Terima kasih untuk artikel ini, pergi ke Diana Yates, Editor Ilmu Hayati, Biro Berita Universitas Illinois
Ilmuwan pertanian yang mempelajari perubahan iklim sering berfokus pada bagaimana peningkatan kadar karbon dioksida di atmosfer akan memengaruhi hasil panen. Namun kenaikan suhu cenderung memperumit gambaran tersebut, lapor para peneliti dalam ulasan baru tentang topik tersebut.
Diterbitkan di Journal of Experimental Botany, ulasan ini mengeksplorasi bagaimana suhu yang lebih tinggi memengaruhi pertumbuhan dan kelangsungan hidup tanaman meskipun ketersediaan CO di atmosfer lebih besar2 , komponen kunci dari fotosintesis. Panas yang berlebihan dapat mengurangi efisiensi enzim yang mendorong fotosintesis dan dapat menghambat kemampuan tanaman untuk mengatur CO2 , serapan dan kehilangan air, tulis para peneliti. Fitur struktural dapat membuat tanaman lebih – atau kurang – rentan terhadap tekanan panas. Atribut ekosistem – seperti ukuran dan kerapatan tanaman, susunan daun pada tanaman atau kondisi atmosfer setempat – juga memengaruhi pengaruh panas terhadap hasil panen.
Tinjauan tersebut menjelaskan upaya ilmiah terbaru untuk mengatasi tantangan ini.
“Penting untuk memiliki pemahaman tentang masalah ini dalam berbagai skala – dari biokimia daun individu hingga pengaruh tingkat ekosistem – untuk benar-benar mengatasi masalah ini dengan cara yang terinformasi,” kata penulis utama Caitlin Moore , peneliti di University of Western Australia dan peneliti afiliasi di Institut Keberlanjutan, Energi, dan Lingkungan di Universitas Illinois Urbana-Champaign. Moore memimpin ulasan dengan Amanda Cavanagh , alumni U. of I. lainnya sekarang di University of Essex di Inggris.
“Secara historis, ada banyak fokus pada peningkatan CO2 dan dampaknya terhadap tanaman,” kata rekan penulis Carl Bernacchi , seorang profesor biologi tumbuhan dan ilmu tanaman dan afiliasi dari Carl R. Woese Institute for Genomic Biology di U. of I. “Dan ini merupakan faktor penting, karena kita mengubah konsentrasi karbon dioksida secara besar-besaran. Tapi itu adalah bagian kecil dari cerita yang lebih besar. Begitu Anda memasukkan perubahan suhu ke dalam campuran, itu benar-benar mengacaukan pemahaman kita tentang bagaimana tanaman akan merespons.”
Ambil Rubisco, enzim kunci yang memperbaiki karbon dioksida menjadi gula, memungkinkan kehidupan di Bumi, kata Cavanagh. “Rubisco mempercepat saat suhu meningkat, tetapi juga cenderung membuat kesalahan.”
Alih-alih memperbaiki karbon dioksida dengan mengikatnya ke gula, langkah kunci dalam fotosintesis, Rubisco terkadang memperbaiki oksigen, memulai jalur berbeda yang menyia-nyiakan sumber daya tanaman. Temperatur yang lebih tinggi membuat ini lebih mungkin terjadi, kata Cavanagh. Bahkan pada suhu yang lebih tinggi, enzim akan mulai kehilangan integritas strukturalnya, membuatnya tidak efektif.
Panas yang berlebihan juga dapat merusak hasil reproduksi tanaman. Enzim peka panas lainnya sangat penting untuk mesin pemanen cahaya tanaman atau berperan dalam memindahkan gula ke jaringan tanaman yang berbeda, memungkinkan tanaman untuk tumbuh dan menghasilkan biji-bijian atau buah-buahan.
“Jika mesin molekul kecil ini didorong keluar dari kisaran suhu optimal, maka mereka tidak dapat melakukan tugasnya,” kata Cavanagh.
Ketika suhu naik terlalu tinggi, daun tumbuhan membuka pori-pori di permukaannya, yang disebut stomata, untuk mendinginkan diri. Stomata juga memungkinkan tanaman menyerap karbon dioksida dari atmosfer, tetapi jika terbuka penuh, daun dapat kehilangan terlalu banyak kelembapan.
"Suhu mempengaruhi atmosfer di atas pabrik," kata Moore. “Saat atmosfer memanas, ia dapat menampung lebih banyak air, sehingga menarik lebih banyak air dari tumbuhan.”
Para ilmuwan di Illinois dan di tempat lain sedang mencari cara untuk meningkatkan ketahanan tanaman pangan dalam menghadapi perubahan ini. Moore, yang pekerjaannya berfokus pada faktor skala ekosistem, mengatakan bahwa alat baru yang dapat membantu menyaring tanaman dalam skala besar sangat penting untuk upaya tersebut. Misalnya, satelit yang dapat mendeteksi perubahan fluoresensi klorofil pada tumbuhan dapat menunjukkan apakah suatu tanaman berada di bawah tekanan panas. Perubahan fluoresensi ini dapat dideteksi sebelum tanaman menunjukkan tanda-tanda luar dari tekanan panas – seperti daunnya berubah menjadi coklat. Mengembangkan alat ini memungkinkan petani untuk merespons stres panen lebih cepat sebelum terlalu banyak kerusakan terjadi.
Cavanagh, yang mempelajari biologi molekuler dan fisiologi tanaman, mengatakan beberapa tanaman lebih toleran terhadap panas daripada yang lain, dan para ilmuwan sedang menelusuri genom mereka untuk mencari petunjuk keberhasilannya.
“Misalnya, Anda dapat melihat padi kerabat liar Australia yang tumbuh di iklim yang jauh lebih keras daripada kebanyakan padi,” katanya. “Dan Anda melihat bahwa enzim mereka siap untuk bekerja lebih efisien pada suhu yang lebih panas.”
Salah satu tujuannya adalah untuk mentransfer gen tahan panas ke varietas padi budidaya yang lebih rentan terhadap cekaman panas.
Strategi lainnya mencakup struktur teknik yang memompa lebih banyak CO2 , ke lokasi fiksasi karbon untuk meningkatkan efisiensi Rubisco; mengubah sifat pengumpulan cahaya daun di bagian atas dan bawah tanaman untuk meratakan distribusi sinar matahari dan menjaga tingkat kelembapan; dan mengubah kerapatan stomata untuk meningkatkan kontrolnya terhadap CO2 , masuknya dan hilangnya kelembaban.
Kolaborasi antara para ilmuwan yang berfokus pada berbagai skala ekosistem dan fungsi tanaman – dari atmosfer hingga molekul – sangat penting untuk keberhasilan upaya membangun ketahanan pada tanaman pangan, kata para peneliti.
“Dunia semakin panas dengan kecepatan yang mengejutkan,” kata Cavanagh. “Dan kami tahu dari model global bahwa setiap kenaikan suhu kotor derajat Celcius dapat menyebabkan 3% hingga 7% kehilangan hasil dari empat tanaman utama kami. Jadi, itu bukan sesuatu yang bisa kita abaikan.
“Apa yang membuat saya optimis adalah kesadaran bahwa begitu banyak pekerjaan yang dilakukan untuk menyelesaikan masalah ini secara global,” katanya.
Cavanagh dan Bernacchi adalah afiliasi dari proyek Mewujudkan Peningkatan Efisiensi Fotosintetik di U. of I. Moore juga merupakan afiliasi dari Center for Advanced Bioenergy dan Bioproducts Innovation di Illinois. Bernacchi adalah ahli fisiologi tanaman penelitian untuk Departemen Pertanian AS, Layanan Penelitian Pertanian.
Makalah “Pengaruh peningkatan suhu pada fotosintesis tanaman:Dari enzim hingga ekosistem” tersedia online dan dari U. dari I. Biro Berita.
