Pada 1980-an, Howard-Yana Shapiro, sekarang kepala pertanian di Mars, Incorporated, sedang mencari jagung jenis baru. Dia berada di Distrik Mixes Oaxaca di Meksiko selatan, daerah di mana prekursor jagung (alias jagung) pertama kali berevolusi, ketika dia menemukan beberapa jagung teraneh yang pernah dilihat. Tidak hanya tingginya 16 sampai 20 kaki, mengerdilkan barang setinggi 12 kaki di ladang Amerika, butuh enam hingga delapan bulan untuk matang, jauh lebih lama dari 3 bulan yang dibutuhkan untuk jagung konvensional. Namun itu tumbuh ke ketinggian yang mengesankan dalam apa yang bisa disebut sebagai tanah yang buruk, tanpa menggunakan pupuk. Tetapi bagian paling aneh dari jagung adalah akar udaranya - tonjolan hijau seperti mawar yang menonjol dari jari. tangkai jagung, diteteskan dengan gel sirup yang bening.
Shapiro curiga bahwa jari-jari berlendir itu mungkin Cawan Suci pertanian. Dia percaya bahwa akar memungkinkan varietas jagung unik ini, dijuluki Sierra Mixe dan dibiakkan secara lokal selama ratusan atau bahkan ribuan tahun, untuk menghasilkan nitrogen sendiri, nutrisi penting untuk tanaman yang biasanya digunakan sebagai pupuk dalam jumlah besar.
Gagasan itu tampak menjanjikan, tetapi tanpa alat DNA untuk melihat secara spesifik bagaimana jagung membuat nitrogen, penemuan itu disimpan. Hampir dua dekade kemudian, pada 2005, Alan B. Bennett dari University of California, Davis — bersama dengan Shapiro dan peneliti lainnya — mulai menggunakan teknologi canggih untuk melihat sifat pengikat nitrogen dari jagung dahak, menemukan bahwa memang, Bakteri yang hidup di lendir menarik nitrogen dari udara, mentransmisikannya ke dalam bentuk yang bisa diserap jagung.
Sekarang, setelah lebih dari satu dekade penelitian lapangan dan analisis genetik, tim telah menerbitkan karya mereka di jurnal PLOS Biology. Jika sifat pengikat nitrogen dapat dibiakkan menjadi jagung konvensional, yang memungkinkannya untuk menghasilkan bahkan sebagian dari nitrogennya sendiri, itu dapat mengurangi biaya pertanian, mengurangi emisi gas rumah kaca dan menghentikan salah satu polutan utama di danau, sungai dan samudra. Dengan kata lain, itu bisa mengarah pada revolusi nitrogen kedua.
Produksi sintetis nitrogen mungkin merupakan pencapaian terbesar abad ke-20. Penemuan proses Haber-Bosch dan penyempurnaannya, di mana nitrogen dilepaskan dari udara di bawah panas tinggi dan tekanan di hadapan katalis, telah menyebabkan tiga hadiah Nobel yang terpisah. Dan mereka memang layak. Diperkirakan hasil panen lebih dari dua kali lipat antara tahun 1908 dan 2008, dengan pupuk nitrogen sintetis bertanggung jawab hingga setengah dari pertumbuhan itu. Beberapa peneliti telah mengaitkan pertumbuhan besar-besaran dalam populasi manusia dalam tujuh puluh tahun terakhir dengan peningkatan penggunaan pupuk nitrogen. Tanpa itu, kita harus bertani hampir empat kali lipat dari tanah atau memiliki milyaran orang lebih sedikit di dunia.
Tetapi menghasilkan semua nitrogen itu memiliki konsekuensi. Diperkirakan bahwa membuat pupuk melalui proses Haber-Bosch menggunakan antara 1 dan 2 persen energi dunia, memancarkan banyak gas rumah kaca. Dan nitrogen sintetis secara rutin menyapu ladang-ladang ke saluran air, yang mengarah ke ganggang besar yang menyedot semua oksigen, membunuh ikan dan organisme lainnya. Begitu banyak nitrogen masuk ke sungai dan aliran yang telah dikembangkan zona mati besar di muara sungai dunia, termasuk satu di Teluk Meksiko yang tahun lalu seukuran New Jersey. Mark Sutton dari Pusat Ekologi dan Hidrologi Inggris menyebut nitrogen "bapak baptis polusi" - efeknya ada di mana-mana, tetapi Anda tidak pernah benar-benar melihat pelakunya.
Para peneliti bahkan mentransplantasikan jagung ke Madison, Wisconsin, menemukan bahwa itu masih mampu membuat nitrogen sendiri dari lingkungan asalnya. (Foto: Jean-Michel Ané) Tapi kita tidak bisa berhenti dari nitrogen tanpa melihat pengurangan besar dalam pertanian. Meskipun praktik pengelolaan dan pertanian yang lebih baik dapat membantu mencegahnya dari saluran air, strategi itu tidak cukup untuk memperbaiki masalah ekologis nitrogen. Itu sebabnya para peneliti selama beberapa dekade bertanya-tanya apakah ada cara untuk membantu tanaman sereal seperti jagung dan gandum menghasilkan nitrogen mereka sendiri.
Idenya tidak terlalu jauh dari kedengarannya. Banyak tanaman, khususnya kacang-kacangan seperti kedelai, kacang tanah dan semanggi, memiliki hubungan simbiosis dengan bakteri Rhizobium, yang menghasilkan nitrogen untuk mereka. Tanaman menumbuhkan nodul akar di mana bakteri tinggal dan menghirup gula tanaman sambil mengubah nitrogen di udara menjadi bentuk yang dapat digunakan tanaman. Jika hubungan simbiotik yang serupa dapat ditemukan yang bekerja pada tanaman sereal seperti jagung dan gandum, para peneliti percaya kita dapat mengurangi penggunaan polutan.
Itu sebabnya lendir jagung sangat penting, dan mengapa Bennett dan timnya menghabiskan delapan tahun mempelajari dan mempelajari kembali bakteri dan gel untuk meyakinkan diri mereka bahwa jagung memang mampu menghasilkan nitrogen sendiri. Menggunakan sekuensing DNA, mereka mampu menunjukkan mikroba dalam gen yang dibawa lendir untuk mengikat nitrogen dan menunjukkan gel ekskresi jagung, yang merupakan gula tinggi dan oksigen rendah, dirancang sempurna untuk mendorong fiksasi nitrogen. Dengan menggunakan lima tes berbeda, mereka menunjukkan bahwa nitrogen yang diproduksi oleh mikroba kemudian masuk ke jagung, menyediakan 30 hingga 80 persen dari kebutuhan tanaman. Mereka kemudian menghasilkan versi sintetis dari lendir dan menaburnya dengan mikroba, menemukan bahwa mereka menghasilkan nitrogen di lingkungan itu juga. Mereka bahkan menumbuhkan Sierra Mixe di Davis, California, dan Madison, Wisconsin, menunjukkan bahwa mereka dapat melakukan trik khusus di luar wilayah asalnya di Meksiko.
“Mekanisme ini sama sekali berbeda dari apa yang digunakan legum, ” kata Bennett, menambahkan mungkin ada di tanaman lain juga. “Dapat dibayangkan bahwa jenis sistem yang serupa ada di banyak sereal. Sorgum, misalnya, memiliki akar udara dan lendir. Mungkin yang lain memiliki mekanisme yang lebih halus yang terjadi di bawah tanah yang bisa ada lebih luas. Sekarang kami sadar, kami bisa mencarinya. ”
Rekan penulis Jean Michel-Ane dari University of Wisconsin, Madison, setuju bahwa penemuan ini membuka semua jenis kemungkinan baru. “Rekayasa jagung untuk memperbaiki nitrogen dan membentuk bintil akar seperti kacang-kacangan telah menjadi impian dan perjuangan para ilmuwan selama beberapa dekade. Ternyata jagung ini mengembangkan cara yang sama sekali berbeda untuk menyelesaikan masalah fiksasi nitrogen ini. Komunitas ilmiah mungkin meremehkan fiksasi nitrogen pada tanaman lain karena obsesinya dengan nodul akar, ”katanya dalam sebuah pernyataan. "Jagung ini menunjukkan kepada kita bahwa alam dapat menemukan solusi untuk beberapa masalah yang jauh melampaui apa yang dapat dibayangkan oleh para ilmuwan."
Ternyata alam memiliki lebih banyak trik penghasil nitrogen di lengan bajunya yang baru saja ditangani para peneliti. Ada beberapa proyek yang sedang berlangsung lainnya yang bertujuan mendapatkan sereal dan tanaman sayuran untuk melakukan Haber-Bosching untuk kita. Salah satu yang paling menjanjikan adalah penggunaan endofit, atau mikroorganisme seperti bakteri dan jamur yang hidup di ruang antar sel tanaman. Peneliti Universitas Washington, Sharon Doty, tertarik pada organisme beberapa dekade lalu. Dia sedang mempelajari pohon willow dan poplar, yang merupakan salah satu pohon pertama yang tumbuh di tanah yang terganggu setelah peristiwa seperti letusan gunung berapi, banjir atau runtuhan batu. Pohon-pohon ini tumbuh dari kerikil sungai, dengan hampir tidak ada akses ke nitrogen di tanah. Di dalam batang mereka, bagaimanapun, Doty menemukan endofit yang memperbaiki nitrogen untuk pohon, tidak ada nodul akar yang diperlukan. Sejak itu, dia menggoda berbagai jenis endofit, yang banyak di antaranya membantu tanaman dengan cara yang mengejutkan. Beberapa menghasilkan nitrogen atau fosfor, nutrisi penting lainnya, sementara yang lain meningkatkan pertumbuhan akar dan beberapa memungkinkan tanaman untuk bertahan hidup dalam kondisi kekeringan atau garam tinggi.
"Ada banyak sekali mikroba berbeda yang dapat memperbaiki nitrogen dan berbagai spesies tanaman yang terkena dampaknya, " katanya. Tesnya menunjukkan bahwa mikroba dapat menggandakan produktivitas tanaman lada dan tomat, meningkatkan pertumbuhan padi, dan memberikan toleransi kekeringan pada pohon-pohon seperti cemara Douglas. Beberapa bahkan memungkinkan pohon dan tanaman untuk menyedot dan memecah kontaminan industri dan sekarang digunakan untuk membersihkan situs Superfund. “Keuntungan menggunakan endofit adalah bahwa itu adalah kelompok yang sangat besar. Kami telah menemukan strain yang bekerja dengan beras, jagung, tomat, paprika dan tanaman pertanian penting lainnya. "
Faktanya, endofit mungkin membuatnya menjadi tangan petani lebih cepat daripada nanti. IntrinsyxBio yang berbasis di Los Altos, California, mengkomersialkan beberapa endofita Doty. Chief Science Officer John L. Freeman mengatakan dalam sebuah wawancara perusahaan berada di jalur yang tepat untuk memiliki produk yang siap dipasarkan pada tahun 2019. Tujuannya adalah untuk mengirimkan beberapa strain endofit ke dalam tanaman, kemungkinan besar dengan cara melapisi benih. Setelah bakteri itu tinggal di dalam tanaman, mereka harus memompa sekitar 25 persen dari nitrogen yang dibutuhkannya.
Perusahaan biotek lain, yang disebut Pivot Bio, baru-baru ini mengumumkan sedang menguji beta solusi yang sama, menggunakan mikroba pengikat nitrogen yang tumbuh di sistem akar jagung.
Bidang biologi sintetik yang baru muncul juga sedang memecahkan masalah nitrogen. Joyn Bio yang berbasis di Boston, yang dibentuk September lalu, adalah proyek bersama antara Bayer dan Ginkgo Bioworks, sebuah perusahaan biotek dengan pengalaman menciptakan ragi dan bakteri khusus untuk industri makanan dan penyedap, di antara proyek “perancang mikroba” lainnya. Joyn saat ini menyisir melalui perpustakaan Bayer lebih dari 100.000 mikroba untuk menemukan inang yang dapat berhasil menjajah tanaman, mirip dengan endofita Doty. Kemudian mereka berharap untuk men-tweak "host chassis" dengan gen yang akan memungkinkannya untuk memperbaiki nitrogen. “Daripada mengandalkan alam dan menemukan mikroba ajaib, yang menurut kami tidak ada, kami ingin menemukan mikroba inang dan menyempurnakannya untuk melakukan apa yang kami perlukan untuk jagung atau gandum, ” kata CEO Joyn Michael Miille .
Gates Foundation juga terlibat dalam permainan ini, mendukung proyek-proyek yang mencoba menanamkan kemampuan pengikatan nitrogen dari kacang-kacangan ke dalam sereal. Masih tim lain berharap bahwa munculnya komputasi kuantum supercharged akan membuka bidang kimia baru dan mengidentifikasi katalis baru yang akan membuat proses Haber-Bosch jauh lebih efisien.
Meskipun tidak mungkin satu solusi saja akan dapat menggantikan 100 persen pupuk sintetis yang digunakan manusia, mungkin bersama-sama proyek-proyek ini dapat mengurangi polusi nitrogen. Bennett berharap bahwa Sierra Mixe dan apa yang telah dipelajari timnya akan menjadi bagian dari revolusi nitrogen, meskipun ia mengakui bahwa ini adalah lompatan yang sangat panjang sebelum jari-jari jagungnya yang berlendir mulai memproduksi nitrogen pada tanaman konvensional. Dia sekarang ingin mengidentifikasi gen yang menghasilkan akar udara dan menentukan mana dari ribuan mikroba yang ditemukan dalam lendir yang benar-benar memperbaiki nitrogen.
“Saya pikir apa yang kami lakukan bisa menjadi pelengkap bagi pendekatan [endoyphte dan biologi sintetis] ini, ” katanya. "Saya pikir kita akan melihat banyak strategi yang berbeda, dan dalam 5 hingga 10 tahun akan muncul sesuatu yang berdampak bagaimana jagung mendapat nitrogen."
Catatan editor 8/15/18: Draf awal artikel ini salah mengeja nama John L. Freeman dan salah mengidentifikasi perusahaannya saat ini.
