Penelitian baru oleh para ilmuwan kehidupan UCLA dapat mengarah pada prediksi spesies tanaman mana yang akan lolos dari kepunahan karena perubahan iklim.
Kekeringan semakin memburuk di seluruh dunia, merupakan tantangan besar bagi tanaman di semua ekosistem, kata Lawren Sack, seorang profesor ekologi dan biologi evolusi UCLA dan penulis senior penelitian ini. Para ilmuwan telah berdebat selama lebih dari seabad bagaimana memprediksi spesies mana yang paling rentan.
Pohon layu daun di hutan Hawaii selama kekeringan ekstrem 2010-11, yang merupakan terburuk dalam setidaknya 11 tahun dan secara federal disebut bencana alam. Pohon itu adalah alahee (Psydrax odorata). Kredit Gambar: Faith Inman-Narahari
Sack dan dua anggota laboratoriumnya telah membuat penemuan mendasar yang menyelesaikan debat ini dan memungkinkan prediksi tentang bagaimana beragam spesies tanaman dan tipe vegetasi di seluruh dunia akan mentolerir kekeringan, yang sangat penting mengingat ancaman yang ditimbulkan oleh perubahan iklim, katanya.
Penelitian ini saat ini tersedia dalam edisi online Ecology Letters, jurnal ekologi bergengsi, dan akan diterbitkan dalam edisi mendatang.
Mengapa bunga matahari layu dan mengeringkan dengan cepat ketika tanah mengering, sementara semak kapar asli California bertahan musim kemarau panjang dengan daunnya yang selalu hijau? Karena ada banyak mekanisme yang terlibat dalam menentukan toleransi kekeringan tanaman, telah ada perdebatan sengit di antara para ilmuwan tanaman mengenai sifat mana yang paling penting. Tim UCLA, yang didanai oleh National Science Foundation, berfokus pada sifat yang disebut "titik kehilangan turgor, yang sebelumnya tidak pernah terbukti memprediksi toleransi kekeringan lintas spesies tanaman dan ekosistem.
Perbedaan mendasar antara tumbuhan dan hewan adalah bahwa sel-sel tumbuhan tertutup oleh dinding sel sedangkan sel-sel hewan tidak. Untuk menjaga sel-sel mereka berfungsi, tanaman bergantung pada "tekanan turgor" - tekanan yang dihasilkan dalam sel oleh air asin internal yang mendorong dan menahan dinding sel. Ketika daun membuka pori-pori mereka, atau stomata, untuk menangkap karbon dioksida untuk fotosintesis, mereka kehilangan sejumlah besar air ini karena penguapan. Ini mendehidrasi sel, menyebabkan hilangnya tekanan.
Selama kekeringan, air sel menjadi lebih sulit untuk diganti. Titik kehilangan turgor tercapai ketika sel daun mencapai titik di mana dindingnya menjadi lembek; hilangnya turgor tingkat sel ini menyebabkan daun menjadi lemas dan layu, dan tanaman tidak bisa tumbuh, kata Sack.
Pohon layu daun di hutan Hawaii selama kekeringan ekstrem 2010-11, yang terburuk dalam setidaknya 11 tahun dan secara federal ditetapkan sebagai bencana alam. Pohon ini adalah kayu cendana (Santalum paniculatum). Kredit Gambar: Faith Inman-Narahari
"Mengeringkan tanah dapat menyebabkan sel-sel tanaman mencapai titik kehilangan turgor, dan tanaman akan dihadapkan pada pilihan untuk menutup stomata dan berisiko kelaparan atau fotosintesis dengan daun layu dan berisiko merusak dinding sel dan protein metaboliknya," kata Sack. "Agar lebih tahan terhadap kekeringan, tanaman perlu mengubah titik kehilangan turgornya sehingga sel-selnya akan dapat mempertahankan turgor mereka bahkan ketika tanah kering."
Para ahli biologi menunjukkan bahwa di dalam ekosistem dan di seluruh dunia, tanaman yang lebih toleran terhadap kekeringan memiliki titik kehilangan turgor yang lebih rendah; mereka bisa mempertahankan turgor mereka meskipun tanahnya lebih kering.
Tim ini juga menyelesaikan kontroversi lama beberapa dekade, membatalkan asumsi lama dari banyak ilmuwan tentang sifat-sifat yang menentukan titik kehilangan turgor dan toleransi kekeringan. Dua sifat yang terkait dengan sel tanaman telah dianggap mempengaruhi titik kehilangan turgor tanaman dan meningkatkan toleransi kekeringan: Tanaman dapat membuat dinding sel mereka lebih kaku atau mereka dapat membuat sel mereka lebih asin dengan memuatnya dengan zat terlarut. Banyak ilmuwan terkemuka bersandar pada penjelasan “dinding sel yang kaku” karena tanaman di zona kering di seluruh dunia cenderung memiliki daun kecil dan keras. Dinding sel yang kaku memungkinkan daun untuk menghindari layu dan menahan airnya selama musim kemarau, para ilmuwan beralasan. Sedikit yang diketahui tentang rasa asin sel untuk tanaman di seluruh dunia.
Tim UCLA sekarang telah menunjukkan secara meyakinkan bahwa itu adalah rasa asin dari getah sel yang menjelaskan toleransi kekeringan lintas spesies. Pendekatan pertama mereka adalah matematika; tim meninjau kembali persamaan mendasar yang mengatur perilaku layu dan menyelesaikannya untuk pertama kalinya. Solusi matematis mereka menunjukkan pentingnya getah sel yang asin. Getah sel asin di setiap sel tanaman memungkinkan tanaman mempertahankan tekanan turgor selama musim kemarau dan melanjutkan fotosintesis dan tumbuh seiring dengan kekeringan. Persamaan menunjukkan bahwa dinding sel tebal tidak berkontribusi langsung untuk mencegah layu, meskipun mereka memberikan manfaat tidak langsung yang penting dalam beberapa kasus - perlindungan dari penyusutan sel yang berlebihan dan dari kerusakan karena unsur-unsur atau serangga dan mamalia.
Tim ini juga mengumpulkan data sifat toleransi-kekeringan pertama kali untuk spesies di seluruh dunia, yang mengkonfirmasi hasilnya. Di seluruh spesies dalam wilayah geografis dan di seluruh dunia, toleransi kekeringan berkorelasi dengan rasa asin dari sel getah dan tidak dengan kekakuan dinding sel. Faktanya, spesies dengan dinding sel yang kaku tidak hanya ditemukan di zona kering tetapi juga di sistem basah seperti hutan hujan, karena di sini juga, evolusi mendukung daun berumur panjang yang dilindungi dari kerusakan.
Penentuan asin sel sebagai pendorong utama toleransi kekeringan menghapus kontroversi besar, dan itu membuka jalan bagi prediksi spesies mana yang bisa lolos dari kepunahan akibat perubahan iklim, kata Sack.
"Garam yang terkonsentrasi dalam sel berpegang pada air lebih erat dan secara langsung memungkinkan tanaman mempertahankan turgor selama kekeringan," kata rekan penulis penelitian Christine Scoffoni, seorang mahasiswa doktoral UCLA di departemen ekologi dan biologi evolusi.
Peran dinding sel yang kaku lebih sulit dipahami.
"Kami terkejut melihat bahwa memiliki dinding sel yang kaku sebenarnya sedikit mengurangi toleransi terhadap kekeringan - bertentangan dengan kebijaksanaan yang diterima - tetapi banyak tanaman yang toleran terhadap kekeringan dengan banyak garam juga memiliki dinding sel yang kaku," kata penulis utama Megan Bartlett, seorang lulusan UCLA. mahasiswa di departemen ekologi dan biologi evolusi.
Kontradiksi yang tampak ini dijelaskan oleh kebutuhan sekunder tanaman toleran kekeringan untuk melindungi sel-sel dehidrasi mereka dari penyusutan karena mereka kehilangan tekanan turgor, kata para peneliti.
"Sementara dinding yang kaku tidak mempertahankan turgor sel, itu mencegah sel menyusut karena turgor berkurang dan menahan air sehingga sel-sel masih besar dan terhidrasi, bahkan pada titik kehilangan turgor," jelas Bartlett. “Jadi kombinasi ideal untuk tanaman adalah memiliki konsentrasi zat terlarut yang tinggi untuk menjaga tekanan turgor dan dinding sel yang kaku untuk mencegahnya kehilangan terlalu banyak air dan menyusut saat tekanan air daun turun. Tetapi bahkan tanaman yang sensitif terhadap kekeringan sering memiliki dinding sel yang tebal karena daun yang keras juga merupakan perlindungan yang baik terhadap herbivora dan pemakaian sehari-hari. ”
Meskipun tim menunjukkan bahwa titik kehilangan turgor dan getah sel asin memiliki kekuatan luar biasa untuk memprediksi toleransi kekeringan tanaman, beberapa tanaman gurun yang paling terkenal dan beragam - termasuk kaktus, yuccas, dan agaves - menunjukkan desain yang berlawanan, dengan banyak dinding berdinding fleksibel. sel-sel yang menahan getah dan akan kehilangan turgor dengan cepat, kata Sack.
"Sukulen ini sebenarnya mengerikan untuk mentolerir kekeringan, dan sebagai gantinya mereka menghindarinya," katanya. “Karena sebagian besar jaringan mereka adalah sel-sel penyimpanan air, mereka dapat membuka stomata mereka secara minimal di siang hari atau di malam hari dan bertahan hidup dengan air yang disimpan sampai hujan. Dinding sel yang fleksibel membantu mereka melepaskan air ke sisa tanaman. "
Studi baru ini menunjukkan bahwa sifat asin sel dalam daun tanaman dapat menjelaskan di mana tanaman hidup dan jenis tanaman yang mendominasi ekosistem di seluruh dunia. Tim ini bekerja dengan kolaborator di Kebun Raya Tropis Xishuangbanna di Yunnan, Cina, untuk mengembangkan metode baru untuk mengukur titik kehilangan turgor dengan cepat di sejumlah besar spesies dan memungkinkan penilaian kritis terhadap toleransi kekeringan bagi ribuan spesies untuk yang pertama. waktu.
"Kami senang memiliki indikator kekeringan yang begitu kuat sehingga kami dapat mengukur dengan mudah," kata Bartlett. “Kita dapat menerapkan ini di seluruh ekosistem atau keluarga tanaman untuk melihat bagaimana tanaman telah beradaptasi dengan lingkungan mereka dan untuk mengembangkan strategi yang lebih baik untuk konservasi mereka dalam menghadapi perubahan iklim.”
UCLA adalah universitas terbesar di California, dengan pendaftaran hampir 38.000 mahasiswa sarjana dan pascasarjana. Fakultas Sastra dan Sains UCLA dan 11 sekolah profesional universitas ini memiliki fakultas terkenal dan menawarkan 337 program gelar dan jurusan. UCLA adalah pemimpin nasional dan internasional dalam bidang luas dan kualitas akademik, penelitian, perawatan kesehatan, budaya, pendidikan berkelanjutan dan program atletik. Enam alumni dan lima fakultas telah dianugerahi Hadiah Nobel.
Oleh Stuart Wolpert