Beralih unit genetik antar sel mendorong evolusi tanaman, studi menemukan

Sebuah tim peneliti dari New York University melakukan penelitian yang menyoroti perbedaan evolusioner antara tiga tanaman biji-bijian penting: jagung, sorgum, dan jawawut. Dengan memeriksa sel-sel individu dalam tanaman ini, para ilmuwan telah bergerak lebih dekat untuk mengidentifikasi gen yang bertanggung jawab atas sifat-sifat pertanian yang penting, terutama toleransi kekeringan. Pengetahuan ini akan membantu para ilmuwan menyesuaikan tanaman dengan iklim yang lebih kering, yang merupakan perhatian mendesak dalam menghadapi perubahan iklim global.

Jagung, sorgum, dan millet merupakan sumber makanan penting bagi manusia dan hewan di seluruh dunia. Sementara jagung dan sorgum menyimpang dari nenek moyang yang sama sekitar 12 juta tahun yang lalu, millet berkerabat lebih dekat. Terlepas dari asal usulnya yang sama, tanaman ini menunjukkan perbedaan yang signifikan dalam karakteristik utama. Misalnya, sorgum menunjukkan toleransi kekeringan yang lebih besar daripada jagung, dan tanaman melepaskan zat lengket yang khas dari akarnya, yang memengaruhi interaksinya dengan tanah di sekitarnya. Perbedaan ini dapat ditelusuri kembali ke duplikasi genom lengkap yang terjadi pada jagung setelah dipisahkan dari sorgum.

Penulis pertama studi tersebut, Bruno Guillotin, seorang rekan pascadoktoral di Departemen Biologi NYU, menekankan pentingnya membandingkan pola ekspresi gen pada tingkat sel antara tanaman ini karena kepentingannya, kedekatan evolusi, dan variasi fungsionalnya. Para peneliti melakukan pembuatan profil RNA sel tunggal dari akar jagung, sorgum dan millet, dengan teliti memeriksa ekspresi gen dalam sel individu untuk mengidentifikasi sel khusus di ketiga tanaman.

Akar memainkan peran penting dalam pertahanan terhadap kekeringan dan panas, karena mereka bertindak sebagai mesin kompleks dengan berbagai komponen yang diwakili oleh berbagai jenis sel. Memahami bagaimana “mesin” ini mengumpulkan air dan menangani kondisi buruk sangatlah penting. Profesor Kenneth Birnbaum, penulis utama studi dan profesor di Departemen Biologi NYU dan Pusat Genomik dan Biologi Sistem, menyoroti pentingnya membandingkan spesies yang berbeda untuk membedakan gen mana yang bertanggung jawab atas ciri pertanian utama.

Dengan menyelidiki bagaimana sel-sel berkembang dan menyimpang di ketiga spesies, para peneliti mengidentifikasi tren luar biasa yang dikenal sebagai “penambalan”. Ini mengacu pada penataan ulang elemen dalam sel dari waktu ke waktu. Salah satu pengamatan adalah pertukaran modul ekspresi gen, yang terdiri dari kelompok gen dengan fungsi terkoordinasi, antara tipe sel yang berbeda selama perkembangan. Sementara pertukaran unit gen ini telah diamati pada sistem hewan, penelitian ini memberikan ilustrasi komprehensif pertama dari fenomena ini pada tumbuhan.

Secara khusus, para peneliti menemukan bukti pertukaran unit genetik dalam kaitannya dengan lendir akar – zat lengket kaya nutrisi yang dilepaskan akar ke dalam tanah. Lendir membantu melumasi tanah, membiarkan akar melewatinya, sekaligus menarik bakteri menguntungkan yang melindungi tanaman atau menyediakan nutrisi penting yang sulit diperoleh. Studi tersebut menunjukkan bahwa gen yang bertanggung jawab untuk produksi lumpur akar ditemukan di berbagai bagian akar jagung, sorgum dan millet. Sorgum, misalnya, mengandung gen lendir di jaringan luar akarnya, sedangkan jagung menunjukkan pertukaran gen ini dalam tipe sel baru di tudung akar. Perubahan evolusioner ini memungkinkan jagung untuk menarik bakteri yang memfasilitasi penyerapan nitrogen. Para peneliti juga mengidentifikasi pengatur genetik lain yang beralih di antara jenis sel yang berbeda di setiap tanaman, menawarkan kandidat yang menjanjikan untuk pengujian gen lebih lanjut yang terkait dengan sifat tertentu.

Selain itu, penelitian tersebut menyoroti dampak peristiwa duplikasi seluruh genom yang terjadi pada jagung 12 juta tahun lalu setelah divergensi dari sorgum. Duplikasi ini memengaruhi jenis sel tertentu di dalam jagung, memungkinkannya untuk berspesialisasi dengan cepat. Para peneliti juga mencatat bahwa jenis sel tertentu bertindak sebagai donor gen baru, sementara yang lain tampaknya mengakumulasi gen duplikat. Ini menunjukkan bahwa duplikasi gen mempercepat perkembangan sel tertentu.

Studi ini dimungkinkan oleh kemajuan terbaru dalam teknologi pengurutan sel tunggal, yang memungkinkan untuk menganalisis puluhan ribu sel dalam percobaan rutin.