Mendesain Ulang Fotosintesis

Populasi dunia diperkirakan akan mencapai jumlah 9,6 miliar pada tahun 2050, dan dengan itu permintaan makanan diprediksi akan meningkat secara substansial. Untuk meningkatkan hasil panen terdapat 2 pilihan, yaitu (1) meningkatkan area produksi atau (2) meningkatkan produktivitas pada lahan yang sudah ada. Pilihan peningkatan produktivitas lebih baik karena menghindari emisi gas rumah kaca dan gangguan skala besar dari ekosistem. Selain itu, lahan di dunia juga semakin sedikit dikarenakan pertumbuhan penduduk. Peningkatan produktivitas tanaman dapat dilakukan salah satunya dengan mendesain sistem fotosintesis. Karena selama revolusi hijau, peningkatan produktivitas dipengaruhi oleh bagian biomassa tanaman yang dipartisi menjadi biji-bijian yang saat ini sudah mendekati batas teoritisnya.

Light Capture
Tanaman menyerap cahaya lebih banyak dibandingkan cahaya yang digunakan untuk produksi. Tingkat absorptivitas tinggi ini disebabkan karena tanaman harus dapat menyerap cahaya secara efektif pada keadaan intensitas cahaya rendah, seperti saat sore hari. Kelebihan energi ini menyebabkan fotooksidasi yang merusak. Mekanisme alami tanaman untuk membuang kelebihan energi dinilai tidak efisien. Oleh sebab itu, penyerapan cahaya harus dikurangi salah satunya adalah dengan mengurangi jumlah light-harvesting pigments seperti klorofil dan karotenoid.

Meningkatkan Konversi Karbon
Karbon dalam bentuk karbon dioksida merupakan substrat utama dalam proses fotosintesis. Fotorespirasi adalah faktor penghalang produktivitas karena menyebabkan hilangnya senyawa karbon dan energi metabolik akibat aktivitas oksigenase Rubisco, yang umumnya terjadi di tanaman C3. Tanaman C4 memiliki mekanisme menangkap CO2 dalam bentuk malat ke dalam sel mesofil, yang selanjutnya didekarboksilasi ke dalam sel yang mengandung Rubisco. Hal ini menghasilkan lebih banyak biomassa. Salah satu alternatif adalah mengubah struktur tanaman C3 menjadi tanaman C4.

Smart Canopy
Pada beberapa tanaman, cahaya tidak dapat menembus dedaunan sehingga daun yang berada di bagian bawah tanaman tidak mendapatkan cahaya. Konsep smart canopy menggambarkan interaksi kooperatif tanaman untuk memaksimalkan penerimaan cahaya dan produksi biomassa per satuan luas tanah. Meskipun sudah dilakukan seleksi yang meningkatkan hasil monokultur, tetap ada seleksi alam pada tingkat individu tanaman.

Terdapat ilmu pengetahuan baru untuk meningkatkan efisiensi fotosintesis, serta gagasan untuk desain ulang lengkap secara konseptual. Akan tetapi, kurangnya teknologi dan pengetahuan manusia mengakibatkan konsep-konsep ini belum dapat diterapkan.