Bagaimana prinsip penggunaan sel atau bagian sel untuk produksi dapat diterapkan dalam bidang tanaman?
Tanaman adalah organisme multiseluler yang kompleks dengan organ-organ yang mempunyai fungsi yang berbeda-beda. Namun kemajuan dalam ilmu fisiologi tanaman, telah memungkinkan organisme multiseluler yang kompleks tersebut dikembalikan pada ground state pada level sel-sel dengan semua potensi genetik yang sama.
Sel-sel yang tak terorganisir tersebut dapat dimanipulasi secara mikroba. Kemudian bila diperlukan, sel-sel tersebut dapat diatur untuk kembali menjadi tanaman lengkap melalui manipulasi lingkungan tumbuhnya.
Teknik bagaimana mengisolasi bagian-bagian tanaman (sel, protoplasma, tepung sari, ovary, dan sebagainya), ditumbuhkan secara tersendiri, dipacu untuk memperbanyak diri, akhirnya digenerasikan kembali menjadi tanaman lengkap dalam suatu lingkungan yang aseptik dan terkendali, dikenal dengan teknik kultur jaringan (Tissue Culture), atau ada juga yang menyebutnya sebagai kultur in Vitro (in vitro) culture.
Kultur in vitro artinya kultur di dalam wadah kelas. Teknik manipulasi gen pada level sel, bersama-sama dengan teknik mengembalikan sel ini menjadi tanaman lengkap, membentuk bidang yang disebut Bioteknologi Tanaman.
Agronomis kemudian memberi batasan Bioteknologi tanaman sebagai suatu usaha untuk menciptakan tanaman yang lebih produktif, lebih adaptif, atau lebih resisten terhadap patogen, melalui manipulasi gen ditingkat seluler.
Dalam transformasi genetik tanaman, diperlukan vektor untuk membawa gen-gen ke dalam sel tanaman. Vektor untuk tanaman-tanaman dikotil telah ditemukan dalam bakteri Agrobacterium tumefaciens.
Bakteri ini adalah patogen yang menyerang tanaman dikotil dan menyebabkan penyakit tumor. Penyakit tumor disebabkan oleh plasmid di dalam sel yang disebut Ti plasmid. Bakteri ini biasanya masuk melalui luka-luka pada tanaman. Setelah menempel pada dinding sel, Ti plasmid “dikirimkan” ke dalam sel. Bagian DNA dari Ti plasmid yang disebut T-DNA kemudian terintegrasi dalam chromosome sel, dan beraksi memerintahkan sel inang membuat asam amino golongan tropine yang diperlukan oleh bakteri.
Asam amino ini kemudian disekresikan ke luar dan dimanfaatkan oleh bakteri untuk hidup. Bersama dengan gen pengendali pembuatan asam amino, juga terdapat gen yang menginstruksi pembelahan sel, sehingga sel inang membelah secara tidak terkendali dan terjadilah tumor. Agrobacterium ternyata sudah melakukan rekayasa genetik sebelum manusia sampai pada taraf tersebut.
Dalam bioteknologi tanaman, masalahnya lebih kompleks daripada bioteknologi dengan mikroba. Selain diperlukan vektor yang tepat, juga ditemui masalah regenerasi sel. Dengan kekecualian produksi bahan-bahan sekunder untuk industri atau farmasi yang dapat terjadi pada level sel, maka pada umumnya produksi tanaman lain haruslah melalui tanaman lengkap. Sel-sel yang mudah mengalami perubahan genetik harus dapat diregenerasikan kembali menjadi tanaman agar bernilai di bidang agronomi dan industri.
Secara teoritis, semua sel hidup dalam tanaman dapat diregenerasikan berdasarkan prinsip bahwa tanaman semula berasal dari 1 sel zigot dalam ovari. Dengan demikian walaupun kemudian sel tersebut berdiferensiasi menjadi daun, batang, akar, dan bunga, mereka tetap mempunyai informasi genetik yang sama dengan zigotnya.
Hanya saja tidak semua gen pada chromosom-chromosom itu diekspresikan pada waktu yang sama. Perlakuan-perlakuan yang dapat men“trigger” ekspresi suatu gen pada tingkat perkembangan tertentu inilah sebetulnya kunci dari regenerasi.
Penelitian-penelitian yang tidak mengenal lelah, akhirnya mengungkapkan bahwa pertumbuhan dan perkembangan sel tanaman dapat diubah dengan pemberian phytohormon. Golongan yang berpengaruh sekali adalah auksin dan sitokinin. Termasuk dalam golongan auksin adalah beberapa jenis persenyawaan turunan indol, naphtalena atau phenoxy. Sedangkan golongan sitokinin merupakan turunan-turunan adenine/purine. Dengan memberikan sejumlah tertentu phytohormon dengan perimbangan yang tepat, berbagai arah perkembangan dapat diatur.
Efektivitas dari pengaturan tumbuh dan berkembang dipengaruhi berbagai hal. Pertama-tama adalah jenis persenyawaan yang paling tepat konsentrasinya, dan perimbangan jumlah masing-masing jenis.
Kedua adalah bahan tanaman sendiri. Bagian tanaman yang mana, genotipe apa, umur fisiologis, dan musim apa diambilnya. Hal-hal ini berhubungan dengan internal state dari sel dalam kepekaannya terhadap rangsangan yang diberikan.
Terakhir adalah faktor lingkungan tumbuh. Hara yang diberikan, pH media tumbuh, pencahayaannya, temperatur, dan kelembaban lingkungan. Semua faktor-faktor tersebut dapat membentuk kombinasi yang variasinya tidak terhingga. Percobaan-percobaan “trial and error” yang dilakukan oleh perintis dalam ilmu fisiologi tanaman di berbagai negara kemudian menghasilkan beberapa pola regenerasi untuk golongan tanaman tertentu. Dengan demikian percobaan-percobaan berikutnya menjadi lebih terarah.
Target bioteknologi tanaman termasuk:
1. Meningkatkan resistensi tanaman terhadap herbisida, sehingga pengendalian gulma lebih efektif.
Strateginya adalah memasukkan gen resistensi ke dalam sel tanaman. Hasil yang sekarang menunjukkan perkembangan yang menggembirakan, adalah resistensi terhadap herbisida non selektif berspektrum luas: glyphosate. Gen resisten diperoleh dari bakteri tanah yang dapat menguraikan glyphosate menjadi molekul yang tidak phytotoxic.
2. Meningkatkan efisiensi photosintesa dengan mencari gen yang mempengaruhi enzim fiksasi CO2, agar produksi tanaman-tanaman seperti padi atau kedelai dapat berlipat ganda.
3. Meningkatkan resistensi tanaman terhadap hama.
Strateginya adalah dengan memanfaatkan gen Bacillus thuringensis yang mengendalikan pembuatan toxin yang membunuh larva Lepidoptera. Bila gen ini dapat diintegrasikan dalam chromosome tanaman, maka penggunaan pestisida dapat dikurangi, sehingga biaya produksi dapat ditekan, disamping polusi lingkungan dapat ditekan.
4. Memperbaiki sifat-sifat mikrobial tanah yang membantu nutrisi
N: Rhizobium untuk legume, Azospirillium untuk serealia.
P: Mycorrhiza.
5. Produksi bahan-bahan sekunder untuk farmasi dan aditif makanan dengan menggunakan sel-sel tanaman dalam fermenter. Produk yang sudah diusahakan secara besar-besaran, adalah shikonin dan saponin ginseng.
6. Dalam jangka panjang, adalah memasukkan gen Rhizobium yang mengendalikan sifat fiksasi N dari udara bebas ke dalam sel tanaman, sehingga tanaman pertanian dapat memenuhi kebutuhan N tanpa pemupukan urea ataupun ZA.
