Dr. Eduardo Blumwald (kanan) dan Akhilesh Yadav, Ph.D., serta anggota tim mereka lainnya di Universitas California, Davis, memodifikasi padi untuk mendorong bakteri tanah menghasilkan lebih banyak nitrogen yang dapat digunakan tanaman. [Trina Kleist/UC Davis]
Para peneliti menggunakan CRISPR untuk merekayasa padi agar mendorong bakteri tanah untuk mengikat nitrogen yang dibutuhkan untuk pertumbuhannya. Temuan ini dapat mengurangi jumlah pupuk nitrogen yang dibutuhkan untuk menanam tanaman, menghemat miliaran dolar bagi petani Amerika setiap tahunnya dan bermanfaat bagi lingkungan dengan mengurangi polusi nitrogen.
“Tumbuhan adalah pabrik kimia yang luar biasa,” kata Dr. Eduardo Blumwald, profesor terkemuka ilmu tumbuhan di Universitas California, Davis, yang memimpin penelitian ini. Timnya menggunakan CRISPR untuk meningkatkan penguraian apigenin pada padi. ​​Mereka menemukan bahwa apigenin dan senyawa lain menyebabkan fiksasi nitrogen bakteri.
Karya mereka diterbitkan dalam jurnal Plant Biotechnology (“Modifikasi genetik biosintesis flavonoid padi meningkatkan pembentukan biofilm dan fiksasi nitrogen biologis oleh bakteri pengikat nitrogen tanah”).
Nitrogen sangat penting untuk pertumbuhan tanaman, tetapi tanaman tidak dapat secara langsung mengubah nitrogen dari udara menjadi bentuk yang dapat mereka gunakan. Sebagai gantinya, tanaman bergantung pada 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 menghasilkan bahan kimia yang memungkinkan bakteri tanah untuk mengikat nitrogen atmosfer, kita dapat merekayasa tanaman untuk menghasilkan lebih banyak bahan kimia ini,” 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 genomika untuk mengidentifikasi senyawa dalam tanaman padi – apigenin dan flavonoid lainnya – yang meningkatkan aktivitas fiksasi nitrogen bakteri tersebut.
Mereka kemudian mengidentifikasi jalur untuk memproduksi 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 fiksasi nitrogen bakteri meningkat dan jumlah amonium yang tersedia untuk tanaman pun meningkat.
“Tanaman padi hasil perbaikan menunjukkan peningkatan hasil panen ketika ditanam dalam kondisi tanah yang kekurangan nitrogen,” tulis para peneliti dalam makalah tersebut. “Hasil kami mendukung manipulasi jalur biosintesis flavonoid sebagai cara untuk menginduksi fiksasi nitrogen biologis pada biji-bijian dan mengurangi kandungan nitrogen anorganik. Penggunaan Pupuk. Strategi Nyata.”
Tanaman lain juga dapat menggunakan jalur ini. Universitas California telah mengajukan paten atas teknologi ini dan saat ini sedang menunggu persetujuannya. Penelitian ini didanai oleh Yayasan Will W. Lester. Selain itu, Bayer CropScience mendukung penelitian lebih lanjut tentang topik ini.
“Pupuk nitrogen sangat, sangat mahal,” kata Blumwald. “Apa pun yang dapat menghilangkan biaya tersebut sangat penting. Di satu sisi, ini soal uang, tetapi nitrogen juga memiliki efek berbahaya bagi lingkungan.”
Sebagian besar pupuk yang diaplikasikan hilang, meresap ke dalam tanah dan air tanah. Penemuan Blumwald dapat membantu melindungi lingkungan dengan mengurangi polusi nitrogen. “Ini dapat memberikan praktik pertanian alternatif yang berkelanjutan yang akan mengurangi penggunaan pupuk nitrogen berlebih,” katanya.