Eduardo Blumwald (kanan) dan Akhilesh Yadav, Ph.D., serta anggota tim lainnya di Universitas California, Davis, memodifikasi beras untuk mendorong bakteri tanah menghasilkan lebih banyak nitrogen yang dapat digunakan tanaman. [Trina Kleist/UC Davis]
Para peneliti menggunakan CRISPR untuk merekayasa padi guna mendorong bakteri tanah memperbaiki nitrogen yang dibutuhkan untuk pertumbuhannya. Temuan ini dapat mengurangi jumlah pupuk nitrogen yang dibutuhkan untuk bercocok tanam, menghemat miliaran dolar bagi petani Amerika setiap tahunnya, dan memberikan manfaat bagi lingkungan dengan mengurangi polusi nitrogen.
“Tanaman adalah pabrik kimia yang luar biasa,” kata Dr. Eduardo Blumwald, profesor ilmu tanaman terkemuka di Universitas California, Davis, yang memimpin penelitian ini. Timnya menggunakan CRISPR untuk meningkatkan pemecahan apigenin dalam beras. Mereka menemukan bahwa apigenin dan senyawa lain menyebabkan fiksasi nitrogen bakteri.
Karya mereka dipublikasikan di jurnal Plant Biotechnology (“Modifikasi genetik biosintesis flavonoid beras meningkatkan pembentukan biofilm dan fiksasi nitrogen biologis oleh bakteri pengikat nitrogen tanah”).
Nitrogen sangat penting untuk pertumbuhan tanaman, namun tanaman tidak dapat secara langsung mengubah nitrogen dari udara menjadi bentuk yang dapat mereka gunakan. Sebaliknya, tanaman mengandalkan penyerapan nitrogen anorganik, seperti amonia, yang diproduksi oleh bakteri di dalam tanah. Produksi pertanian didasarkan pada penggunaan pupuk yang mengandung nitrogen untuk meningkatkan produktivitas tanaman.
“Jika tanaman dapat memproduksi bahan kimia yang memungkinkan bakteri tanah memperbaiki nitrogen di atmosfer, kita dapat merekayasa tanaman untuk memproduksi lebih banyak bahan kimia tersebut,” katanya. “Bahan kimia ini mendorong bakteri tanah untuk mengikat nitrogen dan tanaman menggunakan amonium yang dihasilkan, sehingga mengurangi kebutuhan akan pupuk kimia.”
Tim Broomwald menggunakan analisis kimia dan genomik untuk mengidentifikasi senyawa dalam tanaman padi – apigenin dan flavonoid lainnya – yang meningkatkan aktivitas pengikatan nitrogen bakteri.
Mereka kemudian mengidentifikasi jalur produksi bahan kimia tersebut dan menggunakan teknologi pengeditan gen CRISPR untuk meningkatkan produksi senyawa yang merangsang pembentukan biofilm. Biofilm ini mengandung bakteri yang meningkatkan transformasi nitrogen. Akibatnya, aktivitas bakteri dalam mengikat nitrogen meningkat dan jumlah amonium yang tersedia bagi tanaman meningkat.
“Tanaman padi yang lebih baik menunjukkan peningkatan hasil gabah ketika ditanam dalam kondisi tanah yang terbatas nitrogen,” tulis para peneliti dalam makalah tersebut. “Hasil kami mendukung manipulasi jalur biosintesis flavonoid sebagai cara untuk menginduksi fiksasi nitrogen biologis dalam biji-bijian dan mengurangi kandungan nitrogen anorganik. Penggunaan pupuk. Strategi Nyata.”
Tanaman lain juga bisa menggunakan jalur ini. University of California telah mengajukan paten atas teknologi tersebut dan saat ini sedang menunggunya. Penelitian ini didanai oleh Will W. Lester Foundation. Selain itu, Bayer CropScience mendukung penelitian lebih lanjut mengenai topik ini.
“Pupuk nitrogen sangat, sangat mahal,” kata Blumwald. “Apa pun yang dapat menghilangkan biaya-biaya tersebut adalah penting. Di satu sisi, ini adalah masalah uang, namun nitrogen juga memiliki efek berbahaya terhadap lingkungan.”
Sebagian besar pupuk yang digunakan hilang dan meresap ke dalam tanah dan air tanah. Penemuan Blumwald dapat membantu melindungi lingkungan dengan mengurangi polusi nitrogen. “Hal ini dapat memberikan praktik pertanian alternatif berkelanjutan yang akan mengurangi penggunaan pupuk nitrogen berlebih,” katanya.