Perkecambahan biji tergantung pada cahaya di banyak tanaman. Tetapi tidak selalu: Aethionema arabicum, tanaman yang beradaptasi dengan kondisi lingkungan yang menantang, melakukannya dengan caranya sendiri. Di sini, fitokrom, reseptor untuk cahaya merah dan merah jauh, memainkan peran tak terduga dalam perkecambahan biji dan mengatur waktu proses ini hingga musim yang optimal.
Temuan ini, sekarang diterbitkan di Fisiologi Tumbuhan, adalah contoh menarik dari pengkabelan ulang modul pensinyalan evolusioner yang membantu tanaman beradaptasi dengan habitatnya. Studi ini dipimpin oleh para peneliti di Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology (GMI) dari Austrian Academy of Sciences.
sementara beberapa bibit tanaman membutuhkan cahaya untuk berkecambah, benih lainnya tidak peka atau bahkan terhambat oleh cahaya. Sebagian besar wawasan tentang peran cahaya selama perkecambahan biji berasal dari penelitian menggunakan organisme model Arabidopsis thaliana, di mana cahaya diperlukan untuk memulai perkecambahan.
Sebaliknya, cahaya adalah penghambat perkecambahan yang kuat pada tanaman lain, tetapi dasar molekuler dari efek ini sebagian besar masih belum diketahui. Sebuah tim peneliti, dipimpin oleh Dr. Zsuzsanna Mérai di Institut Gregor Mendel (GMI), sekarang menggunakan tanaman Aethionema arabicum (Brassicaceae) untuk menyelidiki mekanisme molekuler penghambatan cahaya benih pengecambahan.
Aethionema arabicum berasal dari habitat terbuka dan kering di mana perkecambahan biji di permukaan pada hari yang cerah, panjang, dan panas akan mengurangi peluang kelangsungan hidup bibit. Penghambatan cahaya perkecambahan ditafsirkan sebagai sifat untuk membatasi perkecambahan pada musim yang lebih dingin atau benih yang terletak di bawah tanah.
Dalam penelitian mereka, Mérai dan rekan-rekannya mendemonstrasikan bahwa fitokrom, reseptor cahaya untuk panjang gelombang merah dan merah jauh, memainkan peran ganda dalam respons terhadap cahaya di Aethionema; mereka dapat merangsang tetapi juga menghambat perkecambahan. Dengan mengukur Intensitas cahaya dan durasi melalui phytochromes, benih memperoleh informasi tentang panjang hari dan dengan itu, tentang musim.
Varian Cypriot membantu dalam memahami penghambatan cahaya
Mérai dan rekannya menggunakan benih dari salah satu varian Aethionema yang berasal dari Siprus (CYP) yang tidak berkecambah saat terpapar cahaya putih. Di dalamnya habitat alami, varian CYP hanya berkecambah di awal musim semi saat siang hari relatif singkat, dan suhunya sejuk. Ini memungkinkan tanaman untuk menyelesaikan siklus hidupnya sebelum musim panas yang kering.
Mérai berusaha untuk menyelidiki mekanisme penghambatan cahaya di Aethionema CYP dengan membuat kumpulan benih termutasi yang disaring untuk mutan yang dapat berkecambah juga dalam cahaya putih, berbeda dengan garis aslinya. Sekarang, para peneliti mengkarakterisasi satu mutan di tingkat molekuler.
Mereka menyebutnya "koy-1", setelah Koyash, dewa matahari dalam mitologi Turki. Mereka menunjukkan bahwa mutasinya memengaruhi HEME OXYGENASE 1, gen kunci yang diperlukan untuk biosintesis kromofor, molekul fitokrom pendeteksi cahaya. Mutasi ini membatasi jumlah protein kromofor dan bertanggung jawab atas perubahan respons cahaya koy-1.
Peran ganda fitokrom memungkinkan adaptasi lingkungan
Mutan koy-1 memungkinkan Mérai dan rekan-rekannya mengungkap detail mekanistik lebih lanjut. “Dengan memvariasikan intensitas cahaya, panjang gelombang, dan durasi, kami dapat membedah pola respons cahaya kompleks yang terkait dengan fitokrom di Aethionema,” kata Mérai. dalam perkecambahan biji Aethionema.”
Eksperimen mereka menunjukkan bahwa intensitas dan durasi cahaya yang tinggi sangat menghambat perkecambahan, sedangkan paparan singkat mendukung perkecambahan. Dua respons yang berlawanan terhadap cahaya ini dihasilkan dari proporsi yang berbeda antara dua hormon utama: asam absisat penghambat perkecambahan (ABA) versus asam giberelat (GA) yang menginduksi perkecambahan.
“Kami sudah tahu bahwa paparan cahaya pada Arabidopsis menghasilkan tingkat GA dan ABA yang tinggi. Sekarang, kita juga tahu bahwa Aethionema CYP merespon dengan cara yang sama di bawah cahaya yang sangat terbatas. Namun, dengan meningkatnya radiasi, kadar hormon benar-benar terbalik, mengakibatkan penghambatan perkecambahan, ”kata Mérai. "Respon yang berlawanan terhadap intensitas dan durasi cahaya memiliki dasar genetik dan merupakan adaptasi terhadap lingkungan alami tanaman, memungkinkan Aethionema CYP berkecambah di awal musim semi, tetapi tidak lebih lambat."
Evolution bekerja dengan modul pengkabelan ulang
Dengan mengungkap bahwa pemain molekuler yang sama dapat memediasi efek yang bertentangan secara diametris, tim mendokumentasikan bagaimana evolusi mungkin telah "mengubah" modul yang ada untuk merespons persyaratan lingkungan secara memadai. Dengan variasi kombinatorial seperti itu, yang didokumentasikan dalam banyak organisme, evolusi dapat mencapai perubahan "cepat" tanpa perlu pemain baru berevolusi dari awal.
“Temuan kami membuka jalan untuk pemahaman yang lebih baik tentang proses molekuler di alam dan keanekaragaman hayati dengan mempelajari organisme non-model dan tumbuhan non-tanaman. Pengetahuan ilmiah yang diperoleh dari Arabidopsis sangat penting, tetapi tidak selalu mewakili semua tumbuhan. Di sini, kami menunjukkan bahwa kami bahkan dapat mengungkap mekanisme molekuler yang benar-benar berlawanan di alam,” simpul Mérai, yang karyanya menetapkan Aethionema sebagai model baru untuk mempelajari efek cahaya pada benih. perkecambahan.