Sebuah studi baru mengungkapkan bahwa evolusi lamela suberin pada tanaman berbiji memainkan peran penting dalam dominasi mereka terhadap pakis dalam perubahan iklim bumi. Penemuan ini menawarkan wawasan baru mengenai evolusi tanaman dan memiliki implikasi signifikan dalam meningkatkan ketahanan tanaman terhadap kekeringan.
Sebuah penelitian terbaru yang diterbitkan di Tumbuhan Alami oleh tim Chao Daiyin di Pusat Keunggulan Ilmu Tanaman Molekuler di Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, bersama dengan tim Lyu Shiyou di Universitas Hubei, untuk pertama kalinya mengungkap misteri di balik munculnya tanaman berbiji dari sudut pandang spesialis. evolusi dinding sel.
Tumbuhan berbiji merupakan kelompok tumbuhan paling maju di dunia, mencakup dua pertiga dari seluruh tumbuhan jenis dan membentuk flora utama dunia kita. Namun, kondisi Bumi sangat berbeda 300 juta tahun yang lalu selama periode Karbon, ketika pakis merupakan flora dominan, dengan pakis pohon yang menjulang tinggi mendominasi lanskap ekologi. Sebagian besar sumber daya batubara di Bumi saat ini berasal dari tanaman pakis pada masa itu, oleh karena itu dinamakan “Carboniferous.”
Namun, penelitian paleontologi mengungkapkan titik balik pada akhir periode Karbon, dimana iklim bumi tiba-tiba menjadi dingin dan gersang. Akibatnya jumlah tanaman pakis mulai berkurang, membuka jalan bagi munculnya tanaman berbiji. Namun demikian, peristiwa evolusi penting ini diwarnai dengan banyak misteri yang belum terpecahkan, dan salah satu misteri terpentingnya adalah: Apa keuntungan spesifik tanaman berbiji yang memungkinkan mereka bertransisi dari posisi lemah ke posisi subur pada akhir periode Karbon?
Temuan Kunci pada Struktur Akar Tanaman
Akar adalah organ penting untuk menyerap dan mengangkut air dan nutrisi mineral pada tanaman, dan endodermis adalah inti akar, yang mengontrol transportasi air dan mineral. Dinding sel endodermis memiliki strip Casparian berbasis lignin hidrofobik yang melekat erat pada membran sel endodermal, sehingga membentuk penghalang untuk mencegah difusi bebas zat. Selain itu, lamela suberin adalah struktur dinding sel khusus yang menyelimuti seluruh permukaan sel endodermal.
Penelitian menunjukkan bahwa lamellae strip Casparian dan suberin memainkan peran penting dalam keseimbangan nutrisi tanaman dan transportasi air, namun fungsinya berbeda secara signifikan. Kelompok Chao sebelumnya telah membuat terobosan dalam memahami pembentukan dan penahan jalur Casparian. Namun, dasar evolusi lamela suberin dan perannya dalam evolusi tumbuhan belum terselesaikan.
Wawasan Evolusioner tentang Jalur Casparian dan Suberin Lamellae
Penelitian ini menggunakan serangkaian teknik biologi sel dan kimia analitik tingkat lanjut untuk melakukan penelitian mendalam terhadap perwakilan spesies tumbuhan dari 18 simpul evolusi berbeda dengan tujuan mengungkap rahasia asal usul jalur Casparian dan lamela suberin.
Yang mengejutkan, para peneliti menemukan bahwa garis Casparian ada di semua tanaman vaskular, termasuk pakis, lycophytes, gymnospermae, dan angiospermae, sedangkan suberin lamellae hanya terdapat di gymnospermae dan angiospermae (keduanya secara kolektif disebut sebagai tanaman berbiji). Bukti ini menunjukkan bahwa lamellae strip Casparian dan suberin tidak muncul secara bersamaan; yang pertama muncul dari nenek moyang yang sama dari semua tumbuhan berpembuluh, sedangkan yang terakhir berevolusi dari nenek moyang yang sama dari tumbuhan berbiji. Temuan ini menantang asumsi lama mengenai lamela suberin dan menawarkan perspektif baru untuk mempelajari evolusi struktur ini.
Ekspansi Gen dan Suberin Lamellae pada Tanaman Berbiji
Untuk menyelidiki bagaimana lamela suberin berevolusi pada nenek moyang tanaman berbiji, para peneliti melakukan analisis evolusi molekuler terhadap gen yang terlibat dalam pembentukan lamela suberin dan homolognya, dengan hasil sebagai berikut: Meskipun sebagian besar gen ini telah berevolusi sebelum munculnya tanaman berpembuluh, ekspansi signifikan terjadi pada nenek moyang tanaman berbiji. Ekspansi ini menunjukkan bahwa duplikasi gen kemungkinan besar mengarah pada inovasi fungsional, sehingga memungkinkan gen yang bertanggung jawab untuk mensintesis lamela suberin muncul pada nenek moyang tanaman berbiji.
Untuk mengkonfirmasi hipotesis ini, para peneliti menyelidiki gen homolog dari faktor transkripsi inti MYB yang terlibat dalam pembentukan suberin pada tanaman pakis, lycophytes, gymnospermae, dan angiospermae. Gen-gen ini ditemukan tersebar luas di semua kelompok tanaman. Namun, perluasan gen homolog yang signifikan terjadi pada nenek moyang gymnospermae dan angiospermae. Para peneliti mengungkapkan bahwa gen homolog yang diperluas pada gymnospermae dan angiospermae dapat memulai pembentukan suberin lamellae, sedangkan gen homolog pada tanaman pakis dan tanaman lycophyte tidak memiliki fungsi tersebut. Temuan ini mengkonfirmasi bahwa fungsi faktor transkripsi MYB yang memulai sintesis suberin diperoleh pada tanaman berbiji melalui ekspansi gen.
Peran Suberin Lamellae dalam Adaptasi Tumbuhan
Ketika iklim bumi menjadi kering pada akhir periode Karbon, jumlah tanaman pakis mulai menurun dan tanaman berbiji meningkat. Karena suberin memiliki sifat kedap air, para peneliti berhipotesis bahwa kemunculan lamela suberin mungkin berkontribusi pada kemampuan beradaptasi terhadap kekeringan pada tanaman berbiji, sehingga mendorong pertumbuhannya setelah permulaan kondisi kering. Mereka kemudian mengkonfirmasi hipotesis ini dengan menggunakan dua materi genetik Arabidopsis yang memiliki cacat suberin, sehingga menunjukkan bahwa Arabidopsis yang kekurangan suberin lebih sensitif terhadap kekeringan.
Lebih jauh lagi, spektroskopi Raman dan resonansi magnetik nuklir mengungkapkan pentingnya lamela suberin dalam meningkatkan efisiensi transportasi air vaskular. Secara khusus, karena molekul air mampu berdifusi bebas melintasi membran sel tanpa adanya lamela suberin, tanaman tanpa lamela suberin, seperti pakis dan ekor kuda, mengalami kebocoran air yang signifikan dari membran sel endodermal ketika mengalami tekanan osmotik, sehingga menghasilkan efisiensi transportasi yang rendah. .
Tumbuhan berbiji, dengan lamela suberin yang menyelimuti seluruh sel endodermalnya, hampir sepenuhnya menghalangi difusi bebas molekul air. Dengan demikian, tingkat kebocoran air pada kondisi tekanan osmotik hanya 1% –2% dibandingkan tanaman pakis dan tanaman lycophyte. Efek kedap air ini sangat meningkatkan efisiensi transportasi air dalam jaringan pembuluh darah tanaman berbiji dalam kondisi kekeringan, sehingga meningkatkan ketahanannya terhadap kekeringan.
Berdasarkan hal tersebut, para peneliti mengusulkan model kebangkitan tanaman berbiji: Dalam iklim lembab pada periode Karbon, tanaman pakis tanpa lamellae suberin memiliki efisiensi penyerapan air dan nutrisi yang lebih tinggi dan lebih baik beradaptasi dengan lingkungan, sehingga menyebabkan mereka menjadi lebih lemah. berkembang pesat. Namun, pada akhir periode Karbon, permulaan iklim kering memberikan keuntungan bagi tanaman berbiji yang telah mengembangkan suberin lamellae. Mereka memiliki sistem transportasi air yang lebih efisien dan toleransi terhadap kekeringan yang lebih kuat, sehingga memungkinkan mereka secara bertahap menggantikan pakis dan menjadi bentuk kehidupan dominan di permukaan bumi.
Studi ini tidak hanya mengungkap misteri asal usul lamellae strip dan suberin Casparian tetapi juga memberikan bukti, untuk pertama kalinya, bahwa kemunculan lamellae suberin mendorong munculnya tanaman berbiji, berdasarkan perspektif baru. Selain itu, ini mengidentifikasi peran penting lamela suberin dalam adaptasi tanaman terhadap kondisi buruk seperti kekeringan. Hasilnya, penelitian ini memiliki implikasi yang signifikan dalam meningkatkan ketahanan tanaman terhadap kekeringan, menjelaskan mekanisme toleransi garam dan kekeringan pada tanaman, serta mengembangkan varietas tanaman yang tahan kekeringan.
Referensi: “Inovasi evolusioner lamela suberin akar berkontribusi pada kebangkitan tanaman berbiji” oleh Yu Su, Tao Feng, Chu-Bin Liu, Haodong Huang, Ya-Ling Wang, Xiaojuan Fu, Mei-Ling Han, Xuanhao Zhang, Xing Huang, Jia- Chen Wu, Tao Song, Hui Shen, Xianpeng Yang, Lin Xu, Shiyou Lü dan Dai-Yin Chao, 6 November 2023, Tumbuhan Alami.
DOI: 10.1038/s41477-023-01555-1
