis tanah, dan sistem pertanian yang berbeda, serta penilaian yang cermat terhadap efek jangka panjang terhadap kesehatan tanah dan ekosistem. Tetapi penelitian ini menawarkan bukti konsep yang jelas: dengan memahami dan menyesuaikan sirkuit genetik yang mengatur bagaimana tanaman mengalokasikan sumber dayanya, dimungkinkan untuk menanam lebih banyak makanan dengan input yang lebih sedikit.
Karena tekanan iklim meningkat dan harga pupuk berfluktuasi, perolehan efisiensi semacam itu bisa menjadi sangat penting. Penemuan peran sentral WRINKLED1a dalam pertumbuhan padi memberi para ilmuwan tanaman dan pemulia pegangan baru yang tepat pada salah satu tindakan penyeimbangan tertua pertanian: bagaimana memberi makan dunia tanpa membebani planet ini.