Menyelamatkan Pangan Dunia dengan Gen yang Membendung Wabah Patogen Karat Batang Gandum

Pasokan pangan dunia sedikit bertambah lebih banyak berkat sebuah terobosan ilmiah. Eduard Akhunov, profesor patologi tanaman di Kansas State University, bersama rekannya, Jorge Dubcovsky dari University of California-Davis, memimpin proyek penelitian dalam mengidentifikasi sebuah gen yang berguna memberi kekebalan bagi tanaman gandum terhadap ras patogen karat batang gandum paling mematikan – disebut Ug99 – yang pertama kali ditemukan di Uganda tahun 1999. Penemuan ini dapat membantu para ilmuwan mengembangkan varietas gandum baru serta membangun strategi-strategi yang jitu untuk melindungi tanaman pangan dunia dari serangan patogen karat batang gandum yang tersebar dari Afrika hingga ke ladang-ladang pangan di Asia.

Studi yang dipublikasikan dalam jurnal Science ini melibatkan pula para peneliti lainnya dari Kansas State University, antara lain: Harold Trick, profesor patologi tanaman; Andres Salcedo, kandidat doktor bidang genetika dari Meksiko; dan Cyrille Saintenac, seorang asosiasi riset pascadoktoral yang saat ini bekerja di Institut Nasional de la recherche Agronomique, Perancis. Proyek ini didanai oleh Department of Agriculture and Borlaug Global Rust Initiative. AS.

Studi ini berfokus dalam mengidentifikasi gen yang memberi resistensi terhadap karat batang, bernama Sr35, dan dimunculkan bersamaan dengan sebuah studi dari tim riset Australia yang mengidentifikasi gen resistensi efektif lainnya bernama Sr33.

“Gen Sr35 ini berfungsi sebagai komponen utama dari sistem kekebalan tanaman,” jelas Akhunov, “Gen ini mengenali patogen dan memicu sebuah respon dalam tanaman untuk melawan penyakit.”

Karat batang gandum disebabkan oleh jamur patogen. Sejak tahun 1950-an, para petani gandum sudah mampu mengembangkan varietas gandum yang sebagian besar resisten terhadap patogen ini. Namun, kemunculan strain Ug99 di Uganda tahun 1999 telah membawa kerusakan yang parahpada tanaman pangan, menyebar ke penjuru Kenya, Ethiopia, Sudan dan Yaman, meski belum mencapai Amerika.

“Sebelumnya, para petani gandum memiliki dua atau tiga gen yang sangat efisien dalam melawan karat batang selama puluhan tahun sehingga penyakit ini bukan merupakan masalah terbesar,” tutur Akhunov, “Namun, penemuan ras patogen Ug99 menunjukkan bahwa perubahan dalam virulensi ras patogen yang ada bisa menjadi masalah besar.”

Eduard Akhunov, profesor patologi tanaman di Kansas State University, berdiri di depan para peneliti gandum einkorn yang digunakan untuk mengidentifikasi Sr35, sebuah gen yang tahan terhadap strain Ug99 karat batang gandum. (Kredit: Kansas State University)

Sebagai garis pertahanan pertama, para petani gandum dan para peneliti mulai mencari gen resistensi di antara gen-gen yang sudah ditemukan dalam repositori plasma nutfah yang tersedia, katanya.

“Gen Sr35 merupakan salah satu gen yang ditemukan dalam gandum einkorn yang tumbuh di kawasan Turki,” ungkap Akhunov, “Namun, sebelumnya kami tidak tahu jenis gen apa yang bisa memberi resistensi terhadap Ug99 dalam pertumbuhan gandum ini.”

Untuk mengidentifikasi gen resistensi Sr35, tim riset beralih pada gandum einkorn yang diketahui kebal terhadap strain Ug99 jamur. Gandum einkorn memiliki nilai ekonomi yang terbatas dan dibudidayakan dalam kawasan kecil di wilayah Mediterania. Tanaman ini sudah digantikan dengan varietas gandum lain yang mampu menghasilkan lebih banyak pasta dan roti.

Para peneliti menghabiskan waktu hampir empat tahun lamanya untuk mencoba mengidentifikasi lokasi gen Sr35 dalam genom gandum, yang berisi informasi genetik hampir dua kali lebih banyak dari genom manusia.

Setelah mereka mempersempit daftar gen-gen kandidat, mereka menggunakan dua pendekatan cuma-cuma untuk menemukan gen Sr35. Pertama, secara kimiawi mereka memutasisasikan aksesi resistensi pada gandum untuk mengidentifikasi tanaman yang menjadi rentan terhadap patogen karat batang.

“Ini adalah masalah melumpuhkan tiap-tiap gen kandidat sampai kami menemukan salah satu yang membuat tanaman menjadi rentan,” jelas Akhunov, “Proses yang membosankan dan perlu banyak waktu, tapi hasilnya sepadan dengan usaha.”

Selanjutnya, para peneliti mengisolasi gen kandidat, lalu menggunakan pendekatan bioteknikal untuk mengembangkan tanaman transgenik yang mengandung gen Sr35 dan yang menunjukkan perlawanan terhadap ras Ug99 karat batang.

Setelah gen resistensi itu ditemukan, Akhunov dan rekan-rekannya kemudian memeriksa protein apa yang ditransfer oleh jamur ke dalam tanaman gandum dan dikenali oleh protein yang dikodekan oleh gen Sr35. Hal ini akan membantu para peneliti untuk lebih memahami mekanisme molekuler di balik terjadinya infeksi sekaligus mengembangkan pendekatan-pendekatan baru untuk mengendalikan patogen yang mematikan tersebut.

Kredit: Kansas State University

Jurnal: Cyrille Saintenac, Wenjun Zhang, Andres Salcedo, Matthew N. Rouse, Harold N. Trick, Eduard Akhunov, Jorge Dubcovsky. Identification of Wheat Gene Sr35 That Confers Resistance to Ug99 Stem Rust Race Group. Science, 2013 DOI: 10.1126/science.1239022

Teknik Ultra-cepat Menyingkap Prinsip-prinsip Perancangan dalam Biologi Kuantum

Para peneliti dari University of Chicago telah berhasil menciptakan suatu senyawa sintetis yang meniru dinamika kuantum yang kompleks seperti yang bisa diamati dalam fotosintesis. Terobosan ini memungkinkan dibangunnya cara fundamental terbaru untuk menciptakan teknologi energi surya. Merekayasa efek kuantum untuk dijadikan sebagai perangkat pemanen-cahaya sintetik tidak saja bisa terwujud, namun, prosesnya pun ternyata lebih mudah dari yang diduga, lapor para peneliti dalam edisi 19 April jurnal Science.

Para peneliti merekayasa molekul kecil yang mendukung koherensi kuantum agar tahan lama. Koherensi adalah perilaku superposisi kuantum yang secara makroskopik bisa diamati. Superposisi adalah konsep kuantum mekanik yang fundamental, dicontohkan dengan eksperimen klasik yang dikenal sebagai Cat Schrodinger, di mana partikel kuantum tunggal seperti elektron menempati lebih dari satu keadaan secara bersamaan.

Efek kuantum umumnya diabaikan dalam ketidakteraturan sistem yang besar dan panas. Namun demikian, eksperimen ultra-cepat spektroskopi yang baru-baru ini dikerjakan oleh Prof. Greg Engel dalam laboratorium kimia University of Chicago telah sukses menunjukkan bahwa superposisi kuantum mungkin berperan menghasilkan efisiensi kuantum yang nyaris sempurna dalam pemanenan cahaya fotosintesik, sekalipun dalam suhu fisiologis.

Para peneliti dari University of Chicago berhasil menciptakan senyawa sintetis yang meniru dinamika kuantum yang kompleks seperti yang teramati dalam fotosintesis. Senyawa ini memungkinkan dibangunnya cara fundamental terbaru untuk mengembangkan teknologi pemanenan cahaya matahari. (Kredit: Graham Griffith)

Antena fotosintetik – protein yang mengatur klorofil dan molekul-molekul cahaya-serapan lainnya pada tanaman dan bakteri – mendukung superposisi untuk bertahan lama dalam tingkat anomali. Banyak peneliti yang mengusulkan bahwa organisme telah berevolusi dan mengembangkan sarana untuk melindungi superposisi tersebut. Hasilnya: terjadi peningkatan efisiensi dalam proses mentransfer energi dari sinar matahari yang terserap ke bagian-bagian sel yang mengubah energi matahari menjadi energi kimia. Hasil-hasil studi yang baru-baru ini dilaporkan ini telah menunjukkan bahwa manifestasi tertentu pada mekanika kuantum dapat direkayasa menjadi senyawa hasil buatan-manusia.

Para peneliti memodifikasi fluoresein – molekul serupa yang pernah digunakan untuk mewarnai Sungai Chicago menjadi hijau dalam rangka Hari St. Patrick – lalu menghubungkan pasangan-pasangan pewarna yang berbeda menjadi satu dengan menggunakan struktur penjembatan yang ketat. Molekul-molekul yang dihasilkan mampu menciptakan sifat-sifat penting dari molekul klorofil di dalam sistem fotosintesis, yang menyebabkan koherensi mampu bertahan selama puluhan femtosekon dalam suhu ruangan.

“Mungkin kedengarannya bukan waktu yang sangat lama – femtosekon setara dengan sepersejuta miliar detik,” kata rekan penulis studi Dugan Hayes, lulusan University of Chicago dalam bidang kimia, “Tapi pergerakan eksitasi melalui sistem juga terjadi pada skala waktu yang ultra-cepat ini, mengindikasikan bahwa superposisi kuantum dapat berperan penting dalam proses transfer energi.”

Para peneliti University of Chicago yang terlibat dalam studi. Dari kiri ke kanan: sarjana pasca-doktoral Graham Griffin, profesor Greg Engel dan mahasiswa pascasarjana Dugan Hayes. (Kredit: Tom Jarvis)

Untuk mendeteksi bukti superposisi yang tahan lama, para peneliti memfilmkan aliran energi dalam molekul dengan menggunakan rekayasa laboratorium dan sistem laser tingkat tinggi dalam skala femtosekon. Tiga pulsa laser yang terkontrol secara tepat diarahkan ke dalam sampel, menghasilkan pancaran sinyal optik yang ditangkap dan diarahkan ke dalam kamera.

Dengan memindai jeda waktu di antara kedatangan pulsa-pulsa laser tersebut, para peneliti memfilmkan aliran energi di dalam sistem, menandainya sebagai rangkaian spektrum dua dimensi. Masing-masing spektrum dua-dimensi termuat dalam satu frame film, berisi informasi tentang keberadaan energi di dalam sistem sekaligus memberitahu jalur-jalur apa saja yang dilaluinya untuk mencapai ke sana.

Film ini mempertunjukkan relaksasi dari keadaan energi tingkat tinggi menuju ke keadaan energi tingkat yang lebih rendah dalam serangkaian waktu, serta memperlihatkan osilasi sinyal di area-area sinyal yang sangat spesifik, atau ketukan-ketukan kuantum. “Ketukan kuantum merupakan ciri dari koherensi kuantum, timbul dari interferensi antara keadaan-keadaan energik yang berbeda dalam superposisi, mirip dengan suara ketukan ketika dua instrumen musik yang tidak selaras mencoba memainkan nada yang sama,” ungkap Hayes.

Simulasi komputer menunjukkan bahwa koherensi kuantum bekerja dalam antena fotosintesis untuk menjaga eksitasi untuk tetap tidak terjebak dalam perjalanannya menuju pusat reaksi, yaitu tempat dimulainya konversi ke energi kimia. Dalam satu interpretasi, sebagaimana eksitasi berpindah melalui antena, keberlangsungannya tetap berada dalam superposisi dari semua jalur sekaligus, memaksa eksitasi berlanjut ke jalur yang semestinya. “Sebelum koherensi-koherensi ini berhasil teramati dalam sistem sintetis, ada keraguan bahwa fenomena yang kompleks mampu diciptakan di luar alam,” ujar Hayes.

Kredit: University of Chicago

Jurnal: D. Hayes, G. B. Griffin, G. S. Engel. Engineering Coherence Among Excited States in Synthetic Heterodimer Systems. Science, 2013; DOI: 10.1126/science.1233828