Tumbuhan Gunakan Akarnya untuk Mengukur Konsentrasi Mangan dalam Tanah

Nationalgeographic.co.id - Setiap organisme hidup membutuhkan unsur mangan sebagai nutrisi penting. Pada tumbuhan, misalnya, ia memainkan peran utama dalam memecah air menjadi oksigen dan hidrogen selama fotosintesis.

Sebuah tim peneliti Jerman dan Tiongkok adalah yang pertama mendemonstrasikannya menggunakan model spesies selada thale (Arabidopsis thaliana), bagaimana tanaman merasakan kekurangan mangan dan proses mana yang kemudian terjadi di tanaman pada tingkat molekuler.

Para peneliti menunjukkan bahwa kelompok sel yang sampai sekarang tidak terdeteksi di akar tanaman memainkan peran yang menentukan. Para peneliti berharap bahwa hasil pekerjaan mereka di masa depan akan mengarah pada metode untuk membuat tanaman lebih tahan terhadap kekurangan mangan—suatu kondisi yang sering terjadi di tanah alkalin dan berkapur.

Jörg Kudla dari Institute of Plant Biology and Biotechnology di University of Münster (Jerman) adalah salah satu penulis utama penelitian ini dan, seperti yang dia katakan, "Ada banyak penelitian yang berfokus pada protein mana yang terlibat dalam penyerapan dan pengangkutan mangan di dalam sel. Namun bagaimana keseimbangan mangan diatur pada tingkat organisme sama sekali tidak diketahui."

Karena kalsium terlibat sebagai zat pembawa pesan dalam berbagai proses pengaturan lainnya di pabrik, para peneliti bertanya pada diri sendiri apakah kalsium juga berperan dalam mengatur keseimbangan mangan?

Tim mengidentifikasi kelompok sel khusus di akar tanaman dan memberinya nama "ceruk sensitif mangan." Tidak seperti semua sel akar lainnya, sel-sel ini menunjukkan reaksi khusus sebagai respons terhadap defisiensi mangan: konsentrasi kalsium di dalam sel naik dan turun, beberapa kali berturut-turut, selama defisiensi berlangsung. Setiap osilasi berlangsung sekitar 30 menit.

"Tidak ada yang sebelumnya mengamati osilasi multi-seluler seperti itu dalam konsentrasi kalsium yang dibangun melalui terjadinya sinyal kalsium yang terkoordinasi dalam sel-sel individu pada tanaman," kata Kudla. Hanya beberapa ratus sel bersama-sama membangun sinyal. Sel-sel epidermis—sel-sel di lapisan akar terluar—adalah yang pertama mulai meningkatkan konsentrasi kalsium. Kemudian sel-sel yang terletak lebih jauh di dalam secara bertahap mengikuti—sebelum seluruh proses kemudian dibalik.

Dalam pekerjaan sebelumnya, para peneliti yang dipimpin oleh Jörg Kudla telah menemukan dua "relung sensitif" lebih lanjut di area lain di akar—relung peka kalium dan ceruk peka natrium. Di sini juga, akar bereaksi dengan menghasilkan sinyal kalsium multiseluler dalam kelompok sel tertentu sebagai respons terhadap perubahan konsentrasi ion di lingkungan. Namun, para peneliti tidak mengamati osilasi apa pun—tidak seperti di ceruk yang sensitif terhadap mangan.

 Baca Juga: Ekstrak dari Akar Tanaman Ini Efektif Mengelola Diabetes Tipe-2

 Baca Juga: Harapan untuk Pangan: Fotosintesis Buatan Tanpa Sinar Cahaya Matahari

 Baca Juga: Langsdorffia, ‘Tanaman Vampir’ yang Mengisap Nutrisi dari Tumbuhan Lain

Dalam studi mereka saat ini, para peneliti menemukan bahwa osilasi kalsium yang dipicu oleh defisiensi mangan mengaktifkan dua enzim khusus—yang disebut Calcium-Dependent Protein Kinases (CPK21 dan CPK23)—dan bahwa kedua enzim ini, merangsang penyerapan dari mangan. "Saat kinase membebaskan dirinya dari kalsium, dan ini kembali menjadi tidak aktif. Hipotesis kami adalah bahwa setiap osilasi memulai proses ini lagi—sampai tanaman mencapai penyerapan mangan yang cukup," kata Kudla.

Pengangkut mangan NRAMP1, yang bertanggung jawab untuk mengangkut mangan ke dalam sel akar, adalah bagian dari proses. Protein kinase CPK21 dan CPK23 berinteraksi dengan transporter ini dan mengatur penyerapan mangan dengan memfosforilasi satu asam amino tertentu yang disebut Thr498.

Untuk menunjukkan terjadinya sinyal kalsium, para peneliti menggunakan mikroskop resolusi tinggi. Maka untuk pertama kalinya, biosensor kalsium molekul ultra-sensitif digunakan. Biosensor umumnya memvisualisasikan perubahan konsentrasi zat bioaktif seperti kalsium dalam sel dan jaringan. Tim menggabungkan studi ini, yang melibatkan "teknologi biosensor in vivo," dengan metode genetik, biologi sel dan biokimia untuk memperjelas mekanisme molekuler yang mendasarinya.

Hasil studi ini telah dipublikasikan di jurnal PNAS pada 26 September dengan judul "Ca 2+ -dependent phosphorylation of NRAMP1 by CPK21 and CPK23 facilitates manganese uptake and homeostasis in Arabidopsis."

PROMOTED CONTENT