Dengan meningkatnya populasi dan perubahan iklim, tanaman harus lebih kuat untuk mempertahankan diri. Nitrogen adalah unsur penting untuk pertumbuhan tanaman – seringkali tidak tersediakan di lahan pertanian. Atmosfer menyediakan nitrogen yang melimpah, tetapi bagaimana hal itu dapat dengan aman dan berkelanjutan ditransfer ke dalam tanah? Bakteri nitrogen mungkin jawabannya.Sebuah tim peneliti internasional, termasuk tiga dari US Department of Energy Brookhaven National Laboratory, telah melacak nitrogen sebagai bakteri tanah yang diperoleh dari udara dan dilepaskan sebagai amonium yang ramah. Proses ini – disebut fiksasi nitrogen biologis, atau BNF – ditemukan secara substansial meningkatkan pertumbuhan tanaman rumput tertentu, menawarkan strategi baru untuk pertanian ramah lingkungan.”Hasil penelitian kami menunjukkan bahwa pertumbuhan yang sehat dapat dicapai dengan menggabungkan bakteri tanah tertentu dengan rumput, bahkan ketika tanaman yang tumbuh di tanah yang sangat kekurangan- nitrogen,” kata rekan penulis studi Richard Ferrieri, direktur Brookhaven Lab Radiokimia dan Biologi Program Pencitraan. “Kami berencana untuk menerapkan metode ini untuk sistem tanaman lainnya, termasuk rumput bioenergi seperti sorgum, switchgrass, dan miscanthus, dan bahkan untuk tanaman pangan seperti jagung dan gandum.”Para ilmuwan mengukur efek dari dua bakteri tanah BNF – Azospirillum brasilense dan Herbaspirillum seropedicae – pada pertumbuhan rumput Setaria viridis. Studi ini menunjukkan bukti langsung pertama BNF dengan melacak keberadaan radiotracer nitrogen seperti yang diserap pertama oleh bakteri dan kemudian bergerak melalui tanaman. Hasilnya, diterbitkan dalam edisi Maret The Plant Journal, mengungkapkan peningkatan substansial dalam tinggi, berat, dan panjang akar.Kolaborasi ini juga termasuk ilmuwan dari Brazil Federal University of Parana dan Universitas Federal Santa Catarina, Universitas Negeri New York College of Science Lingkungan dan Kehutanan, dan University of Missouri.”Bakteri yang kita gunakan saat ini di antara mereka dijual sebagai inokulan tanaman di Amerika Selatan, tetapi teknologi ini tidak diterapkan secara luas di Amerika Serikat,” kata rekan penulis studi Gary Stacey, seorang ilmuwan di University of Missouri. “Kami berharap bahwa temuan kami akan merangsang orang lain untuk melihat daerah ini, yang kami percaya memegang janji nyata untuk mempromosikan pertanian berkelanjutan, khususnya yang berkaitan dengan tanaman biofuel.”Nitrogen – terikat secara kimia sebagai gas dinitrogen – adalah unsur yang paling berlimpah di atmosfer.
Sayangnya, tanaman hanya dapat menyerap setelah Nitrogen diintegrasikan ke dalam tanah sebagai nitrat dan amonium. Proses ini sering terjadi melalui siklus alami tumbuhan dan hewan busuk, yang bisa memakan waktu terlalu lama untuk menjadi komersial. Sebaliknya, pupuk biasanya diperkenalkan untuk mempertahankan hasil panen yang tinggi.”Banyak pupuk komersial fokus terutama dibenamkan di tanah dengan bentuk kimia nitrogen,” kata Ferrieri. “Namun, ini adalah proses yang mahal yang dapat menyebabkan limpasan nitrogen berlebihan ke saluran air, kadang-kadang menyebabkan kerusakan ekologi yang parah.”Bakteri tertentu, dapat membatasi kegiatan mereka dengan sistem akar tertentu dan menggunakan berlimpah, udara nitrogen. Tanah lokal diperkaya setelah BNF diinokulasi, menghindari risiko intervensi kimia skala besar.Para ilmuwan menggunakan Brookhaven Cyclotron – akselerator kecil yang didedikasikan untuk isotop produksi – untuk menghasilkan radiotracer nitrogen, yang kemudian diperkenalkan ke tanah dalam aliran udara. Setelah diserap, radioaktif nitrogen yang dipancarkan semburan partikel antimateri yang terdeteksi oleh pelat fosfor, yang berperilaku seperti film yang fotosensitif. Tim kemudian menggunakan detektor radiasi sederhana untuk melacak pergerakan radiotracers ke pucuk tanaman dan daun. Kemudian, untuk memetakan omset metabolik, tim membedah jaringan tanaman untuk mengungkapkan nitrogen dalam protein fotosintesis.”Radiotracer ini hanya memiliki waktu paruh 10 menit, berarti itu menjadi tidak aktif dan tidak terdeteksi dengan sangat cepat,” kata Ferrieri. “Mengumpulkan data biologis dalam waktu yang singkat adalah salah satu tantangan terbesar kami.”” biokimia daun rumput S. viridis sangat cocok tanaman bioenergi, yang dapat memfasilitasi aplikasi praktis dari penelitian ini,” kata Stacey. “Rekan-rekan saya dan saya menguji 30 genotipe rumput kandidat, mengidentifikasi tiga yang menanggapi BNF dan satu pada khususnya – yang disebut A10.1 -. Yang sangat aktif”Itu genotipe yang ditargetkan juga diurutkan oleh Joint Genome Institute, DOE Office of Science Pengguna Fasilitas, yang pada akhirnya akan memberikan para ilmuwan informasi molekul yang dibutuhkan untuk menentukan mekanisme yang mengatur BNF.Salah satu jenis bakteri tertentu – strain mutan A. brasilense dikembangkan oleh para ilmuwan Brasil – juga menghasilkan pertumbuhan kuat yang mengejutkan, menunjukkan potensi praktis yang besar.”Kami membawa semua senjata untuk menanggung pada sistem ini untuk menggoda keluar setiap fisiologis, metabolik, proteomik, atau dasar transkripsi untuk BNF,” kata Ferrieri. “Alat radiotracer Brookhaven menawarkan jendela tunggal dalam metabolisme tanaman dan interaksi -tanaman-mikroba.”Ferrieri dan Stacey akan melanjutkan pekerjaan ini di lain Pengguna DOE Office of Science Facility, Laboratorium Sains Pacific Northwest National Laboratory Lingkungan dan Molekuler, di mana dua proposal penelitian baru-baru ini disetujui. Kedua ilmuwan akan menyelidiki perubahan protein nabati dan metabolit di bawah berbagai kondisi pertumbuhan. Kelompok Stacey juga aktif bekerja untuk mengisolasi kesamaan genetik dan perbedaan dalam tanaman ini untuk mempercepat penelitian dan mengungkap mekanisme molekuler BNF.
Journal Reference:
- Vânia C. S. Pankievicz, Fernanda P. do Amaral, Karina F. D. N. Santos, Beverly Agtuca, Youwen Xu, Michael J. Schueller, Ana Carolina M. Arisi, Maria. B.R. Steffens, Emanuel M. de Souza, Fábio O. Pedrosa, Gary Stacey, Richard A. Ferrieri. Robust biological nitrogen fixation in a model grass-bacterial association. The Plant Journal, 2015; 81 (6): 907 DOI: 10.1111/tpj.12777
