Wawasan Baru mengenai Simbiosis Rhizobia-Diatom

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 mengontrol 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 tumbuhan 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 Mikrobiologi Kelautan Max Planck 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 sudah lama ada dan memiliki potensi penerapan luas di bidang pertanian.

Pemecah nitrogen laut misterius yang bersembunyi di dalam diatom

Selama bertahun-tahun diasumsikan bahwa sebagian besar fiksasi nitrogen di lautan dilakukan oleh organisme fotosintesis yang disebut cyanobacteria. Namun, di wilayah lautan yang luas, jumlah cyanobacteria tidak cukup untuk mengukur fiksasi nitrogen. Oleh karena itu, kontroversi 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 nitrogen nitrogenase, yang tampaknya termasuk dalam salah satu pengikat nitrogen non-sianobakteri tertentu,” kata Marcel Kuypers, penulis utama studi tersebut. “Tetapi, kita tidak dapat mengetahui secara pasti siapa organisme misterius ini dan oleh karena itu kita tidak mengetahui apakah organisme ini penting untuk fiksasi nitrogen.”

Sekelompok diatom dengan simbion berlabel fluoresensi. 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 mengambil bagian dalam ekspedisi yang melibatkan dua kapal penelitian Jerman. Mereka mengumpulkan ratusan liter air laut dari wilayah tersebut, tempat sebagian besar fiksasi nitrogen laut terjadi secara global, dengan harapan dapat mengidentifikasi dan mengukur pentingnya fiksasi nitrogen yang misterius ini. Mereka membutuhkan waktu tiga tahun lagi untuk akhirnya memecahkan teka-teki genomnya.

“Ini merupakan 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 kita mengetahui bahwa gen nitrogenase berasal dari bakteri terkait Vibrio, namun di luar dugaan, organisme tersebut berkerabat dekat dengan Rhizobia yang hidup bersimbiosis dengan tanaman polong-polongan,” 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 fokus mencari tahu bagaimana bakteri dan diatom hidup berpasangan. Dengan menggunakan teknologi yang disebut nanoSIMS, mereka mampu menunjukkan bahwa Rhizobia menukar nitrogen tetap dengan diatom dengan imbalan karbon.

Dan mereka melakukan banyak upaya: “Untuk mendukung pertumbuhan diatom, bakteri mengikat nitrogen 100 kali lebih banyak dari yang mereka butuhkan,” jelas Wiebke Mohr, salah satu ilmuwan yang terlibat dalam makalah tersebut.

Bertemu dan menyapa di laut. Kedua 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 laut untuk mengetahui seberapa luas simbiosis baru ini terhadap lingkungan. Ternyata kemitraan baru ini ditemukan di seluruh lautan di dunia, terutama di wilayah di mana agen pengikat nitrogen sianobakteri jarang ditemukan. Oleh karena itu, organisme kecil ini kemungkinan besar merupakan pemain utama dalam fiksasi total nitrogen di lautan, dan oleh karena itu berperan penting dalam menjaga produktivitas laut dan penyerapan karbon dioksida di lautan secara global.

Kandidat teratas untuk teknik pertanian?

Selain pentingnya fiksasi nitrogen di laut, 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 mengenai hal tersebut 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 menemukannya di antara Rhizobiales sangat menarik, mengingat bakteri ini adalah sangat penting bagi pertanian. Ukuran kecil dan sifat mirip organel dari Rhizobia laut berarti bahwa mereka mungkin menjadi kandidat utama untuk merekayasa tanaman pengikat nitrogen suatu hari nanti.”

Para ilmuwan kini 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, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-024-07495-w