Teknik Tanaman Optimalkan Fotosintesis dalam Perubahan Kondisi Cahaya

Nationalgeographic.co.id - Untuk penelitian, tanaman seringnya ditanam di bawah pencahayaan yang stabil, yang tidak mencerminkan kondisi alam.

Peneliti dari Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology di Potsdam-Golm (Jerman) dan College of Natural Science di Michigan State University (AS) melakukan serangkaian percobaan dengan mengubah kondisi cahaya. Ini menyimulasikan interaksi alami antara cahaya dan bayangan. Penelitian tersebut berhasil mengungkapkan pentingnya dua protein kunci untuk kontrol dinamis fotosintesis.

Tumbuhan melakukan fotosintesis untuk tumbuh. Dalam proses ini mereka menggunakan energi dari sinar matahari, melepaskan oksigen, dan menghasilkan karbohidrat yang merupakan sumber makanan pokok bagi semua manusia dan hampir semua hewan di bumi.

Dalam kondisi alami, ketersediaan cahaya dapat berubah dengan cepat dalam waktu yang sangat singkat. Salah satu alasan utamanya adalah awan yang memberikan cahaya dan bayangan saat melintas di depan matahari. Daun dan dahan tanaman juga dapat memberikan keteduhan sementara saat digerakkan oleh angin. Tumbuhan tidak dapat berpindah dari naungan ke matahari ketika cahaya terbatas, dan sebaliknya, tidak dapat menghindari matahari ke naungan ketika terkena terlalu banyak sinar matahari. Mereka harus menanggapi perubahan kondisi cahaya itu dengan cara lain.

Sama seperti manusia, terlalu banyak terkena sinar matahari berbahaya bagi tanaman. Secara khusus, perubahan cepat antara cahaya redup dan intens bermasalah. Seperti retina di mata kita, tumbuhan juga menggunakan molekul di daunnya untuk menangkap partikel cahaya. Saat cahaya redup, perangkap cahaya ini sangat efisien dalam menangkap cahaya redup sebanyak mungkin. Jika kondisi cahaya tiba-tiba berubah, terlalu banyak energi cahaya yang mencapai tanaman. Energi ini dapat membebani atau merusak peralatan fotosintesis yang sensitif di dalam sel tumbuhan. Oleh karena itu, tanaman harus secara konstan menyesuaikan aktivitas fotosintesisnya dengan kondisi lingkungannya untuk mendapatkan hasil cahaya maksimum di satu sisi, tetapi di sisi lain menghindari kerusakan akibat terlalu banyak cahaya.

Saat ini, tanaman di rumah kaca dan laboratorium ditanam hampir secara eksklusif di bawah kondisi cahaya yang stabil dan seragam. Oleh karena itu, pemahaman kita tentang cara kerja adaptasi terhadap perubahan kondisi cahaya sangat terbatas. Dalam kasus terburuk, hal ini dapat menyebabkan tanaman yang tumbuh dengan baik di laboratorium dan rumah kaca tetapi tiba-tiba berkinerja jauh lebih buruk dari yang diharapkan saat dibudidayakan di lapangan.

Para peneliti di sekitar Ute Armbruster dari Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology di Potsdam-Golm dan David Kramer dari College of Natural Science di Michigan State University (AS) meneliti tanaman model Arabidopsis thaliana untuk studi mereka. Tanaman ditanam dalam berbagai kondisi termasuk cahaya statis, berfluktuasi, dan alami.

Studi ini berfokus pada dua protein transpor ion yang disebut VCCN1 dan KEA3 yang memainkan peran kunci dalam menyesuaikan kinerja fotosintesis secara dinamis. Diketahui dari penelitian sebelumnya bahwa VCCN1 mengaktifkan pelindung matahari jika cahaya tiba-tiba menjadi terlalu kuat. Saat intensitas cahaya berkurang, protein kedua KEA3 dengan cepat memecah pelindung matahari ini sehingga tanaman dapat menangkap lebih banyak cahaya lagi. Namun, kedua protein VCCN1 dan KEA3 belum pernah diteliti dalam kondisi cahaya yang realistis.

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

Baca Juga: Kedelai Transgenik, Meningkatkan Efisiensi Fotosintesis dan Hasil

Baca Juga: Teknologi Ini Hasilkan Bahan Bakar Ramah Lingkungan dengan Fotosintesis Buatan

Para peneliti menggunakan pendekatan baru yang inovatif untuk mengukur fotosintesis dalam kombinasi dengan target penggunaan KO gen—yaitu tanaman yang memiliki gen untuk VCCN1 dan KEA3 telah dimatikan. Mereka menunjukkan bahwa aktivitas protein VCCN1 dan KEA3 bergantung pada kondisi cahaya tempat tanaman dibesarkan.

Mengikuti saran dari Kepala Kelompok Infrastruktur Budidaya Tanaman, Dr. Karin Köhl, para peneliti berfokus pada dua faktor cahaya terkait pertumbuhan yang di analisis dan mampu menunjukkan bahwa jumlah cahaya yang diterima tanaman, dan frekuensi fluktuasi cahaya memiliki pengaruh kuat pada fungsi kedua pengangkut ion. Fungsi pelindung VCCN1 hanya penting pada tanaman yang sebelumnya ditanam di bawah cahaya redup. Di sisi lain, KEA3 yang meniadakan proteksi, bahkan aktif pada periode cahaya tinggi ketika tanaman ditanam pada kondisi dengan intensitas cahaya tinggi.

Perlindungan sinar matahari juga bergantung pada tingkat fluktuasi cahaya yang dipaparkan tanaman. Ketika kondisi cahaya berubah secara signifikan, tanaman menghasilkan zeaxanthin pigmen oranye, yang juga terlibat dalam perlindungan sinar matahari. Produksi tabir surya ini juga ditekan oleh KEA3 dalam kondisi cahaya tinggi.

"Studi kami menunjukkan bahwa kita tidak boleh melihat secara terpisah pada efek cahaya pertumbuhan dan respons cepat terhadap fluktuasi cahaya," kata penulis utama studi, Thekla von Bismarck. "Integrasi skala waktu dan tingkat metabolisme dalam cara yang semakin kompleks akan menjadi tantangan besar di masa depan untuk penelitian tanaman. Ini akan memberikan gagasan kunci untuk meningkatkan hasil panen di lapangan."

Hasil studi ini telah dipublikasikan di jurnal New Phytologist dengan judul “Light acclimation interacts with thylakoid ion transport to govern the dynamics of photosynthesis in Arabidopsis.”