Madhvi Sharma¹· Amanpreet K. Sidhu²· Mahesh Kumar Samota³· Priya Shah¹·Manish K. Pandey¹· Sunil S. Gangurde^1,4

Artikel ini membahas kemajuan teknologi CRISPR dalam meningkatkan toleransi tanaman terhadap salinitas tanah, salah satu masalah lingkungan terbesar yang mengancam produktivitas pertanian global. Artikel ini menyoroti peran penting Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) dan protein yang terkait dengannya (Cas9) dalam memodifikasi dogma sentral biologi molekuler yang melibatkan aliran informasi genetik dari DNA ke RNA hingga protein. Penelitian ini menjelaskan bagaimana CRISPR memungkinkan pengeditan genom dengan presisi tinggi, sehingga memperbaiki sifat-sifat tanaman yang terpengaruh oleh tekanan salinitas (Gambar 1).

Gambar 1. Berbagai dampak stres garam pada tanaman

Studi ini menyebutkan bahwa stres salinitas berdampak buruk pada pertumbuhan tanaman dengan menyebabkan stres osmotik, ionik dan oksidatif. Stres osmotik mengurangi kemampuan akar tanaman menyerap air sementara stres ionik disebabkan oleh akumulasi ion natrium (Na?) dan klorida (Cl?) yang berlebihan yang merusak fungsi sel. Akumulasi spesies oksigen reaktif (ROS) juga menyebabkan kerusakan oksidatif pada membran sel, protein dan DNA. Secara keseluruhan, dampak ini menghambat fotosintesis, pertumbuhan biomassa, dan hasil panen. Dalam pendekatan CRISPR, gen-gen penting seperti transporter ion (contohnya NHX1), faktor transkripsi (contohnya WRKY, NAC), dan protein lain yang terkait dengan respon stres telah ditargetkan untuk meningkatkan toleransi terhadap salinitas. Sebagai contoh, pengeditan gen NHX1 meningkatkan kemampuan tanaman untuk menyimpan ion Na? dalam vakuola, mengurangi toksisitas di sitoplasma (Gambar 2).

Gambar 2. Mekanisme molekuler tanaman di bawah tekanan garam.

Metode CRISPR mencakup berbagai teknik canggih seperti base editing, prime editing dan CRISPR interference (CRISPRi). Base editing memungkinkan perubahan basa spesifik tanpa merusak DNA, sementara prime editing memungkinkan pengenalan mutasi dengan presisi tinggi. Multiplexing, metode lain yang didukung CRISPR, memungkinkan pengeditan banyak gen sekaligus, yang sangat penting untuk memperbaiki sifat kompleks seperti toleransi salinitas. Studi ini juga menyoroti aplikasi CRISPR pada tanaman pangan penting seperti padi dan gandum, yang menunjukkan hasil menjanjikan dalam meningkatkan toleransi terhadap salinitas. Contohnya adalah pengeditan gen HKT1;5 pada padi liar, yang meningkatkan efisiensi pengangkutan ion dan ketahanan terhadap salinitas. Selain itu, teknologi ini telah digunakan untuk memperbaiki metabolisme nutrisi dan kapasitas fotosintesis tanaman di bawah kondisi stres salinitas.

Hasil penelitian menunjukkan potensi besar CRISPR dalam mengembangkan tanaman yang lebih tahan terhadap tekanan lingkungan, berkontribusi pada ketahanan pangan global. Namun, beberapa tantangan masih harus diatasi, termasuk efek tidak diinginkan dari pengeditan di lokasi yang salah (off-target effects), serta penerimaan regulasi dan publik terhadap tanaman hasil rekayasa genetika. Data yang disertakan mencakup hasil dari berbagai eksperimen yang menunjukkan bahwa tanaman dengan gen yang telah diedit CRISPR memiliki toleransi yang lebih tinggi terhadap salinitas dibandingkan tanaman kontrol. Misalnya, gen WRKY3 dan WRKY4 yang dihapus pada Arabidopsis meningkatkan ekspresi enzim antioksidan seperti peroksidase dan katalase, meningkatkan toleransi terhadap stres salinitas (Gambar 3).

Gambar 3. Perangkat CRISPR-Cas9 untuk pengeditan genom.

Artikel ini juga membahas perkembangan teknik editing seperti CRISPRi dan CRISPRa, yang masing-masing menekan atau mengaktifkan ekspresi gen tanpa memotong DNA. Dengan metode ini, gen-gen penting yang terlibat dalam toleransi salinitas dapat diatur ulang ekspresinya, sehingga meningkatkan ketahanan tanaman tanpa menyebabkan mutasi permanen. Misalnya, pengaktifan gen AVP1 dengan CRISPRa menunjukkan peningkatan efisiensi penggunaan air dan hasil panen.

Salah satu inovasi menarik yang diuraikan adalah penggunaan base editing untuk memperkenalkan mutasi spesifik pada gen-gen seperti CENH3, yang menghasilkan garis induksi haploid pada tanaman padi. Ini memberikan keuntungan besar dalam perbaikan genetika tanaman dengan mempercepat seleksi sifat yang diinginkan. Selain itu, prime editing, sebagai teknologi yang lebih mutakhir, memungkinkan pengeditan genom dengan tingkat akurasi yang lebih tinggi, memperbaiki kelemahan sistem CRISPR tradisional dalam menangani mutasi yang kompleks. Studi ini juga mencatat bahwa CRISPR tidak hanya efektif pada DNA tetapi juga RNA, yang memperluas aplikasi potensialnya ke bidang yang lebih luas, termasuk melindungi tanaman dari infeksi virus RNA. Selain itu, sistem multiplexing telah memungkinkan para peneliti untuk mengedit banyak gen secara simultan, yang sangat penting untuk memodifikasi sifat kompleks seperti toleransi salinitas yang melibatkan banyak jalur genetik.

Pembahasan lebih lanjut menyebutkan dampak positif CRISPR pada peningkatan hasil panen di bawah kondisi salinitas tinggi. Dengan mengedit gen-gen tertentu seperti NHX1 dan HKT1;5, tanaman mampu memodifikasi transport ion untuk mencegah toksisitas ionik. Hal ini menghasilkan tanaman dengan tingkat fotosintesis yang lebih tinggi, kapasitas metabolisme yang lebih baik, dan ketahanan fisiologis terhadap tekanan lingkungan. Misalnya, tanaman padi hasil modifikasi menunjukkan peningkatan signifikan dalam ketahanan terhadap salinitas dengan mempertahankan pertumbuhan akar dan daun. Data penelitian yang disorot juga menunjukkan peningkatan toleransi terhadap tekanan salinitas pada berbagai spesies tanaman yang diuji. Pada Arabidopsis, knockout gen tertentu seperti SAPK1 dan SAPK2 menghasilkan tanaman dengan tingkat kelangsungan hidup yang lebih tinggi dalam kondisi salinitas. Di sisi lain, studi pada tanaman kedelai menunjukkan bahwa penghapusan gen GmNHX5 meningkatkan kapasitas eksklusi ion natrium, melindungi proses metabolisme esensial.

Gambar 4. Skema yang menggambarkan respons tanaman terhadap cekaman garam menggunakan target CRISPR/Cas.

Kemajuan dalam teknologi CRISPR menawarkan pendekatan revolusioner untuk meningkatkan toleransi tanaman terhadap tekanan salinitas. CRISPR memungkinkan manipulasi genetik yang sangat presisi, mengarahkan modifikasi spesifik pada gen-gen yang bertanggung jawab atas respon terhadap stres. Pendekatan ini lebih unggul dibandingkan metode pemuliaan tradisional atau mutagenesis, yang membutuhkan waktu lama dan kurang spesifik. Dengan CRISPR, para ilmuwan dapat memodifikasi ekspresi gen secara langsung, meningkatkan adaptasi tanaman terhadap kondisi lingkungan yang buruk.

Artikel ini memberikan wawasan penting mengenai integrasi teknologi CRISPR dengan pendekatan tradisional seperti pemuliaan dan mutagenesis untuk menghasilkan solusi yang lebih efektif dan efisien. Hasilnya menunjukkan bahwa teknologi CRISPR tidak hanya mengatasi keterbatasan metode sebelumnya tetapi juga membuka peluang baru untuk meningkatkan keberlanjutan sistem pertanian global. Melalui pengembangan ini, CRISPR menjadi alat penting dalam mengubah tantangan menjadi peluang dalam memastikan ketahanan pangan di masa depan.

Sumber: Technological advancements in the CRISPR toolbox for improving plant salt tolerance

Editor:     Rezekinta Syahputra Sembiring