Pemilihan kondisi gelap dalam induksi kalus embriogenik bukanlah suatu hal yang tanpa alasan, melainkan dilatar belakangi kajian dari aspek fisiologis dan molekuler. Ketika eksplan dikultur dalam ruang gelap, maka aktivitas fotosintesis tanaman ditekan, sehingga menyebabkan metabolisme sel tanaman bergeser dari jalur anabolik menuju jalur respirasi dan glikolisis. Perubahan ini menghasilkan akumulasi sinyal stres seperti Reactive Oxygen Species (ROS) dan Nitric Oxide (NO), yang dapat menginisiasi dan memicu ekspresi gen embriogenik seperti gen Baby Boom (BBM), Leafy Cotyledon 1/2 (LEC1/2), dan Wuschel (WUS). Gen-gen tersebut krusial dalam proses dediferensiasi dan totipotensi sel (El Ouakfaoui et al., 2010).
Beberapa publikasi ilmiah menunjukkan bahwa sinyal cahaya, melalui aktivasi fotoreseptor seperti Phytochrome B (PHYB) dan PHYE, dapat mengubah ekspresi sintesa hormon tumbuhan seperti auksin dan brassinosteroid, serta mengatur faktor transkripsi seperti Agamous-Like 15 (AGL15). Pada tanaman Arabidopsis, keberadaan cahaya merah akan mengaktifkan PHYE, yang kemudian dapat meningkatkan biosintesis brassinosteroid melalui gen CPD3. Kondisi terang memungkinkan PIF4 tetap aktif, menekan ekspresi gen-gen terkait auksin dan menghambat jalur embriogenik (Xiao et al., 2020; Zhang et al., 2022).
Efek biologis ini tidak hanya terkonfirmasi di tanaman Arabidopsis, tetapi juga pada tanaman-tanaman lainnya seperti pada Rhynchostylis gigantea dan Lycium barbarum yang menunjukkan bahwa inisiasi kalus dan embriogenesis somatik mencapai efisiensi maksimum ketika eksplan dikultur dalam kondisi gelap selama beberapa minggu. Bahkan, tingkat pembentukan embrio dapat mencapai lebih dari 90% apabila dikultur dalam kondisi gelap secara total (Huang et al., 2021).
Secara molekuler, BBM berperan sebagai regulator utama yang mengaktifkan rantai ekspresi gen LAFL (LEC1, LEC2, ABI3, FUS3), serta WUS, yang mempertahankan kondisi meristematik pada sel embriogenik (Horstman et al., 2017). Aktivasi BBM pada fase awal memicu ekspresi LEC1 dalam hitungan hari, yang kemudian diikuti oleh ekspresi WOX2 yang merupakan gen penanda sel embrio somatik. Di samping itu, modifikasi epigenetik seperti penurunan penanda represif H3K27me3 dan peningkatan H3K4me3 dan H3K36me2 pada promotor gen BBM1 dan LEC1 turut membuka struktur kromatin yang memungkinkan terjadinya aktivasi ekspresi gen secara lebih efisien (Mozgova et al., 2017).
Kondisi ruang kultur yang gelap bukan hanya diperuntukkan untuk efisiensi energy (cahaya), melainkan suatu bentuk rekayasa lingkungan mikro, metabolik dan transkripsi sel untuk menciptakan keadaan optimal bagi pembentukan sel embrio somatik. Dalam ruang gelap, fotosintesis ditekan, metabolisme dan sinyal redoks sel direstrukturisasi, dan jalur BBM–LEC–WUS diaktifkan melalui jalur sinyal transduksi dan epigenetik.
Referensi:
- El Ouakfaoui, S., Schnell, J., Abdeen, A., & Miki, B. (2010). Population development and assessment of somatic embryogenesis in Arabidopsis. BMC Plant Biology, 10, 77. https://doi.org/10.1186/1471-2229-10-77
- Horstman, A., Bemer, M., Boutilier, K. (2017). A transcriptional view on somatic embryogenesis. Regeneration, 4(4), 201–216. https://doi.org/10.1002/reg2.94
- Mozgova, I., Hennig, L. (2017). The Polycomb Group Protein Regulatory Network. Annual Review of Plant Biology, 68, 325–346. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042916-040957
- Huang, Z., Xu, Y., Li, J., et al. (2021). Somatic embryogenesis and gene expression profiling of Lycium barbarum under different light regimes. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 147, 425–439. https://doi.org/10.1007/s11240-021-02072-z
- Xiao, Y., Liu, D., Zhang, Y., et al. (2020). Light signaling modulates somatic embryogenesis via brassinosteroid biosynthesis in Arabidopsis. Plant Physiology, 184(4), 1867–1880. https://doi.org/10.1093/plphys/kiaa085
- Zhang, H., Wang, Y., Li, S., & Zhao, X. (2022). PHYTOCHROME-mediated light signaling coordinates with hormonal pathways during somatic embryogenesis. Frontiers in Plant Science, 13, 828301. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.828301
