Para ilmuwan menemukan mekanisme tanaman yang sebelumnya tidak diketahui – dan dampaknya bisa sangat besar

Para ilmuwan menemukan jalan keluar meiosis ini di Arabidopsis didorong oleh penghambatan terjemahan yang dimediasi tubuh-P

Albert Cairó, Karel Riha dan rekan-rekan mereka telah menemukan mekanisme yang sebelumnya tidak teridentifikasi untuk memprogram ulang ekspresi gen selama transisi ketika satu sel berdiferensiasi menjadi sel lain. Mekanisme terjadi pada akhir meiosis, pembelahan sel khusus yang diperlukan untuk reproduksi seksual, dan memungkinkan diferensiasi sel benih dan serbuk sari.

Mekanisme ini melibatkan lokalisasi dinamis komponen regulasi penting dalam kondensat intraseluler yang menyerupai tetesan cairan. Proses ini secara langsung terkait dengan produksi benih dan dapat membuka jalan baru untuk menciptakan tanaman yang lebih berkelanjutan yang dapat bertahan dalam kondisi lingkungan yang lebih keras. Hasilnya baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal ilmiah terkenal Sains.

Sebuah bunga ulat lapangan difoto dengan mikroskop cahaya. Kredit foto: Institut Teknologi Eropa Tengah – Universitas Masaryk

Sel bukanlah benda statis; mereka berubah dari satu jenis ke jenis lainnya. Aktivasi kumpulan gen tertentu mempengaruhi bagaimana sel berspesialisasi untuk melakukan tugas tertentu dan kapan mereka membelah atau berdiferensiasi. Ahli biologi sel seperti Albert Cairó dan Karel Riha menggunakan kombinasi metode ilmiah yang canggih untuk mempelajari dunia mikro tanaman. Biologi sel sedang mengalami revolusi, memperluas perspektif tradisional organisasi sel ke cakrawala baru.

“Sekarang kita tahu bahwa sel tidak hanya mengandung organel konvensional yang dibatasi oleh membran, tetapi banyak proses molekuler yang dikemas dalam organel tanpa membran yang kurang jelas, juga disebut kondensat biomolekuler (biokondensat). Dalam sepuluh tahun terakhir, pentingnya biokondensat ini mulai disadari. Kami sekarang berkontribusi pada area ini dengan menunjukkan bagaimana jenis biokondensat tertentu terbentuk pada akhir meiosis dan menghambat sintesis protein, ”jelas Albert Cairó, penulis pertama penelitian ini.

“Di satu sisi, ini mengakhiri proses meiosis, tetapi di sisi lain ini menandai awal dari generasi sel yang berbeda secara genetik,” tambah Cairó. Tapi itu tidak semua. Tim peneliti percaya mekanisme analog juga bekerja di organisme lain dan lingkungan seluler, termasuk diferensiasi sel atau respons stres.

Penemuan anggota lab Karel Riha bisa memiliki implikasi sosial yang besar.

Albert Kairo dan Karel Riha. Kredit foto: Institut Teknologi Eropa Tengah – Universitas Masaryk

“Kita hidup dalam keadaan darurat iklim. Meskipun tanaman dapat melawan berbagai tekanan, termasuk suhu tinggi dan kekeringan, perkembangan dan reproduksi mereka dapat sangat terpengaruh. Ini berarti kita menghadapi risiko pengurangan hasil panen secara dramatis ketika hasil panen harus ditingkatkan untuk memenuhi kebutuhan manusia. Dan itulah mengapa penelitian tanaman sekarang harus menjadi salah satu prioritas,” jelas penulis koresponden dan pemimpin kelompok penelitian Karel Riha.

Tugas utama laboratorium adalah untuk menjelaskan proses biologis mendasar yang terkait erat dengan reproduksi tanaman dan pembentukan benih, yang diterjemahkan ke dalam hasil di banyak tanaman.

“Hasil penelitian menunjukkan bahwa kondensat biomolekuler memainkan peran penting dalam kesuburan tanaman dan perilakunya kemungkinan terkait dengan tekanan lingkungan. Oleh karena itu, terbukti bahwa penemuan kami adalah langkah pertama menuju pengembangan solusi baru yang mengarah pada produksi tanaman berkelanjutan di bawah kondisi yang lebih keras,” jelas Albert Cairó.

Pendekatan teknik yang harus dilakukan tim benar-benar mengagumkan, dan publikasi penelitian ini di Sains Ini meyakinkan bahwa lab Riha berjalan ke arah yang benar.

Jalan menuju penemuan

Studi meiosis pada tanaman model Arabidopsis thaliana sangat menantang. Tim peneliti berfokus pada sel luar biasa dan langka yang tersembunyi di kuncup bunga kecil 0,1-0,4 mm. Selain itu, tahap pembelahan meiosis, yang menjadi fokus penelitian, berlangsung cepat – seluruh proses memakan waktu lima hingga enam jam. Karena itu, mereka tidak mudah ditangkap. Untuk mempelajari proses ini, tim peneliti harus menggunakan teknologi mutakhir dan dosis kreativitas dan imajinasi yang signifikan.

Tim Riha harus menciptakan kondisi untuk pencitraan langsung pembelahan meiosis di antera (bagian dari benang sari yang mengandung serbuk sari). Tim menggunakan mikroskop canggih dan menjadi salah satu dari hanya dua laboratorium di dunia yang mampu mengamati meiosis tanaman secara langsung. Pengetahuan penting lainnya yang diperoleh tim adalah penguasaan teknologi protoplas. Protoplas adalah sel tumbuhan terisolasi yang telah dilucuti dari dinding sel di sekitarnya, membuatnya mudah untuk dimanipulasi secara genetik dan divisualisasikan di bawah mikroskop. Teknologi ini memungkinkan tim untuk memecahkan beberapa masalah lebih cepat dan lebih efisien dibandingkan dengan sel meiosis.

Anna Vargova memberikan kontribusi yang signifikan untuk memahami mekanisme kompleks yang baru dijelaskan. Pavlina Mikulkova memberikan keahlian dan membantu pencitraan sel hidup meiosis menggunakan mikroskop lightsheet. Tim peneliti didukung oleh CEITEC Core Facility CELLIM dan Plant Sciences Core Facility. Penelitian ini berlangsung lebih dari delapan tahun dan didanai oleh proyek hibah remap dari Kementerian Pendidikan Pemuda dan Olahraga Ceko. “Akan sangat sulit untuk mengembangkan proyek yang begitu kompleks tanpa pendanaan jangka panjang yang kami miliki. Faktanya, pada satu titik rasanya keterbatasan kami hanyalah imajinasi kami, dan saya percaya itu sangat penting untuk penemuan kami yang luas, ”kata Albert Cairó.

Referensi: “Keluaran meiosis di Arabidopsis didorong oleh penghambatan terjemahan yang dimediasi P-body” oleh Albert Cairo, Anna Vargova, Neha Shukla, Claudio Capitao, Pavlina Mikulkova, Sona Valuchova, Jana Pecinkova, Petra Bulankova dan Karel Riha, 4 Agustus 2022, Sains.
DOI: 10.1126/science.abo0904

Menariknya, proyek ini tidak melibatkan kerjasama eksternal, yang tidak biasa bagi lembaga penelitian internasional seperti CEITEC. Dalam hal ini, tim peneliti mengambil arah yang sama sekali baru dan penelitian diselesaikan secara eksklusif oleh anggota kelompok penelitian Karel Riha.