Sebuah tim ilmuwan yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi telah menemukan gen spesifik yang mengontrol hubungan simbiosis penting antara tanaman dan jamur tanah, dan berhasil memfasilitasi simbiosis pada tanaman yang biasanya menolaknya. Penemuan ini dapat mengarah pada pengembangan bioenergi dan tanaman pangan yang dapat bertahan dalam kondisi pertumbuhan yang keras, melawan patogen dan hama, membutuhkan lebih sedikit pupuk kimia, dan menghasilkan tanaman yang lebih besar dan lebih banyak per acre.
Para ilmuwan dalam beberapa tahun terakhir telah mengembangkan pemahaman yang lebih dalam tentang hubungan kompleks tanaman dengan jamur mikoriza. Ketika mereka bersatu, jamur membentuk selubung di sekitar akar tanaman dengan manfaat yang luar biasa. Struktur jamur memanjang jauh dari inang tanaman, meningkatkan serapan nutrisi dan bahkan berkomunikasi dengan tanaman lain untuk “memperingatkan” penyebaran patogen dan hama. Sebagai imbalannya, tanaman memberi makan karbon ke jamur, yang mendorong pertumbuhannya.
Simbiosis mikoriza ini diyakini telah mendukung kolonisasi kuno tanah oleh tanaman, memungkinkan ekosistem yang sukses seperti hutan dan padang rumput yang luas. Diperkirakan 80% spesies tanaman memiliki jamur mikoriza yang terkait dengan akarnya.
“Jika kita dapat memahami mekanisme molekuler yang mengontrol hubungan antara tanaman dan jamur yang menguntungkan, maka kita dapat mulai menggunakan simbiosis ini untuk memperoleh kondisi spesifik pada tanaman seperti ketahanan terhadap kekeringan, patogen, peningkatan serapan nitrogen dan nutrisi, dan banyak lagi,” kata ORNL ahli genetika molekuler Jessy Labbe. “Tanaman yang dihasilkan akan tumbuh lebih besar dan membutuhkan lebih sedikit air dan pupuk, misalnya.”
Menemukan pemicu genetik pada tanaman yang memungkinkan terjadinya simbiosis telah menjadi salah satu topik yang paling menantang di bidang tanaman. Penemuan tersebut, dijelaskan dalam Tanaman Alam , muncul setelah 10 tahun penelitian di ORNL dan lembaga mitra yang mencari cara untuk menghasilkan tanaman bahan baku bioenergi yang lebih baik seperti Populus , atau pohon poplar. Pekerjaan ini diselesaikan dengan peningkatan selama dekade terakhir dalam pengurutan genomik, genetika kuantitatif, dan komputasi berperforma tinggi, dikombinasikan dengan biologi eksperimental.
Para ilmuwan sedang mempelajari simbiosis yang dibentuk oleh spesies tertentu dari Populus dan jamur Laccaria bicolor (L. bicolor) . Tim menggunakan sumber daya superkomputer di Oak Ridge Leadership Computing Facility, fasilitas pengguna DOE Office of Science di ORNL, bersama dengan sekuens genom yang diproduksi di DOE Joint Genome Institute, fasilitas pengguna DOE Office of Science di Lawrence Berkeley National Laboratory, untuk mempersempit menurunkan pencarian ke protein reseptor tertentu, PtLecRLK1. Setelah mereka mengidentifikasi kemungkinan gen kandidat, para peneliti pergi ke lab untuk memvalidasi temuan mereka.
Para peneliti memilih Arabidopsis , tanaman yang secara tradisional tidak berinteraksi dengan jamur L. dua warna , dan bahkan menganggapnya sebagai ancaman, untuk eksperimen mereka. Mereka menciptakan versi tanaman yang direkayasa yang mengekspresikan protein PtLecRLK1, dan kemudian menyuntik tanaman dengan jamur. Jamur L. dua warna benar-benar menyelimuti ujung akar tanaman, membentuk selubung jamur yang menunjukkan pembentukan simbiosis.
“Kami menunjukkan bahwa kami dapat mengubah non-inang menjadi inang dari simbion ini,” kata ahli genetika kuantitatif ORNL Wellington Muchero. “Jika kita bisa membuat Arabidopsis berinteraksi dengan jamur ini, maka kami yakin kami dapat membuat tanaman biofuel lain seperti switchgrass, atau tanaman pangan seperti jagung juga berinteraksi dan memberikan manfaat yang sama persis. Ini membuka segala macam peluang dalam sistem tanaman yang beragam. Anehnya, hanya satu gen yang Anda butuhkan.”
“Ini adalah pencapaian luar biasa yang dapat mengarah pada pengembangan tanaman bioenergi dengan kemampuan bertahan dan berkembang di lahan non-pertanian marginal,” kata direktur CBI Jerry Tuskan. “Kami dapat menargetkan sebanyak 20-40 juta hektar lahan marjinal dengan tanaman bioenergi keras yang membutuhkan lebih sedikit air, meningkatkan prospek keberhasilan ekonomi pedesaan berbasis bio yang memasok alternatif berkelanjutan untuk bensin dan bahan baku industri.”
