Tumbuhan Menemukan Cahaya Menggunakan Celah Antar Selnya | Majalah Kuanta

Di rak yang dilapisi pot terra cotta, tanaman herba membengkokkan batangnya ke arah jendela terdekat. Di ladang bunga liar emas, dedaunan berputar mengikuti jalur matahari. Di hutan belang-belang, tanaman merambat melilit pepohonan, menjulang ke atas dan menjauhi kegelapan.

Sejak zaman kuno, kemampuan tumbuhan untuk mengarahkan tubuh tanpa matanya ke arah sumber cahaya terdekat dan paling terang – yang sekarang dikenal sebagai fototropisme – telah memesona para sarjana dan menghasilkan perdebatan ilmiah dan filosofis yang tak terhitung jumlahnya. Dan selama 150 tahun terakhir, para ahli botani telah berhasil mengungkap banyak jalur molekuler utama yang mendasari bagaimana tanaman merasakan cahaya dan bertindak berdasarkan informasi tersebut.

Namun sebuah misteri kritis masih bertahan. Hewan menggunakan mata – organ kompleks yang terdiri dari lensa dan fotoreseptor – untuk mendapatkan gambaran rinci tentang dunia di sekitar mereka, termasuk arah cahaya. Tumbuhan, menurut para ahli biologi, memiliki seperangkat alat molekuler yang kuat untuk mengukur pencahayaan. Namun dengan tidak adanya organ penginderaan fisik yang jelas seperti lensa, bagaimana tumbuhan mengetahui dengan tepat arah datangnya cahaya?

Kini, tim peneliti Eropa telah menemukan jawabannya. Dalam makalah terbaru diterbitkan dalam Ilmu, mereka melaporkan bahwa rumput liar di pinggir jalan — Arabidopsis, favorit para ahli genetika tanaman — menggunakan ruang udara di antara sel-selnya untuk menyebarkan cahaya, mengubah jalur cahaya yang melewati jaringannya. Dengan cara ini, saluran udara menciptakan gradien cahaya yang membantu bibit menentukan secara akurat dari mana cahaya berasal.

Dengan memanfaatkan saluran udara untuk menyebarkan cahaya, tanaman menghindari kebutuhan akan organ terpisah seperti mata dan memilih trik yang lebih rapi: kemampuan untuk “melihat” dengan seluruh tubuhnya.

Perdebatan yang Mengakar

Mengapa dan bagaimana tumbuhan mengorientasikan dirinya terhadap cahaya menjadi bahan perdebatan sengit selama lebih dari 2,000 tahun. Para filsuf Yunani awal berpendapat bahwa tumbuhan, seperti halnya hewan, mampu merasakan sensasi dan gerakan, dan bahkan hasrat dan kecerdasan. Namun para pemikir belakangan seperti Aristoteles menegaskan bahwa tumbuhan pada dasarnya bersifat pasif, tidak mampu merasakan lingkungannya, apalagi bergerak bersamanya. “Tanaman tidak memiliki sensasi atau keinginan,” tulisnya Tentang Tumbuhan. “Pandangan-pandangan ini harus kita tolak karena dianggap tidak masuk akal.” Selama berabad-abad, para sarjana cenderung sependapat dengannya.

Baru pada tahun 1658 alkemis dan filsuf alam Thomas Browne menetapkan fototropisme sebagai fakta dengan mendokumentasikan bahwa bibit sawi yang tumbuh dalam pot di ruang bawah tanah terus-menerus mengarahkan pertumbuhannya ke jendela yang terbuka. Namun selama lebih dari dua abad setelahnya, para ahli biologi terus berdebat tentang bagaimana tumbuhan melakukan hal tersebut, dan apakah mereka merespons cahaya matahari atau panasnya.

Pada tahun 1880, Charles Darwin dan putranya Francis memimpin eksperimen untuk menggambarkan mekanisme fototropik yang akhirnya terbukti. Seperti yang dijelaskan dalam Kekuatan Gerakan pada Tumbuhan, pasangan ini menanam bibit – tanaman yang belum dapat melakukan fotosintesis, dan hanya mengandalkan energi yang tersimpan dari benihnya – di ruangan gelap. Ketika cahaya biru menyinari mereka dari arah tertentu, tanaman itu menjangkau ke arah itu. Kemudian, saat keluarga Darwin memindahkan cahaya ke sekeliling ruangan, mereka melacak pergerakan bibit tersebut.

Berdasarkan eksperimen mereka, keluarga Darwin menyatakan bahwa bibit paling sensitif terhadap cahaya di bagian ujung pucuk, dan apa yang mereka rasakan di sana menyebabkan produksi suatu zat yang mempengaruhi arah pertumbuhan tanaman. Pada tahun 1920-an, para ahli botani telah mencapai konsensus yang menguraikan model tersebut: bahwa tanaman memiliki sensor cahaya di ujungnya dan menghasilkan hormon (yang kemudian diidentifikasi sebagai auksin) yang mendorong pertumbuhan lebih banyak pada sisi yang teduh, sehingga menyebabkan batang dan daun tumbuh. untuk membungkuk ke arah cahaya.

Seperti banyak penemuan hebat lainnya, penemuan ini membuka pertanyaan baru: Bagaimana tepatnya tumbuhan bisa merasakan cahaya? Mereka tidak memiliki organ indera yang jelas. Para peneliti mulai curiga bahwa tumbuhan pasti memiliki kemampuan sensorik yang canggih.

Para ahli biologi molekuler mengambil inisiatif untuk menunjukkan bahwa tanaman dapat mengukur dan bereaksi terhadap spektrum cahaya yang jauh lebih luas dibandingkan dengan mata hewan, meskipun mereka tidak memiliki organ khusus untuk persepsi. Lima keluarga fotoreseptor yang berbeda, ditambah hormon dan jalur sinyal, bekerja sama untuk menentukan arah tanaman membangun jaringan baru hingga tingkat sel - menjelaskan bagaimana batang memelintir, memutar, dan menembak ke atas sesuai kebutuhan. Fotoreseptor ini tersebar di seluruh tubuh tumbuhan tetapi sebagian besar terkonsentrasi di jaringan bagian dalam batang, katanya Christian Fankhauser, seorang ahli biologi tanaman di Universitas Lausanne di Swiss dan penulis studi baru ini.

Namun, sensor sederhana saja tidak cukup untuk memberi tanaman kemampuan menentukan arah cahaya. Untuk menentukan dengan tepat arah pencahayaan yang kuat, tanaman harus mampu membandingkan sinyal antara fotoreseptor yang berbeda sehingga tanaman dapat mengarahkan pertumbuhannya ke arah cahaya yang paling kuat. Dan untuk itu mereka memerlukan cahaya yang masuk untuk jatuh ke sensor mereka dalam gradien dari paling terang ke paling redup.

Hewan telah memecahkan masalah ini melalui perkembangan mata. Organisme sederhana, seperti cacing planaria, hidup dengan “bintik mata” yang hanya merasakan ada atau tidaknya cahaya. Pada mata hewan yang lebih kompleks seperti mata kita, ciri-ciri anatominya mirip dengan lensa mengarahkan cahaya ke retina, yang dikemas dengan fotosensor. Otak kemudian membandingkan jumlah cahaya yang masuk melalui lensa melengkung dengan jumlah yang tercatat pada sel terpisah. Sistem ini, yang menggabungkan manipulasi fisik cahaya dengan sensor molekuler, memungkinkan deteksi gradien kecerahan dan bayangan yang sangat halus, serta resolusinya ke dalam gambar yang kita sebut penglihatan.

Tapi karena tumbuhan tidak punya otak, mereka memerlukan sistem pasif untuk sampai pada kesimpulan yang sama. Itulah sebabnya kemampuan tanaman untuk membentuk gradien fisik sangatlah penting: Tanaman menciptakan perbedaan yang melekat antar sel tanpa memerlukan tanaman untuk membuat perbandingan aktif.

Oleh karena itu, para ahli botani menghadapi teka-teki. Apakah fototropisme sepenuhnya merupakan proses molekuler, seperti yang diduga beberapa orang, atau dapatkah tumbuhan mengubah berkas cahaya untuk menciptakan gradien dan mengarahkan responsnya dengan lebih baik? Jika yang terakhir ini benar, maka tumbuhan pasti memiliki struktur fisik yang memungkinkannya memfokuskan cahaya.

Struktur itu akhirnya akan diidentifikasi dalam versi mutan dari rumput liar pinggir jalan yang berjuang untuk menemukan cahaya.

Mutan Buta

Thale cress - dikenal dalam sains sebagai Arabidopsis thaliana — bukanlah tanaman yang sangat menarik. Gulma setinggi 25 sentimeter ini menyukai lahan terganggu, tepi lapangan, dan bahu jalan. Berasal dari Afrika dan Eurasia, sekarang ditemukan di setiap benua kecuali Antartika. Ahli biologi tumbuhan telah mengadaptasinya ke dalam gaya hidup ilmiah: Siklus hidupnya pendek, genomnya kecil (dipetakan sepenuhnya pada tahun 2000) dan kecenderungan untuk menghasilkan mutasi yang berguna di laboratorium menjadikannya organisme model yang sangat baik untuk memahami pertumbuhan dan genetika tanaman.

Fankhauser telah bekerja dengan Arabidopsis sejak tahun 1995 untuk mempelajari bagaimana cahaya membentuk pertumbuhan tanaman. Pada tahun 2016, laboratoriumnya menyaring gen bibit untuk menemukan tanaman mutan dengan respons tidak biasa terhadap cahaya. Mereka menanam benih di ruangan gelap dengan lampu biru untuk mengarahkan bibit ke samping. Dari sana, percobaan berjalan kurang lebih seperti yang dilakukan keluarga Darwin 150 tahun yang lalu: Ketika para peneliti mengubah arah cahaya, tanaman mengubah orientasinya ke arah cahaya tersebut.

Namun, satu tanaman mutan mengalami kesulitan. Meskipun tidak ada masalah dalam merasakan gravitasi, tampaknya ia tidak mampu melacak cahaya. Sebaliknya ia membungkuk ke segala arah, seolah-olah buta dan meraba-raba dalam kegelapan.

Rupanya ada yang tidak beres dengan kemampuan mutan itu dalam merasakan cahaya. Ketika tim memeriksa tanaman tersebut, mereka menemukan bahwa tanaman tersebut memiliki fotoreseptor yang khas, menurut ahli biologi tanaman Martina Legris, seorang postdoc di laboratorium Fankhauser dan salah satu penulis makalah baru tersebut. Namun ketika tim melihat batang tersebut di bawah mikroskop, mereka melihat sesuatu yang aneh.

Alam liar Arabidopsis, seperti kebanyakan tumbuhan, memiliki saluran udara di antara sel-selnya. Struktur ini seperti lubang ventilasi yang dijalin di sekitar kompartemen seluler yang tertutup, dan diketahui memainkan peran penting baik dalam fotosintesis maupun dalam sel yang mengoksigenasi. Tapi saluran udara tanaman mutan itu tergenang air. Tim melacak mutasi pada gen tersebut abcg5, yang menghasilkan protein yang dapat membantu dinding sel kedap air untuk memastikan saluran udara tanaman kedap air.

Penasaran, para peneliti mencoba sebuah eksperimen. Mereka mengisi saluran udara antar sel tanaman non-mutan dengan air untuk melihat apakah hal ini mempengaruhi pertumbuhannya. Seperti halnya mutan, tanaman ini kesulitan menentukan dari mana cahaya itu berasal. “Kami dapat melihat bahwa tanaman ini secara genetik normal,” kata Legris. “Satu-satunya hal yang mereka lewatkan adalah saluran udara ini.”

Para peneliti menyimpulkan bahwa tumbuhan mengorientasikan dirinya terhadap cahaya melalui mekanisme yang didasarkan pada fenomena pembiasan – kecenderungan cahaya untuk berubah arah saat melewati media yang berbeda. Karena pembiasan, jelas Legris, cahaya melewati garis normal Arabidopsis akan menyebar di bawah permukaan batang: Setiap kali bergerak melalui sel tumbuhan, yang sebagian besar terdiri dari air, dan kemudian melalui saluran udara, ia berubah arah. Karena sebagian cahaya dialihkan dalam proses tersebut, saluran udara membentuk gradien cahaya yang curam di seluruh sel yang berbeda, yang dapat digunakan tanaman untuk menilai arah cahaya dan kemudian tumbuh ke arah tersebut.

Sebaliknya, ketika saluran udara ini terisi air, hamburan cahayanya berkurang. Sel tumbuhan membiaskan cahaya dengan cara yang sama seperti saluran air, karena keduanya mengandung air. Alih-alih berhamburan, cahaya melewati sel-sel dan saluran-saluran yang tergenang ke dalam jaringan lebih dalam, mengurangi gradien cahaya dan menghilangkan perbedaan intensitas cahaya pada bibit.

Melihat Cahaya

Penelitian menunjukkan bahwa saluran udara ini memainkan peran penting dalam membantu tanaman muda melacak cahaya. Roger Hangarter, seorang ahli biologi tanaman di Indiana University Bloomington, yang tidak terlibat dalam penelitian baru ini, memuji penelitian tersebut karena menemukan solusi cerdas untuk masalah yang sudah lama ada. Fankhauser, Legris dan rekan-rekan mereka “sangat menyadari pentingnya ruang udara ini,” katanya.

Idenya telah muncul sebelumnya, kata Hangarter. Pada tahun 1984, tim peneliti di Universitas York mengemukakan hal tersebut saluran udara antar sel tumbuhan mungkin membantu menetapkan gradien cahaya yang diperlukan. Namun karena tim tidak memiliki dana untuk melakukan eksperimen yang mahal, saran mereka tidak teruji.

“Kami selalu bingung bagaimana tanaman embrionik yang kecil dan hampir transparan ini dapat mendeteksi gradien,” kata Hangarter. “Kami tidak terlalu percaya pada ruang udara karena perhatian kami teralihkan untuk mencari molekul yang terlibat. Anda berada pada jalur penelitian tertentu, dan Anda menjadi buta.”

Mekanisme saluran udara bergabung dengan perangkat cerdik lainnya yang telah dikembangkan oleh tumbuhan untuk mengontrol bagaimana cahaya bergerak melaluinya. Misalnya, penelitian oleh Hangarter membantu membuktikan bahwa kloroplas – organel seluler yang melakukan fotosintesis – aktif menari di dalam sel daun untuk menggerakkan cahaya. Kloroplas dapat berkumpul dengan rakus di tengah sel untuk menyerap cahaya lemah atau lari ke tepi sel untuk membiarkan cahaya yang lebih kuat masuk lebih dalam ke jaringan tanaman.

Untuk saat ini, temuan baru tentang saluran udara hanya berlaku pada bibit saja. Meskipun saluran udara ini juga terdapat pada daun dewasa, dan terbukti berperan dalam penghamburan dan distribusi cahaya, belum ada yang menguji apakah saluran tersebut berperan dalam fototropisme, kata Legris.

Berapa lama saluran udara telah memainkan peran ini masih belum jelas. Fosil tanaman darat primitif dari 400 juta tahun yang lalu tidak menunjukkan akar maupun daun – namun jaringan inti tanaman menunjukkan ruang udara antar sel yang cukup besar. Mungkin mereka awalnya muncul untuk aerasi jaringan atau pertukaran gas, kata Fankhauser, dan kemudian disesuaikan dengan perannya dalam fototropisme. Atau mungkin tumbuhan mengembangkan ruang udara di batangnya untuk membantu mereka merasakan cahaya, dan kemudian mengkooptasinya untuk melakukan fungsi lain.

“Pemahaman lebih lanjut tentang struktur ini – bagaimana struktur tersebut terbentuk, apa mekanisme di baliknya – merupakan hal yang menarik bagi ahli biologi tumbuhan selain pertanyaan tentang bagaimana tumbuhan merasakan arah cahaya,” kata Fankhauser.

Hal ini juga bisa membantu mengusir hantu Aristoteles, yang masih melekat dalam persepsi masyarakat terhadap tumbuhan, katanya. “Banyak orang merasa bahwa tumbuhan adalah organisme yang sangat pasif – mereka tidak dapat mengantisipasi apa pun; mereka hanya melakukan apa yang terjadi pada mereka.”

Namun gagasan itu didasarkan pada ekspektasi kita terhadap seperti apa bentuk mata seharusnya. Tumbuhan, ternyata, telah mengembangkan cara melihat dengan seluruh tubuhnya, yang dijalin ke dalam celah di antara sel-selnya. Mereka tidak membutuhkan sesuatu yang kikuk seperti sepasang mata untuk mengikuti cahaya.