Para peneliti telah menemukan bahwa bakteri Rhizobia, yang dikenal karena hubungan simbiosisnya dengan kacang-kacangan, juga dapat menjalin kemitraan serupa dengan diatom laut. Penemuan ini, yang menyoroti sebagian besar fiksasi nitrogen laut, mempunyai implikasi terhadap biologi kelautan dan teknologi pertanian. Kredit: SciTechDaily.com
Sebuah studi inovatif mengungkapkan bahwa bakteri Rhizobia dapat mengikat nitrogen melalui kerja sama dengan diatom laut, sebuah penemuan yang dapat memiliki implikasi signifikan terhadap pertanian dan ekosistem laut.
Nitrogen merupakan komponen penting dari semua organisme hidup. Karbon juga merupakan elemen kunci yang mengendalikan pertumbuhan tanaman di darat, serta tanaman mikroskopis di lautan yang menghasilkan setengah oksigen di planet kita.
Gas nitrogen di atmosfer sejauh ini merupakan sumber nitrogen terbesar, namun tanaman tidak dapat mengubahnya menjadi bentuk yang dapat digunakan. Sebaliknya, tanaman pangan seperti kedelai, kacang polong, dan alfalfa (secara kolektif dikenal sebagai kacang-kacangan) telah memperoleh bakteri Rhizobial yang “memperbaiki” nitrogen di atmosfer menjadi amonium. Kemitraan ini menjadikan kacang-kacangan sebagai salah satu sumber protein terpenting dalam produksi pangan.
Para ilmuwan dari Institut Max Planck untuk Mikrobiologi Kelautan di Bremen, Jerman, kini melaporkan bahwa Rhizobia juga dapat membentuk kemitraan serupa dengan tanaman laut kecil yang disebut diatom – sebuah penemuan yang memecahkan misteri kelautan yang telah lama ada dan memiliki potensi penerapan yang luas pada bidang pertanian.
Simbion pengikat nitrogen Rhizobial (diberi label fluoresen dengan warna oranye dan hijau menggunakan probe genetik) yang berada di dalam diatom yang dikumpulkan dari Atlantik Utara tropis. Inti diatom ditampilkan dalam warna biru cerah. Kredit: Institut Mikrobiologi Kelautan Mertcan Esti/Max Planck, Bremen, Jerman
Pemecah nitrogen laut misterius yang bersembunyi di dalam diatom
Selama bertahun-tahun diasumsikan bahwa sebagian besar fiksasi nitrogen di lautan dilakukan oleh organisme fotosintetik yang disebut cyanobacteria. Namun, di wilayah lautan yang luas, jumlah cyanobacteria tidak cukup untuk mengukur fiksasi nitrogen. Oleh karena itu, kontroversi pun muncul, dengan banyak ilmuwan berhipotesis bahwa mikroorganisme non-sianobakteri bertanggung jawab atas “hilangnya” fiksasi nitrogen.
“Selama bertahun-tahun, kami telah menemukan fragmen gen yang mengkode enzim pengikat nitrogenase nitrogen, yang tampaknya milik salah satu pengikat nitrogen non-sianobakteri tertentu,” kata Marcel Kuypers, penulis utama studi tersebut. “Tapi, kami tidak dapat mengetahui secara pasti siapa organisme misterius itu dan oleh karena itu kami tidak tahu apakah organisme tersebut penting untuk fiksasi nitrogen.”
Sekelompok diatom dengan simbion berlabel fluoresennya. Kredit: Institut Mikrobiologi Kelautan Mertcan Esti/Max Planck, Bremen, Jerman
Pada tahun 2020, para ilmuwan melakukan perjalanan dari Bremen ke Atlantik Utara yang tropis untuk mengikuti ekspedisi yang melibatkan dua kapal penelitian Jerman. Mereka mengumpulkan ratusan liter air laut dari wilayah tersebut, tempat berlangsungnya sebagian besar fiksasi nitrogen laut secara global, dengan harapan dapat mengidentifikasi dan mengukur pentingnya fiksasi nitrogen yang misterius tersebut. Mereka memerlukan waktu tiga tahun berikutnya untuk akhirnya memecahkan teka-teki genomnya.
“Ini adalah pekerjaan detektif yang panjang dan melelahkan,” kata Bernhard Tschitschko, penulis pertama studi tersebut dan pakar bioinformatika, “tetapi pada akhirnya, genom memecahkan banyak misteri.” Yang pertama adalah identitas organismenya, “Meskipun kami mengetahui bahwa gen nitrogenase berasal dari bakteri terkait Vibrio, di luar dugaan, organisme itu sendiri berkerabat dekat dengan Rhizobia yang hidup bersimbiosis dengan kacang-kacangan,” jelas Tschitschko. Ditambah dengan genomnya yang sangat kecil, hal ini meningkatkan kemungkinan bahwa Rhizobia laut mungkin merupakan simbion.
Simbiosis pertama yang diketahui semacam ini
Didorong oleh penemuan ini, penulis mengembangkan penyelidikan genetik yang dapat digunakan untuk memberi label fluoresensi pada Rhizobia. Begitu mereka menerapkannya pada sampel air laut asli yang dikumpulkan dari Atlantik Utara, kecurigaan mereka bahwa itu adalah simbion dengan cepat terkonfirmasi. “Kami menemukan kumpulan empat Rhizobia, yang selalu berada di tempat yang sama di dalam diatom,” kata Kuypers. “Ini sangat menarik karena ini adalah simbiosis pertama yang diketahui antara diatom dan pemecah nitrogen non-sianobakteri.”
Para ilmuwan menamai simbion yang baru ditemukan itu calon Tektiglobus diatomicola. Setelah akhirnya menemukan identitas pemecah nitrogen yang hilang, mereka memusatkan perhatian untuk mencari tahu bagaimana bakteri dan diatom hidup dalam kemitraan. Dengan menggunakan teknologi yang disebut nanoSIMS, mereka dapat menunjukkan bahwa Rhizobia menukar nitrogen tetap dengan diatom dengan imbalan karbon.
Dan mereka berupaya keras: “Untuk mendukung pertumbuhan diatom, bakteri mengikat nitrogen 100 kali lipat lebih banyak daripada yang dibutuhkannya,” jelas Wiebke Mohr, salah satu ilmuwan di makalah tersebut.
Bertemu dan menyapa di laut. Dua kapal penelitian yang terlibat dalam penelitian ini (R/V Meteor dan R/V Maria S. Merian) bertemu beberapa kali selama ekspedisi. Kredit: Wiebke Mohr/Institut Mikrobiologi Kelautan Max Planck, Bremen, Jerman
Berperan penting dalam menjaga produktivitas kelautan
Selanjutnya tim kembali ke lautan untuk mengetahui seberapa luas simbiosis baru ini terhadap lingkungan. Ternyata kemitraan baru ini ditemukan di seluruh lautan di dunia, terutama di wilayah di mana bahan pengikat nitrogen sianobakteri jarang ditemukan. Dengan demikian, organisme kecil ini kemungkinan besar merupakan pemain utama dalam fiksasi nitrogen total di lautan, dan oleh karena itu memainkan peran penting dalam mempertahankan produktivitas laut dan penyerapan karbon dioksida di lautan secara global.
Kandidat utama untuk teknik pertanian?
Selain pentingnya fiksasi nitrogen di lautan, penemuan simbiosis ini mengisyaratkan peluang menarik lainnya di masa depan. Kuypers sangat antusias dengan arti penemuan ini dari sudut pandang evolusi.
“Adaptasi evolusioner dari Ca. T. diatomicola sangat mirip dengan cyanobacterium UCYN-A endosimbiotik, yang berfungsi sebagai organel pengikat nitrogen tahap awal. Oleh karena itu, sangat menggoda untuk berspekulasi tentang hal itu Ca. T. diatomicola dan inang diatomnya mungkin juga berada pada tahap awal untuk menjadi organisme tunggal.”
Tschitschko setuju bahwa identitas dan sifat mirip organel dari simbion sangat menarik, “Sejauh ini, organel tersebut hanya terbukti berasal dari cyanobacteria, namun implikasi dari menemukannya di antara Rhizobiales sangat menarik, mengingat bakteri ini adalah sangat penting bagi pertanian. Ukuran kecil dan sifat mirip organel dari Rhizobiales laut berarti bahwa Rhizobia laut mungkin menjadi kandidat utama untuk merekayasa tanaman pengikat nitrogen suatu hari nanti.”
Para ilmuwan sekarang akan terus mempelajari simbiosis yang baru ditemukan dan melihat apakah simbiosis serupa juga ada di lautan.
Referensi: “Simbiosis Rhizobia-diatom memperbaiki nitrogen yang hilang di lautan Simbiosis Rhizobia-diatom memperbaiki nitrogen yang hilang di lautan” 9 Mei 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07495-w
