Tim peneliti gabungan EPFL dan Universitas Lausanne melaporkan pengamatan baru tentang mekanisme perlindungan tanaman sebagai respons terhadap stres garam. Studi ini membuka jalan penelitian baru untuk memperkuat ketahanan pangan.
Menurut Perserikatan Bangsa-Bangsa, salinisasi tanah mempengaruhi antara 20% dan 40% lahan subur di seluruh dunia, dan aktivitas manusia dan perubahan iklim – terutama naiknya permukaan air laut – sebagian besar bertanggung jawab atas proses ini. Meskipun tubuh manusia membutuhkan natrium agar dapat berfungsi, hal ini tidak terjadi pada sebagian besar tanaman. Faktanya, kelebihan garam di sekitar akar tanaman secara bertahap menghalangi akses tanaman terhadap air, menghambat pertumbuhan, meracuni, dan mempercepat kematian tanaman. Sepuluh juta hektar lahan pertanian hancur akibat salinisasi tanah setiap tahunnya, sehingga menimbulkan ancaman terhadap ketahanan pangan global.
Para ilmuwan di EPFL dan Universitas Lausanne (UNIL) dan mitra mereka di Spanyol mengamati bagaimana 'Salt Overly Sensitive 1' (SOS1), sebuah gen yang diidentifikasi pada tahun 1996, melindungi sel tanaman dari garam. Tim ahli biologi dan insinyur menghasilkan gambar yang belum pernah ada sebelumnya menggunakan mikroprobe ion CryoNanoSIMS (Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry). Dengan instrumen mikroskop kriogenik ini – satu-satunya di dunia – mereka dapat memperoleh gambar yang tepat dari lokasi penyimpanan atau penggunaan nutrisi tertentu dalam sampel sel atau jaringan. Pengamatan mereka menunjukkan bahwa, di bawah tekanan garam tingkat tinggi, pengangkut ion SOS1 tidak lagi menghilangkan natrium melainkan membantu memuatnya ke dalam struktur yang disebut vakuola di dalam sel. Pemahaman yang lebih baik terhadap mekanisme ini dan mencari tahu mengapa beberapa spesies lebih toleran terhadap natrium dibandingkan spesies lainnya, menurut para ilmuwan, memungkinkan kita mengembangkan strategi baru untuk memperkuat ketahanan pangan. Temuan mereka baru saja dipublikasikan di Alam.
Sekarang kita dapat melihat ke mana natrium diangkut pada berbagai tingkat tekanan garam – sesuatu yang sebelumnya tidak dapat kita lakukan pada resolusi ini
Priya Ramakrishna, peneliti postdoctoral di Laboratorium Geokimia Biologi (LGB) EPFL
Bukti visual pertama
“Penelitian kami memberikan bukti visual pertama, pada skala sel, tentang bagaimana tanaman melindungi dirinya dari kelebihan natrium,” kata Priya Ramakrishna, peneliti pascadoktoral di Laboratorium Geokimia Biologi (LGB) EPFL dan penulis utama makalah tersebut. “Hipotesis sebelumnya tentang mekanisme ini didasarkan pada bukti tidak langsung. Kita sekarang dapat melihat ke mana natrium diangkut pada tingkat tekanan garam yang berbeda – sesuatu yang sebelumnya tidak dapat kita lakukan pada resolusi ini.” Tim gabungan EPFL dan UNIL melakukan pengamatan dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan instrumen CryoNanoSIMS yang baru-baru ini dikembangkan, yang memungkinkan memperoleh gambar kimia jaringan biologis pada resolusi 100 nanometer, dalam hal ini pada sampel akar tanaman yang telah dibekukan dalam sekejap. rendaman nitrogen cair dan dijaga pada suhu sangat rendah dalam kondisi vakum, untuk menjaga semua elemen tetap pada tempatnya di jaringan.
Pendekatan ini memungkinkan mereka memetakan masing-masing sel tanaman dan melihat di mana unsur-unsur penting, seperti kalium, magnesium, kalsium dan natrium disimpan di ujung akar tanaman – bagian tanaman yang dikenal sebagai “meristem apikal akar” – yang mengandung sel induk. bertanggung jawab untuk pengembangan sistem akar tanaman. Pencitraan CryoNanoSIMS menunjukkan kondisi akar pada dua kondisi cekaman garam yang berbeda.
Perubahan strategi
Di bawah tekanan garam ringan, sel-sel berhasil mencegah masuknya natrium. Namun tim mengamati perubahan strategi di bawah tekanan garam yang tinggi: alih-alih mengevakuasi natrium, seperti yang diperkirakan sebelumnya, transporter SOS1 membantu menyerapnya ke dalam vakuola yang berfungsi untuk menyimpan produk yang tidak diinginkan. “Tetapi mekanisme pertahanan ini boros energi, memperlambat pertumbuhan tanaman, menghambat kinerjanya, dan pada akhirnya menyebabkan kematian jika tekanan garam terus berlanjut,” jelas Ramakrishna. Para peneliti memvalidasi pengamatan mereka dengan melakukan percobaan yang sama pada sampel mutan yang tidak memiliki gen transporter SOS1, mengungkapkan ketidakmampuannya untuk mengangkut natrium ke dalam vakuola, yang menjelaskan peningkatan sensitivitasnya terhadap garam. Mereka juga melakukan pengujian menggunakan sampel akar yang diambil dari padi – tanaman paling umum di dunia – dan menemukan bahwa, dalam kasus ini juga, natrium diangkut ke vakuola di bawah tekanan garam yang tinggi.
Dengan kolaborasi interdisipliner seperti ini, kita dapat mencocokkan lokasi dengan fungsi dan memahami mekanisme dan proses yang belum pernah diamati sebelumnya
Anders Meibom, Profesor Penuh di Universitas Lausanne dan EPFL
Mencocokkan lokasi dengan fungsinya
Bagi Ramakrishna, seorang ahli biologi tanaman yang terlatih, pencitraan kimia yang dimungkinkan oleh instrumen CryoNanoSIMS adalah sebuah terobosan baru. Dan instrumen tersebut juga dapat digunakan untuk menyelidiki bagaimana tanaman melindungi dirinya dari ancaman lain, seperti polusi logam berat dan mikroba. “Dengan kolaborasi interdisipliner seperti ini, yaitu memadukan biologi dan teknik, kita dapat mencocokkan lokasi dengan fungsi dan memahami mekanisme dan proses yang belum pernah diamati sebelumnya,” kata penulis Anders Meibom, seorang profesor di Sekolah Arsitektur, Sipil EPFL. dan Teknik Lingkungan (ENAC) dan Fakultas Geosains dan Lingkungan UNIL, yang laboratoriumnya mengembangkan instrumen CryoNanoSIMS.
Niko Geldner, salah satu penulis makalah, ketua tim peneliti di Fakultas Biologi dan Kedokteran Universitas Lausanne dan pemimpin tim Universitas Lausanne, juga antusias dengan kolaborasi ini: “Tanaman pada dasarnya bergantung pada ekstraksi nutrisi mineral dari dalam tanah, namun kami tidak pernah dapat mengamati pengangkutan dan akumulasinya dengan resolusi yang memadai. Teknologi CryoNanoSIMS akhirnya mencapai hal ini dan menjanjikan untuk mengubah pemahaman kita tentang nutrisi tanaman, melampaui masalah garam.” Profesor Christel Genoud, salah satu penulis makalah dan Direktur Pusat Pencitraan Dubochet menambahkan: “Teknik ini membuka cakrawala baru dalam pencitraan jaringan biologis dan menempatkan institusi kita sebagai pemimpin dalam hal ini”.
Referensi
Priya Ramakrishna, Francisco M. Gámez-Arjona, Etienne Bellani, Cristina Martin-Olmos, Stephane Escrig, Damien De Bellis, Anna De Luca, José M Pardo, Francisco J. Quintero, Christel Genoud, Clara Sanchez Rodriguez, Niko Geldner dan Anders Meibom , “Akumulasi natrium vakuolar yang bergantung pada SOS1 terungkap melalui pencitraan unsur cryo”, Alam, 15 Januari 2025. DOI: 10.1038/s41586-024-08403-y
