Posts Tagged ‘stres’

Produksi tanaman pada lahan basah

Muhammad Hatta

Pendekatan apa yang dapat dilakukan untuk meningkatkan produksi tanaman pada lahan basah?

Tanaman sangat dipengaruhi oleh keadaan media tempat tumbuhnya. Secara konvensional, media tempat tumbuh tanaman adalah lahan yang dapat berupa kering dan basah. Umumnya lahan kering dapat menyediakan segala kebutuhan tanam lebih baik dibanding lahan basah. Pada lahan kering, unsur hara dan oksigen yang dibutuhkan tanaman tersedia dalam jumlah yang cukup banyak di lahan kering. Demikian pula, air juga cukup tersedia di lahan kering, asal ada cukup hujan atau diberi pengairan secukupnya. Sebaliknya, pada lahan basah, ketiga unsur tersebut (unsur hara, oksigen, dan air) kurang tersedia.

Apa yang dimaksud dengan lahan basah. Lahan basah diambil dari istilah Inggris wetland, yang menurut Kamus Merriam-Webster (2012) berarti lahan atau areal seperti rawa atau paya yang kadang-kadang tergenang oleh air yang dangkal atau yang mempunyai tanah yang dipenuhi air. Menurut Ramsar (2012) lahan basah dalam pasal 1.1 dari Konvensi Ramsar menetapkan bahwa lahan basah adalah daerah paya, rawa, lahan gambut atau perairan, baik alami maupun buatan, permanen atau sementara, dengan air yang diam atau mengalir, segar, payau atau asin, termasuk daerah perairan laut dengan kedalaman pada saat surut tidak melebihi enam meter.

Lahan basah, apalagi pada saat tergenang air, memiliki kondisi tanahnya yang tidak ideal bagi tanaman. Pada lahan basah, tanah memiliki unsur yang tidak proporsional. Tanah yang ideal memiliki bagian padat, bagian cair, dan bagian udara yang berimbang. Pada lahan basah hanya tinggal bagian padat dan bagian cairnya saja, karena bagian udaranya telah diisi oleh air. Pori makro hilang sekaligus mengusir udara (O2) yang diperlukan oleh tanaman untuk respirasi, dari dalam tanah.

Ironisnya, air yang berlebihan yang terdapat dalam tanah justru tidak dapat dipakai oleh tanaman karena akar tidak mampu menyerap air secara aktif. Tanpa O2 (hipoksia), sel-sel akar tidak dapat bertahan hidup lama, hingga akhirnya mati. Sel-sel akar yang sekarat atau bahkan mati itu, terutama sel-sel xylemnya tidak dapat melakukan penyerapan air secara aktif sehingga air tidak terserap dan terangkut ke bagian atas tanaman. Menurut Parent et al. (2008), kondisi terbatasnya O2 secara dramatis akan mempengaruhi pertumbuhan, perkembangan, dan keberadaan tanaman.

Bagaimana dengan unsur hara di lahan basah. Keberadaan air yang sangat banyak di dalam tanah memiliki pengaruh buruk terhadap kondisi unsur hara, baik bentuknya maupun ketersediaannya secara fisik. Beberapa unsur hara mengalami perubahan bentuk, seperti unsur nitrogen, berganti bentuk dari NO3+ menjadi NH4. Perubahan bentuk ini menyebabkan tanaman umumnya tidak dapat menyerapnya, kecuali hanya beberapa tanaman saja yang bisa, seperti padi. Demikian pula secara fisik, air yang terlalu banyak di permukaan tanah dapat menyebabkan terjadinya pencucian unsur hara dari top soil. Pencucian ini menyebabkan berkurangnya konsentrasi unsur hara sehingga tidak mencukupi untuk memenuhi kebutuhan pertumbuhan dan produksi tanaman yang tumbuh di atasnya.

Untuk lebih rinci mengenai keadaan unsur hara pada lahan basah, ada baiknya kita melihat hasil penelitian yang dilakukan oleh Edem dan Ndaeyo pada tahun 2007 di Negeria. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa lahan basah memiliki banyak masalah. Berikut adalah masalah-masalahnya.

Pertama adalah pH. Pada saat basah, pH tanahnya netral, yaitu 6,4, tetapi menjadi ektrim sangat asam, yaitu 3,5 ketika kering. Berikutnya adalah N total juga rendah. Kandungan kation dasar seperti Ca, Mg, K, dan Na juga rendah. Sebaliknya, kation asam seperti Al dan H tinggi. Rasio Ca:Mg berada di bawah ambang batas optimum di mana rasio optimum itu 3:1 ampai 4:1 untuk kebanyakan tanaman. Rasio Mg:K di atas 1,2 di mana di bawahnya bisa menyebabkan hasil tanaman seperti jagung dan kedelai bisa berkurang. Kapasitas tukar kation juga rendah, yaitu di bawah 20cmol/kg. Persen kejenuhan basa juga rendah, yaitu < 38, yang menunjukkan bahwa tanah kurang subur. Jumlah Al-dd dan Al jenuh juga tinggi, di atas 60%. Nilai daya hantar listrik di atas nilai kritis 2 dsm-1, sementara persen Na-dd kurang dari 0,15. P tersedia juga rendah, yakni < 10 ppm dan rasio Fe2O3/liat bebas < 0,15.

Setelah melihat permasalahan lahan basah secara umum, maka beberapa skenario dapat dibuat. Skenario ini dapat dijalan secara sendiri atau bersama-sama. Skenario yang pertama adalah mengurangi air dan menambah tanah.

Karena masalah pada lahan basah adalah adanya air yang berlebihan, maka solusinya tentulah menguranginya dari lahan tersebut. Ada beberapa cara yang dapat dilakukan, di antaranya melakukan penimbunan seluruh lahan dengan tanah agar permukaan tanah lebih tinggi dari permukaan air. Cara ini praktis dan cepat karena begitu lahan selesai ditimbun dengan tanah, maka lahan tersebut segera dapat ditanami dengan tanaman, sebagaimana layaknya lahan kering. Namun, cara ini memiliki dampak buruk terhadap ekosistem lahan basah tersebut. Menurut Lee dan Lee (2007) penimbunan lahan basah dapat mengganggu keseimbangan air dan berikutnya dapat mengganggu reproduksi ikan dan organisme perairan lainnya yang hidup di daerah itu.

Cara lain yang lebih moderat adalah menambah permukaan tanah di sebagian lahan saja. Tanah ditimbun di bagian tertentu, yaitu hanya pada tempat tegaknya tanaman saja. Dengan demikian, bagian lahan yang lain tetap basah sebagaimana biasanya. Cara ini cocok untuk tanaman keras yang jarak tanamnya relatif renggang, tetapi kurang cocok untuk tanaman semusim yang jarak tanamnya sempit. Namun dari sudut pandang kelestarian lingkungan, cara ini lebih aman dibanding cara menimbun areal seluruhnya karena cara ini relatif tidak terlalu mengganggu keseimbangan air sebagaimana cara timbun seluruh areal. Ekosistem perairannya relatif tetap terjaga.

Cara lain yang sering dilakukan adalah membuat saluran drainase untuk membuang atau mengalirkan air yang berlebihan ke daerah lain. Dengan drainase yang baik, lahan basah dapat diubah menjadi lahan kering. Namun demikian, hilangnya air dari lahan tidak serta merta menghilangkan masalah pada lahan basah. Tanah yang tiba-tiba kering pada lahan basah mempunyai pH tanah yang sangat ekstrim rendah. Keasaman yang ekstrim ini memiliki banyak konsekuensi kimia yang buruk terhadap ketersediaan unsur hara. Menurut McKenzie (2003), pH rendah apalagi ekstrim rendah akan menurunkan ketersediaan unsur hara makro P dan K serta unsur hara mikro seperti Mn, Fe, Cu, Zn, dan B. Oleh karena itu, pembuatan saluran drainase harus juga diiringi dengan pembuatan saluran irigasi agar tanah yang kering dapat segera diberi air.

Pendekatan lain adalah memilih tanaman yang cocok di tanam di lahan basah. Kendati hanya sedikit jumlahnya, tetapi ada tanaman tertentu yang dapat bertumbuh dan berproduksi dengan baik di lahan basah. Misalnya padi. Padi sebenarnya bukan tanaman air tetapi padi dapat tumbuh dan berproduksi dengan baik di lahan yang tergenang air. Banyak varietas padi telah dikembangkan dengan spesifikasi yang beragam pula. Ada yang cocok untuk lahan kering, yang sering disebut varietas padi gogo, ada yang cocok untuk lahan basah yang permanen tergenang air, dan ada pula yang cocok untuk lahan kering-basah. Pilihan lain adalah menanam tanaman lain selain padi, seperti tanaman hutan untuk kayu, buah-buahan, dan hias dan obat-obatan. Teratai misalnya merupakan tanaman lahan basah yang potensial karena menurut Smallcrab (2012) seluruh bagian tanaman teratai dapat digunakan sebagai obat. Pilihan lain, Mdc (2012) menyebut beberapa jenis tumbuhan yang dapat hidup dengan baik di lahan basah seperti bald cypress, tupelo, sweet-gum, oak, pecan, dan nuts.

Alternatif lain yang sangat menjanjikan adalah melakukan budi daya tumpang sari, yaitu melakukan beragam aktivitas pertanian (multikultur) pada waktu dan tempat yang sama sekaligus. Misalnya mina padi, sambil menanam padi, petani juga menabur benih ikan di lahan basah tersebut. Menurut Warsawa (2012) sistem tanam tumpang sari mempunyai banyak keuntungan yang tidak dimiliki pada pola tanam monokultur. Beberapa keuntungan pada pola tumpang sari antara lain: 1) akan terjadi peningkatan efisiensi (tenaga kerja, pemanfaatan lahan maupun penyerapan sinar matahari), 2) populasi tanaman dapat diatur sesuai yang dikehendaki, 3) dalam satu areal diperoleh produksi lebih dari satu komoditas, 4) tetap mempunyai peluang mendapatkan hasil manakala satu jenis tanaman yang diusahakan gagal dan 5) kombinasi beberapa jenis tanaman dapat menciptakan beberapa jenis tanaman dapat menciptakan stabilitas

biologis sehingga dapat menekan serangan hama dan penyakit serta mempertahankan kelestarian sumber daya lahan dalam hal ini kesuburan tanah.

Dari uraian di atas, maka produksi lahan basah dapat ditingkatkan dengan beberapa pendekatan, antara lain dengan reklamasi fisik berupa penimbunan lahan dengan tanah mineral, seluruhnya atau sebagian. Opsi lain adalah membuat drainase atau membuang air dari lahan basah dengan catatan harus diikuti oleh perlakuan lain seperti mempertahankan bahan organik yang cukup, memberikan kapur, menambah pupuk organik dan anorganik. Ketiga, pilihan berikutnya adalah membudidayakan tanaman yang sesuai dengan kondisi lahan basah, seperti padi dan teratai. Terakhir tapi bukan terpaksa adalah melakukan budi daya tumpang sari, seperti mina padi, yaitu menanam padi sembari memelihara ikan.

DAFTAR PUSTAKA

Edem, S.O. and N. U. Ndaeyo. 2007. Fertility status and management implications of wetland. Soils for sustainable crop production in Akwa Ibom State, Nigeria. Springer Science+Business Media B.V. pp. 393 – 406.

Lee, G. F. and A. J. Lee. 2007. Potential Impacts of Landfills. www.gfredlee.com. Diakses 20-9-2012.

McKenzie, R. H. 2003. Soil pH and plant nutrients. Alberta. Agric.gov.ab.ca/. Diakses 20-9-2012.

Mdc. 2012. Wetland values. htpp://mdc.mo.gov/landwate. Diakses 20-9-2012.

Merriam-Webster. 2012. Dictinary. Merriam-Webster, Inc.

Parant, C., N. Capelli, A. Berger, M. Crevecoeur, J. F. Dat. 2008. An overview of plant response to soil waterlogging. Plant Stres 2(1): 20 – 27.

Ramsar. 2012. Laporan kegiatan, peringatan hari lahan basah sedunia 2 Februari 2012. www.ramsar.org/…/Indonesia_report. Diakses 24-9-20012.

Smallcrab. 2012. Khasiat bunga teratai. http://www.smallcrab.com/kesehatan/163-khasiat-bunga-teratai.

Warsawa. 2012. Introduksi teknologi tumpangsari jagung dan kacang tanah. http://www.litbang.deptan.go.id/artikel/one/234/pdf/Introduksi%20Teknologi%20Tumpangsari%20Jagung%20dan%20Kacang%20Tanah.pdf. Diakses 21-9-2012

Iklan

METABOLIT SEKUNDER POLIAMINA PADA TUMBUHAN

Muhammad Hatta

 

Pendahuluan

Tumbuhan secara alamiah menghasilkan beragam jenis senyawa. Secara umum, senyawa-senyawa tersebut dapat dibagi tiga, yaitu metabolit primer, polimer, dan metabolit sekunder. Metabolit primer adalah senyawa-senyawa yang terdapat pada semua sel dan memegang peranan sentral dalam metabolisme dan reproduksi sel-sel tersebut. Contoh metabolit primer antara lain asam nukleat, asam amino, dan gula. Polimer adalah senyawa penyusun sel yang terdiri dari senyawa yang memiliki berat molekul yang tinggi, seperti selulosa, lignin, dan protein. Metabolit sekunder adalah senyawa yang secara khusus terdapat pada jenis atau spesies tertentu saja (Hanson, 2011).

Berbeda dengan senyawa metabolit primer yang pada umumnya memberi pengaruh biologi terhadap sel atau organisme tanaman itu sendiri, metabolit sekunder (MS) memberikan pengaruh biologi terhadap sel atau organisme lain. Menurut Wink (2010) metabolit sekunder bukanlah produk buangan yang tak berguna, tetapi perangkat yang penting untuk melawan herbivora dan mikroba. Beberapa metabolit sekunder berfungsi sebagai molekul isyarat untuk menarik arthropoda penyerbuk, hewan penyebar benih, dan sebagai senyawa isyarat dalam hubungan tanaman-tanaman, tanaman-binatang, dan tanaman-mikrobia.

Senyawa metabolit sekunder banyak sekali jumlahnya. Menurut Springob dan Kutchan (2009), ada lebih dari 200000 struktur produk alamiah atau produk metabolit sekunder. Untuk memudahkan, perlu dibuat klasifikasi.

Ada beberapa cara klasifikasi bisa dibuat, seperti berdasarkan sifat struktur, asal-usul biosintesis, atau lainnya. Berdasarkan sifat strukturnya, Hanson (2011 membagi MS ke dalam 6 golongan, yaitu 1) poliketida dan asam lemak, 2) terpenoid dan steroid, 3) fenilpropanoid, 4) alkaloid, 5) asam amino khusus dan peptida, dan 6) karbohidrat khusus.

Berdasarkan asal-usul biosintesisnya, Springob dan Kutchan (2009) membagi MS menjadi empat kelompok, yaitu 1) alkaloid, 2) fenilpropanoid, 3) poliketida, dan 4) terpenoid. Berdasarkan kandungan N, Wink (2010) membagi MS ke dalam dua kelompok besar, yaitu1) MS yang mengandung N dan 2) MS yang tidak mengandung N. Kelompok pertama dibagi lagi menjadi 7 anak kelompok, dan kelompok kedua dibagi lagi menjadi 10 anak kelompok. Pembagian dan jumlah MS dapat dilihat pada Tabel 1.

Table 1. Kelompok metabolit sekunder dan jumlahnya pada tanaman tingkat tinggi

Jenis metabolit sekunder

Jumlaha

Mengandung Nitrogen

Alkaloid

21 000

Asam amino bukan protein

700

Amina

100

Glikosida sianogenik

60

Glucosinolat

100

Alkamida

150

Lektin, peptida, polipeptida

2000

Tanpa Nitrogen

Monoterpen (C10)b

2500

Sesquiterpen C15)b

5000

Diterpen (C20)b

2500

Triterpen, steroid, saponin (C30, C27)b

5000

Tetraterpen (C40)b

500

Flavonoid, tannin

5000

Fenilpropanoid, lignin, coumarin, lignan

2000

Poliacetilen, asam lemak, lilin

1500

Poliketida

750

Karbohidrat, asam organik

200

aPerkiraan jumlah dari struktur yang diketahui.

bTotal jumlah terpenoid melebihi 22000 saat ini.

Sumber: Wink (2010)

Biosintesis Metabolit sekunder

Ada 2 lintasan biosintesis MS. Pertama adalah lintasan metabolisme dasar seperti glikolisis dan siklus Krebs. Kedua adalah lintasan shikimate. Lintasan metabolisme dasar dan shikimate (Wink, 2010) masing-masing dapat dilihat pada Gambar 1 dan Gambar 2.

clip_image004

Gambar 1. Lintasan metabolisme dasar dari sintesis metabolit sekunder (Wink, 2010)

 

clip_image006

Gambar 2. Lintasan shikimate sintesis metabolit sekunder (Wink, 2010)

Poliamina

Poliamina adalah senyawa polikation berberat molekul rendah yang ditemukan dalam semua makhluk hidup (Kaur-Sawhney, 2003; Kusano, 2008), seperti bakteri, jamur, hewan, dan tanaman tingkat tinggi (Baron dan Stasolla (2008). Dilihat dari strukturnya, poliamina termasuk dalam golongan amina. Namun, secara fisiologis, poliamina bisa dimasukkan ke dalam golongan alkaloid (Harbone, 1984; Robert, 2010).

Secara kimiawi, poliamina merupakan senyawa organik yang mempunyai dua atau lebih gugus amino utama –NH2, dapat berupa senyawa sintetik dan juga alami. Senyawa poliamina sintetik termasuk etilen diamine H2N–CH2–CH2–NH2, 1,3-diaminopropane H2N–(CH2)3–NH2, dan hexamethylenediamine H2N–(CH2)6–NH2. Senyawa poliamina alami meliputi putrescine H2N–(CH2)4–NH2, cadaverine H2N–(CH2)5–NH2, spermidine H2N–(CH2)4–NH–(CH2)3–NH2, and spermine H2N–(CH2)3–NH–(CH2)4–NH–(CH2)3–NH2n (Wikipedia, 2012). Struktur molekul poliamina alami dapat dilihat pada Gambar 3.

clip_image008

Gambar 3. Molekul Poliamina (sumber: Oryza, 2012)

Pada sel tumbuhan poliamina terdapat terutama dalam bentuk diamine putrescine (Put), triamine spermidine (Spd), dan tetramine spermine (Spm)( Kaur-Sawhney (2003; Vadim, 2009). Poliamina ini ada dalam bentuk bebas atau sebagai konjugat yang terikat pada asam fenolik dan pada senyawa berberat molekul rendah lain atau pada makromolekul seperti protein dan asam nukleat (Kaur-Sawhney, 2003)

Groppa dan Benavides (2007) menyatakan bahwa Put, SPd, dan Spm merupakan Poliamina utama yang dijumpai pada semua sel makhluk hidup. Senyawa ini merupakan senyawa nitrogen alifatik yang bermuatan positif pada pH fisiologis. Sifatnya ini memungkinkan poliamina berinteraksi dengan makromolekul yang bermuatan negatif, seperti DNA dan RNA, protein dan fosfolipid.

Menurut Kusano (2008) awal penemuan poliamina adalah sekitar tahun 1678 ketika ditemukan kristal tiga sisi pada semen manusia. Karena banyak terdapat dalam sperma, maka senyawa ini dinamai dengan spermine. Spermidine pertama ditemukan pada pankreas. Spermine dan spermidine bertanggung jawab pada bau khas dari semen. Dua senyawa lainnya putrescine dan cadaverine ditemukan pada bakteri dekomposisi.

Biosintesis Poliamina

Pada tanaman, poliamina terdapat dalam sitoplasma, vakuola, mitokondria dan kloroplas. Sintesis poliamina dimulai dari dua molekul prekursor asam amino, yaitu L-arginine dan L-methionine (Kusano, 2008).

Ada dua lintasan alternatif. Lintasan pertama, dimulai dari arginine. Kemudian, diamine putrescine disintesis melalui ornithine oleh arginase dan ornithine dekarboksilase. Putrescine dapat juga disintesis melalui agmatine oleh tiga reaksi berantai yang dikatalisir masing-masing oleh enzim arginine dekarboksilase, agmatine iminohydrolase, dan N-carbamoylputrecine amidohydrolase. Putrescine dikonversi menjadi spermidine oleh aksi spermidine sintase. Lintasa kedua, dimulai dari methionin kemudian diubah menjadi S-adenosylmethionine dua reaksi yang berurutan oleh methionine adenosyltransferase dan S-adenosylmethionine dekarboksilase (Kusano, 2008)

Secara ringkas, poliamina disintesis dari arginine dan ornithine oleh arginine decarboxylase dan orthinine decarboxylase. Senyawa antara agmatine, yang disintesis dari arginine, diubah menjadi Put, yang kemudian ditransformasi menjadi Spd dan Spm . Untuk lebih jelasnya, lintasan biosintesis Poliamina dapat dilihat pada Gambar 4 (Kaur-Sawhney, 2003). Biosisntesis alternative, methionin diubah menjadi S-adenosylmethionine oleh methionine adenosyltransferase dan S-adenosylmethionine dekarboksilase kemudian terbentuk spermidine dan berikutnya spermine (Kusano, 2008). Lintasan biosintesis poliamina dapat dilihat pada Gambar 4.

clip_image010

Gambar 4. Lintasan biosintesis poliamina pada tumbuhan (Kaur-Sawhney, 2003).

Peran dan Kegunaan Poliamina

Dari beberapa macam pendekatan dan bukti yang ada, poliamina terlibat dalam banyak proses di dalam tanaman. Proses tersebut berupa 1) proses fisiologis pertumbuhan dan perkembangan dan 2) proses pertahanan dan kelangsungan hidup.

Pada proses pertumbuhan dan perkembangan, poliamina terlibat dalam beragam proses seperti replikasi DNA, transkripsi gen, pembelahan sel, perkembangan organ, perkembangan dan pemasakan buah, senescence daun (Kaur-Sawhney, 2002; Groppa dan Benavides, 2007; Kusano, 2008; Gilli dan Tusteja , 2010). Baron dan Stasolla (2008) memberikan daftar yang lebih panjang lagi terhadap keterlibatan poliamina dalam proses fisiologis tumbuhan. Proses tersebut meliputi pembelahan sel, embriogenesis, organogenesis, perkembangan bintil akar, perkembangan bunga, buah, dan polen, senescence, perkecambahan benih, sintesis alkaloid tropane, dinamisasi sitoskeletal, respons stres, fotosintesis, dan berinteraksi dengan hormon. Kusano (2008) menambah daftar peran poliamina, termasuk regulasi ekspresi gen, translasi, proliferasi sel, modulasi signaling sel, dan stabilisasi membran. Poliamina juga memodulasi aktivitas unit tertentu dari saluran ion.

Poliamina juga terlibat dalam proses pertahanan dan kelangsungan hidup. Peran poliamina ini terlihat pada tumbuhan yang mengalami cekaman, baik cekaman abiotik maupun cekaman biotik ((Kaur-Sawhney, 2002; Groppa dan Benavides, 2007; Kusano, 2008; Gilli dan Tusteja , 2010). Pada cekaman abiotik, seperti salinitas, kekeringan, suhu ekstrem, hipoksia, dan malnutrisi, tanaman banyak mengakumulasi poliamina. Pada cekaman biotik, seperti serangan hama dan penyakit, tanaman juga meresponsnya dengan meningkatkan konsentrasi poliamina dalam sel pada jaringan yang terserang (Baron dan Stasolla (2008) ); Kusano, 2007).

Dari segi manfaatnya, poliamina dapat digunakan untuk penanda kanker dan penemuan obat anti kanker. Menurut Vadim (2009) poliamina terlibat dalam sejumlah reaksi biokimia dan digunakan sebagai penanda kanker dan analognya digunakan sebagai obat anti kanker.

Dalam dunia farmasi dan kecantikan, poliamina diklaim dapat memberberikan banyak manfaat. Oryza (2011) menyebutkan bahwa poliamina dapat mencegah arteriosceloris, merangsang pertumbuhan rambut dan kuku, merangsang keratinocytes dan keratin serta berperan sebagai anti aging.

Peran Poliamina terhadap Cekaman Abiotik

Palavan-Ünsal (1995) menyatakan bahwa tanaman tingkat tinggi yang terpapar kondisi lingkungan yang suboptimal atau tercekam meresponsnya dengan mengakumulasi Putrescin dalam konsentrasi tinggi. Pengamatan ini awalnya dimulai oleh Richards dan Coleman tahun 1952 pada tanaman barley yang ditanam pada kultur hidroponik yang kekurangan ion K+. Sejak itu, kondisi cekaman lain juga menunjukkan akumulasi putrescin, antara lain kekurangan air, konsentrasi osmotik internal dan eksternal yang tinggi, konsentrasi NH4+ yang tinggi, H+ dan konsentrasi kation monovalen lainnya, larutan ambien, polutan SO2, O3, Pb2+, suhu rendah, dan suhu tinggi.

Groppa dan Benavides (2008) mereview peran poliamina terhadap salinitas, kekeringan dan stres osmotik. Mereka menyatakan bahwa cekaman garam dan kekeringan adalah dua cekaman abiotik utama di bidang pertanian dan rendahnya potensi air merupakan konsekuensi umum dari keduanya. Salinitas merupakan kendala lingkungan yang kompleks yang disebabkan oleh dua hal, yakni 1) komponen osmotik karena penurunan potensi osmotik eksternal dari larutan tanah dan 2) komponen ionik yang terkait dengan akumulasi ion beracun pada konsentrasi tinggi (terutama Na dan Cl). Konsentrasi garam yang tinggi mengganggu integritas membran sel, aktivitas berbagai enzim dan fungsi aparatus fotosintesis.

Tanaman menanggapi perubahan kondisi lingkungan yang kurang menguntungkan ini dengan mengakumulasi senyawa osmolit berberat molekul rendah seperti prolin dan poliamina. Sampai saat ini, masih belum jelas komponen stres garam yang mana yang bertanggung jawab terhadap akumulasi poliamina, apakah komponen osmotik ataupun komponen ionik, meski banyak laporan telah mencoba untuk menjelaskan petunjuk penting ini selama bertahun-tahun. Demikian pula, belum jelas benar poliamina yang mana yang paling berperan pada kondisi stres ? apakah putrescin, spermidin, atau spermin.

Pengukuran kandungan poliamina pada beberapa kultivar padi menunjukkan bahwa kultivar padi yang toleran garam mempertahankan taraf poliamina yang tinggi, yaitu spermidin (Spd) dan spermin (Spm), sedangkan kultivar padi sensitif garam hanya mempertahankan putrescin (Put) yang tinggi. Kultivar toleran garam AU1, Co43, dan CSC1 efektif dalam mempertahankan konsentrasi Spd dan Spm yang tinggi, sedangkan kandungan Putrescin tidak signifikan berubah pada analisis pertumbuhan ketika tanaman terpapar salinitas.

Sensitivitas terhadap garam pada padi dikaitkan dengan tingginya akumulasi putrescin dan rendahnya Spd dan Spm dalam tunas kultivar sensitif garam Co36 CSC2, GR3, IR20, TKM4, dan TKM9 pada kondisi salin. Membran plasma akar kultivar padi toleran garam Nonabokra dan Pokkali kaya akan Spm dan Spd, sedangkan membran plasma akar kultivar sensitif (M-1-48 dan IR8) hanya kaya akan Put.

Kelihatannya Spd dan Spm berperan terhadap komponen osmotik dan responsnya lebih lama sedangkan Put lebih berperan terhadap komponen ionik yang beracun dan responsnya lebih cepat tetapi sementara. Pada penelitian menggunakan NaCl (100 dan 200 mM) dan mannitol (200 dan 400 mM) pada kalus Fraxinus angustifolia, ditemukan bahwa dalam waktu singkat (30 menit) Put dan Spd meningkat sebagai konsekuensi dari perlakuan garam, dan akumulasi yang terus berlanjut dari Spd dan Spm akibat mannitol.

Poliamina kemungkinan besar berperan dalam menambah rigiditas permukaan membran mikrosomal, menstabilkannya terhadap NaCl dan stres osmotik. Lebih lanjut, konsentrasi poliamina yang lebih tinggi yang terikat pada membran mikrosomal kemungkinan dapat mengurangi pengaruh buruk dari NaCl dan kekurangan air.

Dalam kaitannya dengan kekeringan, kelihatannya spermidin lebih berperan, diikuti spermin. Ada penelitian yang melaporkan bahwa Spd merupakan poliamina utama dalam jaringan yang tercekam kekeringan. Penelitian pada akar kecambah chickpea dan kedelai berumur 7 hari yang diperlakukan dengan cekaman kekeringan 0,8 MPa, menunjukkan bahwa total dan individu poliamina lebih tinggi pada chickpea dibanding kedelai. Tanaman chickpea lebih tahan kekeringan dan mengandung lebih banyak Put dan Spd dibanding tanaman kedelai. Kecambah barley yang diperlakukan dengan Spd sebelum periode kekurangan air mampu mengembalikan peningkatan aktivitas enzim katalase dan peroksidase guaiaco, yang mengindikasikan bahwa Spd dapat mempengaruhi aktivitas enzim penangkap H2O2, dan memoderatkan taraf molekul isyarat ini. Tanaman padi merespons kekeringan dengan meningkatkan Put endogen, tetapi tidak cukup tinggi untuk dikonversi menjadi Spd dan Spm. Sebaliknya, tanaman padi transgenik (Datura adc) menghasilkan Put yang lebih tinggi pada cekaman kekeringan sehingga memacu sintesis Spd dan Spm, kemudian melindungi tanaman dari cekaman kekeringan.

Kusano et al. (2008) lebih jauh mengelaborasi peran poliamina terhadap stres abiotik, khususnya kekeringan. Pada tanaman Arabidopsis, mutan acl5/spms, yang tak mampu memproduksi spermin, menunjukkan hipersensitif terhadap stres garam dan kekeringan dibanding tanaman normal. Fenotipe stres sensitif ini dapat pulih dengan penambahan poliamina eksogen, yaitu putrescin untuk sensitif garam dan spermin untuk sensitif kekeringan. Tanaman Arabidopsis mutan acl5/spsm ini juga hipersensitif terhadap KCl dan tanaman ini juga kekurangan Ca2+. Dari fenomena ini, dapat disimpulkan bahwa kekurangan spermin dapat menyebabkan ketidakteraturan keluar-masuknya ion Ca2+, yang mengakibatkan berkurangnya daya adaptasi terhadap tingginya NaCl dan stres kekeringan. Konsisten dengan data yang ada, poliamina, termasuk spermin, juga dilaporkan menghambat pembukaan stomata dan menginduksi penutupannya. Baru-baru ini juga dilaporkan bahwa poliamina mencegah aliran K+.

Gill dan Tuteja (2010) mengelaborasi aplikasi poliamina eksogen terhadap cekaman kekeringan. Banyak bukti mengindikasikan bahwa aplikasi poliamina eksogen dapat menstabilkan membran sel tanaman dan melindunginya dari kerusakan akibat kondisi stres. Poliamina juga diindikasikan ikut berperan dalam menjaga integritas membran. Pemberian Putrescin eksogen terbukti dapat mengurangi kerusakan oksidatif akibat genangan air pada Allium fistulosuma dengan meningkatnya kapasitas antioksidan. Ditemukan juga bahwa aplikasi Put eksogen menyebabkan berkurangnya kandungan senyawa radikal superoksida O2 dan H202, sehingga mengurangi stres oksidatif pada sel tanaman.

Produksi Poliamina

Konsentrasi poliamina dalam sel normal tumbuhan ada pada rentang dari beberapa ratus mikromolar sampai beberapa milimolar. Konsentrasi ini diatur secara ketat, karena pada taraf yang lebih tinggi, poliamina bersifat racun terhadap sel dan bisa menyebabkan kematian sel (Kusano, 2008). Kekecualian ada pada sel kanker. Pada sel kanker, konsentrasi poliamina melebihi konsentrasi pada sel normal (Yatin, 2002). Pengaturan konsentrasi poliamina dalam sel kelihatannya dilakukan tanaman pada beberapa tahapan proses produksi poliamina.

Produksi Poliamina dalam tumbuhan ditentukan oleh empat hal, yaitu sintesis, penyerapan, transpor, dan degradasi (Yatin, 2002;Kusano, 2008). Namun demikian, penyerapan dan transpor poliamina belum dapat dipertimbangkan dalam proses produksi karena kedua proses tersebut belum diketahui secara detail. Kusano (2008) menyatakan bahwa transpor poliamina pada tumbuhan masih dalam bentuk hipotesis. Demikian pula halnya, poliamina degradasi, mekanismenya masih belum cukup jelas. Untuk poliamina penyerapan, Yatim (2002) menyatakan bahwa poliamina penyerapan dan poliamina sintesis dapat saling disubstitusi. Oleh karena itu, untuk saat ini, pertimbangan bagi produksi poliamina hanyalah dari sisi sintesisnya.

Pada tahap sintesis, produksi poliamina kemungkinan dapat dimanipulasi dengan berbagai cara antara lain dengan memanipulasi bahan baku, produk antara, enzim-enzim yang terlibat, dan faktor lingkungan yang mempengaruhi produksi poliamina dalam lintasannya, terutama faktor cekaman biotik dan abiotik. Namun demikian, pemilihan bahan baku dan paparan terhadap cekaman merupakan pendekatan yang lebih praktis.

Beberapa jenis tanaman secara alamiah mengandung banyak poliamina di dalam sel dan jaringannya. Menurut Okamoto (1997) dan Oryza (2011) gandum, kedelai dan turunannya, serta teh mengandung banyak poliamina. Kandungan poliamina pada berbagai jenis bahan pangan yang berasal dari tumbuhan disajikan pada Gambar 5.

Paparan tumbuhan pada berbagai cekaman juga merupakan pilihan yang rasional. Banyak penelitian telah membenarkan bahwa cekaman biotik dan abiotik meningkatkan kandungan poliamina dalam tumbuhan. Bentuk cekaman dapat berupa salinitas, kekeringan, suhu ekstrem, hipoksia, dan malnutrisi, serta serangan hama dan penyakit (Alcazar, 2006; Kusano, 2007). Namun demikian Selmar (2007) mengingatkan bahwa peningkatan kandungan metabolit sekunder, termasuk poliamina lebih bersifat kualitatif daripada kuantitatif. Hal ini dikarenakan umumnya tanaman dalam keadaan tercekam pertumbuhan dan produksi total biomassanya rendah, sehingga secara kuantitatif trade off dengan tingginya kandungan metabolit sekunder.

clip_image012

Gambar 5. Kandungan Poliamina dalam jenis pangan dan minuman (Oryza 2011).

DAFTAR PUSTAKA

Alca´zar, R. F. Marco, J. C. Cuevas, M. Patron, A. Ferrando, P. Carrasco, A. F. Tiburcio, T. Altabella. 2006. Involvement of Polyamines in plant response to abiotic stress. Biotechnol Lett 28:1867–1876.

Baron, K. and C. Stasolla. 2008. The role of Polyamines during in vivo and in vitro Development. In Vitro Cell.Dev.Biol.-Plant (2008) 44:384–395

Gill, S.S. and N. Tuteja. 2010. Polyamines and abiotic stress tolerance in plants. Plant Signaling & Behavior 5:1, 26-33. Landes Bioscience.

Groppa, M. D. and M. P. Benavides. 2008. Polyamines and abiotic stress: recent advances. Amino Acids (2008) 34: 35–45

Hanson, J. R. 2011. Natural Products: The Secondary Metabolites. University of Sussex

Harborne, J. B. 1984. Phytochemical Methods. Chapman and Hill, Hongkong. In Vitro Cell.Dev.Biol.-Plant 44:384–395.

Kaur-Sawhney, R. , A. F. Tiburcio, T. Altabella, and A. W. Galston. 2003. Polyamines in plants: An overview. Journal of Cell and Molecular Biology 2: 1-12. Haliç University, Turkey.

Kusano, T., T. Berberich · C. Tateda · Y. Takahashi. 2008. Polyamines: essential factors for growth and survival. Planta (2008) 228:367–381.

Kusano, T., K. Yamaguchi, T. Berberich, Y. Takahashi. 2007. The Polyamine Spermine Rescues Arabidopsis from Salinity and Drought Stresses. Plant Signaling & Behavior 2:4, 251-252.

Okamoto A., E. Sugi, Y. Koizumi. F. Yanagida, dan S. Udaka. 1997. Polyamine content of ordinary foodstuffs and various fermented foods. Bios ci.Biotech.Biochem.61(9):1582 – 1584. www.jstage.jst.go.jp/article/bbb1992/61/9/61_9_1582/_pdf.

Oryza. 2011. Polyamine: Natural Ingredient for Healthy Hair and Nail Treatment with Anti-ageing. www.oryza.co.jp/html/…/Poliamina_vol.2.pd. Diakses 21 Oktober 2012.

Palavan-Ünsal, N. 1995. Stress and polyamine metabolism. Bulg. J. Plant Physiol., 1995, 21(2-3), 3–14

Roberts, M.F. , D. Strack and M. Wink. 2010. Biosynthesis of alkaloids and betalains. Annual Plant Reviews 40, 20 – 91. Www.Interscience.Wiley.Com

Royal Society of Chemestry.

Selmar, D. 2007. Potential of salt and drought stress to increase pharmaceutical significant secondary compounds in plants. Agriculture and Forestry Research 1/2(58):139-144 2007.

Springob and Kutchan (2009). Introduction to the Different Classes of Natural Products. Eds. A. E. Osbourn • and V. Lanzotti. Plant-derived Natural Products: Synthesis, Function, and Application. Springer.

Wikipedia. 2012. Polyamine. http://en.wikipedia.org/wiki/Poliamina. Diakses 21 Oktober 2012.

Wink, M. 2010. Introduction: Biochemistry, Physiology and Ecological Functions of Secondary Metabolites. Annual Plant Reviews 40, 1–19. Www.Interscience.Wiley.Com

Yatin, M. 2002. Polyamines in living organisms. Journal of Cell and Molecular Biology 1: 57-67. Golden Horn University, Printed in Turkey.

DEHIDRIN DAN PERANNYA TERHADAP CEKAMAN KEKERINGAN

Muhammad Hatta

PENDAHULUAN

Pertumbuhan tanaman dan produktivitasnya sangat dipengaruhi oleh keadaan alam dalam bentuk berbagai faktor cekaman biotik dan abiotik. Keterbatasan air atau kekeringan merupakan cekaman abiotik yang paling penting di bidang pertanian (Jaleel et al. 2009). Cekaman kekeringan merugikan pertumbuhan tanaman, menurunkan hasil panen dan mengancam kelangsungan hidup tanaman di lapangan (Xoconostle-Cazares et al., 2011; Jaleel et al. 2009). Kerugian hasil panen yang disebabkan oleh kekeringan mungkin melebihi kerugian oleh penyebab lain. Cekaman kekeringan menyebabkan berkurangnya ukuran daun, pemanjangan batang dan proliferasi akar (Farooq et al. 2006).

Secara lingkungan, kekeringan didefinisikan sebagai pasokan air yang tidak mencukupi yang menyebabkan penurunan produksi tanaman. Kekeringan adalah kesenjangan antara kebutuhan tanaman terhadap air dan pasokan air (Blum, 2011). Oleh karena itu, diperlukan upaya untuk mendapatkan tanaman toleransi kekeringan.

clip_image004

Gambar 1. Padi yang mengalami kekeringan parah

Dari berbagai pendekatan yang telah dilakukan untuk mengatasi masalah ini, pemuliaan tanaman, baik yang konvensional maupun yang melibatkan rekayasa genetika adalah cara yang efektif dan ekonomis terhadap lingkungan yang kekurangan air (Ashraf, 2010). Akan tetapi, untuk pelaksanaannya, pendekatan seperti ini membutuhkan dasar pengetahuan pada tingkat struktural dan molekuler, bagaimana kekeringan mempengaruhi tanaman. Selain itu, penanda toleransi kekeringan pada tanaman diperlukan untuk memandu proses pemuliaan tanaman (Vaseva et al., 2012).

Tanaman memersepsi dan merespons dengan cepat perubahan status air dengan perubahan pelbagai morfologi, fisiologis, seluler, dan molekuler yang terjadi secara paralel (Xoconostle-Cazares et al, 2011). Tanaman menampilkan berbagai mekanisme untuk mengatasi cekaman kekeringan. Mekanisme utamanya meliputi pembatasan kehilangan air dengan cara meningkatnya resistensi difusi dan penyerapan air melalui sistem perakaran yang prolifik dan penggunaannya yang efisien, dan daun yang lebih kecil dan sekulen untuk mengurangi transpirasi (Farooq et al. 2006). Pada tingkat fisiologis dan metabolisme, kekeringan menyebabkan penghambatan pertumbuhan tunas, penyesuaian luas daun, dan penutupan stomata, pengurangan transpirasi, penghambatan fotosintesis, pergeseran metabolisme karbon dan nitrogen, sintesis zat terlarut kompatibel, dan cekaman oksidatif sekunder (Xoconostle-Cazares et al, 2011).

Farooq et al. (2006) menjelaskan fenomena yang terjadi pada tanaman yang mengalami cekaman kekeringan. Di antara hara nutrisi, ion kalium membantu dalam penyesuaian osmotik dan silikon meningkatkan silifikasi endodermal akar dan meningkatkan keseimbangan air sel. Osmolit berberat molekul rendah, yang meliputi glycine betaine, prolin dan asam amino lain, asam organik, dan poliol, sangat penting untuk mempertahankan fungsi sel di bawah cekaman kekeringan. Zat pertumbuhan tanaman seperti asam salisilat, auksin, gibberrellins, sitokinin, dan asam absisik memodulasi respons tanaman terhadap kekeringan. Poliamina, citrulline dan beberapa enzim bertindak sebagai antioksidan dan mengurangi efek samping dari kekurangan air. Pada tingkat molekul, beberapa gen responsif-kekeringan dan faktor transkripsi telah diidentifikasi, seperti gen yang mengikat elemen responsif-dehidrasi, aquaporin, protein LEA (late embryogenesis abundant) dan dehidrin.

Cekaman abiotik dengan komponen dehidrasinya (kekeringan, salinitas, dan pembekuan) melibatkan peningkatan jumlah protein tidak aktif seperti terdenaturasi, teragregasi atau rusak oksidatif. Oleh karena itu, mempertahankan protein dalam bentuk fungsional mereka, mencegah agregasi protein, mengembalikan protein rusak menjadi bentuk aslinya dan pembuangan polipeptida non-fungsional dan berpotensi membahayakan adalah penting untuk mempertahankan kelangsungan hidup sel di bawah kondisi dehidrasi. Untuk mencapai hal ini, tanaman merespons kekeringan dengan cara menyintesis protein pelindung, seperti dehidrin atau protein LEA (Vaseva et al., 2012). Akumulasi protein LEA (late embryogenesis abundant) digambarkan sebagai mekanisme yang paling umum dikembangkan tanaman terhadap cekaman kekeringan (Hanin et al., 2011).

clip_image006

Gambar 2. Tanaman ekotipe Lansberg erecta, satu hari pertama disiram dan berikutnya 11 hari tanpa air (Zhang et al. 2008).

PROTEIN LEA

Protein LEA pertama kali dideskripsikan sekitar 25 tahun yang lalu, yang terakumulasi pada akhir perkembangan benih. Protein ini pertama sekali ditemukan pada tanaman kapas. Disebut protein LEA (late embryogenesis abundant), karena protein ini banyak terakumulasi pada tahap akhir dari embriogenesis. Belakangan, protein LEA ditemukan di jaringan vegetatif tanaman pada cekaman lingkungan dan juga pada bakteri dan invetebrata yang toleran desikasi. Meskipun protein LEA secara luas diasumsikan memainkan peran penting dalam toleransi dehidrasi sel, tetapi fungsi fisiologis dan biokimianya tidak diketahui (Hundertmark and Hincha, 2008); Vaseva et al., 2012).

Hundertmark and Hincha (2008) mengidentifikasi 51 gen yang mengkode protein LEA dalam genom Arabidopsis yang dapat diklasifikasikan ke dalam sembilan kelompok yang berbeda. Kebanyakan gen pengkodean protein LEA memiliki elemen ABRE (absisic acid response) dan/ atau LTRE (low emperature response) dalam promotornya dan banyak gen yang mengandung elemen promotornya masing-masing diinduksi oleh asam absisik, suhu rendah atau kekeringan.

clip_image008

Gambar 3. Kelompok protein LEA dan gennya (Hundertmark and Hincha, 2008).

Berdasarkan strukturnya, akumulasi dalam merespons cekaman kekeringan, garam, dan dingin, serta aktivitasnya in vitro, protein LEA dianggap berpartisipasi dalam melindungi komponen sel dari dehidrasi. Protein LEA dicirikan oleh kandungan glisinnya yang relatif tinggi dan hidrofilik dan kandungan struktur sekunder yang rendah. Umumnya, protein LEA tetap cair pada titik didih, yang merupakan properti yang digunakan sebagai langkah awal dalam pemurnianya (Vaseva et al., 2012). Mayoritas protein LEA diperkirakan sangat hidrofilik dan secara alami tidak terstruktur, tetapi beberapa diprediksi terlipat (Hundertmark and Hincha, 2008; A’goston et al. 2011).

Beberapa sistem nomenklatur telah dilaporkan untuk mengklasifikasikan protein LEA. Awalnya, protein LEA diklasifikasikan menurut berat molekulnya dan dengan demikian diberi nama D7, D11, D19, D29, D34, D73, D95, D113. Kemudian, sebagai respons terhadap meningkatnya jumlah protein LEA yang baru diidentifikasi, maka sistem klasifikasi baru diperkenalkan yang berdasarkan pada komposisi asam amino dan urutan motifnya. Protein LEA diklasifikasikan ke dalam enam kelompok oleh sistem nomenklatur yang berbeda atas dasar urutan motifnya. Dehidrin termasuk dalam protein LEA kelompok 2 (Vaseva et al., 2012) atau D11 (Hundertmark and Hincha, 2008)

clip_image010

Gambar 4. Struktur protein (Armstrong, 2006).

clip_image011 clip_image013

Gambar 5. Protein tidak terstruktur (Uversky, 2011).

DEHIDRIN

Dehidrin adalah subkelompok protein Late Embryogenesis Abundant (LEA). Protein ini banyak mendapat perhatian karena paling banyak dipelajari dan dikarakterisasi di bawah cekaman kekeringan. Semua dehidrin mempunyai domain 15-asam amino yang kaya lisin, EKKGIMDKIKEKLPG, yang diberi nama K-segmen dan biasanya hadir di dekat terminal-C. Ciri khas lain dari dehidrin adalah adanya residu Ser (S-segmen), motif konsensus, T/VDEYGNP (Y-segmen) yang terletak dekat N-terminal, dan segmen yang kurang terlindung, biasanya kaya akan asam amino polar (Φ-segmen). Dehidrin tidak memperlihatkan struktur sekunder yang terdefinisi dengan baik (Vaseva et al., 2012).

clip_image015

Gambar 6. Urutan konservatif segmen K, S, dan Y dari dehidrin

Klasifikasi yang berlaku umum dari dehidrin didasarkan pada bangun strukturalnya, seperti adanya urutan konservasinya, yang disebut dengan segmen Y, S dan K. Segmen K, yang merupakan motif 15 asam amino yang sangat konservatif yang membentuk helik amfifilik, sangat penting karena ditemukan di semua dehidrin (Hanin et al., 2012). Jumlah dan urutan segmen-Y, -S, dan -K menentukan sub kelas dehidrin yang berbeda: YnSKn, YnKn, SKN, Kn, dan KNS (Vaseva et al., 2012).

Menurut Hanin et al. 2011, dehidrin merupakan suatu massa molekul yang memiliki bobot antara 9 – 200 kD. Menurut definisi baru yang berdasarkan motifnya, dehidrin adalah protein yang memiliki setidaknya satu copi urutan konservatif, yang disebut dengan segmen-K, di dalam molekulnya. Segmen K adalah urutan asam amino yang kaya lisin (EKK GIM E/DKI KEK LPG), ada 1–11 copi dekat terminal C dari molekul dehidrin. Dehidrin juga memiliki motif lain, yaitu segmen-Y yang kaya tirosin [konsensus (V/T)D(E/Q) YGNP], ada di dekat terminal-N dan segmen-S yang kaya serin yang terbentuk oleh bidang 4 – 10 residu serin, yang merupakan bagian dari urutan konservatif LHRSGS4–10(E/D)3. Segmen-S bisa mengalami fosforilasi oleh enzim kasein kinase 2 (CK2). Menurut keberadaan segmen K, S, dan Y, maka dehidrin dapat dibagi ke dalam 5 subgrup: Kn, SKn, KnS, YnKn and YnSKn. Dalam kondisi cair, dehidrin ada dalam bentuk kumparan. Dehidrin membentuk ikatan hidrogen maksimum dengan molekul air tetangganya (ikatan hidrogen intermolekul) dan ikatan hidrogen minimum di antara residu asam amino yang berbeda (ikatan hidrogen intramolekul). Karena rendahnya proporsi ikatan hidrogen intramolekul, dehidrin terlihat tidak terstruktur dan memiliki banyak kemiripan dengan protein tak terstruktur lainnya (PTT).

Dehidrin mengandung banyak proporsi asam amino hidrofilik dan dapat berubah bentuk sesuai dengan perubahan lingkungan mikronya. Berdasarkan studi lingkungan, menurunnya status hidrasi dehidrin (kehilangan molekul air dalam lingkungan mikronya) atau penambahan sejumlah besar solut kompatibel (spt gliserol), deterjen (spt SDS), atau garam (spt NaCl) ke dalam larutan dehidrin cair, mengarah ke perubahan bentuk yang dapat dimonitor dengan teknik dichroisme sirkulasi UV jauh. Di bawah kondisi hidrasi yang rendah, segmen-K mengadopsi bentuk α-helik yang mirip dengan α-helik amfipatik kelas A2 yang ditemukan pada apolipoprotein dan α-synuclein. Ketika α-helix terbentuk dalam segmen-K, maka terbentuk asam amino yang bermuatan negatif di sisi heliknya, asam amino hidrofobik di sisi oposisi dari heliknya, dan asam amino bermuatan positif pada penghubung polar-non polar (Hanin et al. 2011).

clip_image016

Gambar 7. Karakteristik LEA protein (Nias, 2013).

KEBERADAAN DEHIDRIN DALAM TANAMAN

Dehidrin terdapat pada berbagai organisme termasuk tumbuhan tingkat tinggi,ganggang, ragi dan cyanobacteria. Dehidrin terakumulasi pada fase akhir embriogenesis. Dalam keadaan normal, dehidrin terdapat di dalam beragam bagian sel, seperti sitosol, nukleus, mitokondria, vakuola, dan sekitar membran plasma. Akan tetapi, umumnya, dehidrin banyak terdapat pada sitoplasma dan nukleus (Rorat, 2006)

Pada keadaan stres yang menyebabkan terjadinya dehidrasi, seperti kekeringan, suhu rendah, dan salinitas, dehidrin terinduksi pada hampir di semua jaringan vegetatif (Rorat, 2006). Karena, ekspresi dari banyak dehidrin meningkat oleh kehadiran ABA, maka dehidrin dikenal juga sebagai protein RAB (responsive to ABA)( Hanin et al. 2011).

Penelitian lokalisasi yang ekstensif mengungkapkan bahwa dehidrin terakumulasi pada jaringan dan sel tertentu pada Arabidopsis dalam kondisi pertumbuhan normal. Dehidrin pada Arabidopsis ERD14 dan LTI29 terdeteksi pada ujung akar tanaman yang tumbuh di bawah kondisi normal. ERD14, LTI29 dan RAB18 terekspresi dalam jaringan pembuluh dan RAB18 dalam sel penjaga stomata. Akumulasi ERD14, LTI29 dan RAB18 terdeteksi di sebagian besar sel pada perlakuan cekaman, khususnya dalam sel jaringan sekitar pembuluh. Ditemukan juga bahwa dehidrin LTI30 absen pada tanaman tanpa cekaman, namun terakumulasi pada perlakuan cekaman, terutama pada jaringan pembuluh dan kantung sari, kemungkinan keduanya diatur baik secara transkripsi maupun secara pascatranskripsi (Vaseva et al., 2012).

FUNGSI DEHIDRIN DALAM TANAMAN

Dehidrin menunjukkan fungsi fisiologis pada kondisi pertumbuhan normal dan fungsi khusus dalam respons terhadap beberapa jenis stres. Tripepi et al. (2011) menemukan bahwa ada empat anggota keluarga dehidrin yang terdapat dalam tanaman zaitun dan dua di antaranya berperan dalam stres. Berdasarkan hasil penelitian tersebut, dehidrin diyakini berfungsi sebagai komponen integral dari respons tanaman zaitun terhadap kondisi stres.

Pola ekspresi dari gen dehidrin sering kali berasosiasi dengan sifat tanaman yang bertoleransi tinggi terhadap pendinginan dan kekeringan (Rorat, 2006).

clip_image018

Gambar 8. Perbandingan urutan asam amino pada fragmen dehidrin cowpea. CPR 22 adalah protein yang terinduksi oleh cekaman kekeringan yang diproduksi daun cowpea. MAT1 dan MAT9 adalah protein yang terkait dengan kematangan pada benih kedelai. U10111 adalah protein yang terinduksi oleh cekaman kekeringan pada daun kedelai. Kotak menunjukkan daerah konservasi (Sumber: Ismail et al. 1999)

Menurut Hanin et al. (2011) dehidrin (DHNs), atau kelompok 2 LEA protein, memainkan peranan penting dalam respons tanaman dan adaptasi terhadap cekaman abiotik. Pada umumnya, dehidrin terakumulasi dalam biji yang sedang masak atau terinduksi dalam jaringan vegetatif akibat cekaman salinitas, dehidrasi, suhu dingin, dan beku. Dehidrin menunjukkan beragam fungsi (misalnya, fungsi chaperon, cryoprotektif, antibeku, penangkap radikal bebas, pengikat ion) pada berbagai cekaman, termasuk kekeringan, salinitas, suhu rendah, logam berat, dan mungkin juga terhadap cekaman biotik.

Diduga bahwa dehidrin berinteraksi dengan membran di bagian dalam sel dan mengurangi dehidrasi. Mekanisme interaksi ini dapat dijelaskan oleh kemampuan dehidrin dalam menggantikan air dan mensolvatasi struktur sitosol melalui kelompok hidroksilnya. Penjelasan lain yang mungkin adalah bahwa dehidrin mencegah interaksi antara dua lapis membran atau kemampuannya mengkelat ion, dan mengurangi pengaruh merusak dari tingginya konsentrasi ion (Vaseva et al., 2012).

Fungsi pasti dari dehidrin belum diketahui dengan jelas, tetapi percobaan in vitro menunjukkan bahwa beberapa dehidrin (tipe YSK(n)) mengikat gelembung lipida yang mengandung fospolipida asam, dan dehidrin lain (K9n)S) terlihat mengikat metal dan memiliki kemampuan menangkap radikal hidroksil, melindungi membran lipida terhadap peroksidasi atau memperlihatkan aktivitas karioprotektif terhadap enzim yang sensitif terhadap pembekuan (Rorat, 2006)

Meskipun fungsi dehidrin belum terdiskripsi dengan baik, beberapa mekanisme dehidrin mengatasi cekaman telah diusulkan, seperti membran stabilisasi, ketahanan terhadap cekaman osmotik, dan perlindungan protein – yang disebut dengan fungsi chaperon (Hanin et al. 2011).

Kelihatannya dehidrin memiliki fungsi spesial. Dehidrin mungkin memainkan peran sebagai osmoregulator pada tipe sel tertentu pada saat tidak ada cekaman. Kehadiran dehidrin alami telah dilaporkan pada berbagai spesies tanaman. Contohnya adalah kacang B61 yang merupakan jenis SK2, dan Craterostigma plantagineum DSP16, yang merupakan jenis dehidrin YSK2. Protein mirip dehidrin alami juga telah dilaporkan pada birch (16 kDa), poplar (50 kDa) dan dogwood (60 kDa). Beberapa dehidrin konstitutif juga cekaman-responsif. Misalnya, dehidrin Arabidopsis RAB18 (YSK-type) hadir dalam inti sel penjaga pada kondisi normal, tetapi juga hadir dalam sitosol di bawah cekaman. Demikian pula, aktivitas promotor yang diinduksi cekaman dalam sel penjaga stomata telah dilaporkan pada C. plantagineum DSP16 dan tomat TAS14 yang keduanya juga jenis dehidrin YSK (Vaseva et al., 2012).

Akumulasi lima dehidrin yang diinduksi cekaman pada Arabidopsis (COR47, LTI29, ERD14, LTI30 dan RAB18), setelah perlakuan dengan suhu rendah, ABA, dan konsentrasi garam tinggi, telah dikarakteristik secara imunologis dengan antibodi protein spesifik. Dehidrin menunjukkan perbedaan yang jelas pada pola akumulasinya dalam merespons cekaman yang berbeda. Dehidrin LTI30 tidak terdeteksi pada tanaman tanpa cekaman. ERD14 (SK2) terakumulasi dalam tanaman tanpa cekaman. LTI29 (SK3) terakumulasi terutama pada suhu rendah, tetapi juga ditemukan pada tanaman yang diperlakukan dengan ABA dan garam. LTI30 (K6) dan COR47 (SK3)terakumulasi terutama dalam merespons suhu rendah, sedangkan RAB18 (Y2SK2) hanya ditemukan pada tanaman yang diperlakukan dengan ABA dan merupakan satu-satunya dehidrin dalam penelitian ini yang terakumulasi dalam biji kering (Vaseva et al., 2012).

PERAN DEHIDRIN DALAM CEKAMAN KEKERINGAN

Kekeringan merupakan salah satu cekaman lingkungan yang paling berpengaruh terhadap pertumbuhan dan produktivitas tanaman. Cekaman kekeringan menginduksi beragam respons fisiologi, biokimia, dan molekuler pada tanaman, termasuk perubahan dalam ekspresi gen. Salah satu gen toleran kekeringan adalah gen yang mengkode dehidrin yang termasuk kelompok II atau D-11 dari keluarga LEA protein. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sekuen gen Gm-LEA-D11 yang dimiliki oleh varietas toleran kekeringan dan toleransi moderat berbeda dengan sekuen gen GmLEA-D11 varietas rentan kekeringan (Savitri et al. 2013) dan jumlah protein dehidrin dalam varietas toleran lebih tinggi daripada jumlah protein pada varietas moderat dan sensitif kekeringan (Arumingtyas et al. 2013).

Akumulasi dehidrin pada tanaman merupakan gambaran umum dari respons tanaman terhadap kekeringan. Kendatipun peran dehidrin yang sesungguhnya dalam mengatasi stres kekeringan belum diketahui dengan pasti, namun dari data hasil penelitian, dehidrin memiliki beberapa fungsi seperti fungsi pelindung terhadap protein dan enzim, fungsi pengisi ruang, dan fungsi penangkap spesies oksigen reaktif (ROS) dan pengikat ion logam.

Dehidrin memiliki fungsi pelindung terhadap protein tanaman. Segmen-K dari dehidrin dapat membentuk buntelan ketika dalam bentuk α helik, sehingga meningkatkan karakter amfipatiknya terhadap interaksi protein-protein atau protein-biomembran. Pengikatan dehidrin ke permukaan protein lain yang sebagian mengalami dehidrasi akan meningkatkan pembentukan amphipathic α-heliks dalam molekul dehidrin dan melindungi protein lain dari kehilangan kandungan air lebih lanjut (yang dapat menyebabkan perubahan bentuk protein yang ireversibel yaitu, denaturasi protein). Kemampuan interaksi antara permukaan molekul dehidrin yang sebagian mengalami dehidrasi dengan protein lain atau biomembran merupakan dasar dari fungsi pelindung dehidrin (Hanin et al. 2011). Dehidrin dapat bertindak seperti chaperon terhadap protein lain dan membantu protein tersebut untuk melipat dengan benar atau mencegah protein agregasi di bawah panas atau stres beku (Hanin et al. 2011). Namun demikian, kemampuan seperti chaperon ini didasarkan pada mekanisme “perisai molekul” daripada aktivitas chaperon yang khas. Menurut konsep perisai ini, dehidrin mampu menghambat interaksi antara molekul protein yang terdenaturasi dan mencegah terbentuknya agregat. Adalah sangat mungkin bahwa dehidrin, sebagai mana protein tak teratur umumnya, mampu mengikat molekul mitranya melalui elemen pengenal pendek. Pada saat interaksi ini berlangsung, molekul dehidrin berpartisipasi dalam proses adaptif struktural yang disebut dengan transisi takteratur-ke-teratur atau pelipatan yang diinduksi (Vaseva et al., 2012).

Selain itu, dehidrin dapat berfungsi sebagai pengisi ruang. Ketika sel-sel kehilangan air, maka distribusi kompleks antar sel dapat berubah mengarah kepada interaksi yang tidak diinginkan serta terjadinya agregasi/denaturasi beberapa protein dan kompleks yang terkait dengan membran. Karena dehidrin dapat terakumulasi dalam jumlah yang relatif besar dalam berbagai kompartemen di dalam sel di bawah dehidrasi, maka dehidrin mungkin hanya bertindak sebagai "pengisi-ruang", yaitu mereka dapat berpartisipasi dalam menjaga jarak orisinal dan tidak-berbahaya dari kompleks antar sel. Singkatnya, karena dehidrin tidak bisa dilipat, banyak terakumulasi dan berkemampuan untuk mengikat air, maka dehidrin di bawah kondisi dehidrasi, dapat membantu menjaga volume sel orisinal, sehingga dapat mencegah rusaknya sel (Hanin et al. 2011).

Beberapa dehidrin, yang mengandung relatif banyak H, R, dan residu asam amino reaktif lain pada permukaannya, juga menunjukkan perilaku sebagai penangkap spesies oksigen reaktif (ROS) dan pengikat ion logam. Kedua fungsi ini dimediasi oleh interaksi langsung antara residu asam amino dengan ROS (anion superoksida radikal O2, singlet oksigen 1O2, radikal hidroksil HO-, Hidrogen peroksida H2O2) atau ion logam (Co2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Ni2+; Zn2+). Interaksi residu asam amino dengan ROS menyebabkan terjadinya oksidasi residu, sedangkan interaksi dengan ion logam menyebabkan terjadinya pembentukan ikatan kovalen. Pengikatan ion logam bebas mencegah senyawa intraseluler membentuk ROS yang berlebihan karena ion logam bebas dapat bertindak sebagai katalisator sintesis berbagai ROS. Dehidrin juga dapat berfungsi sebagai antioksidan, ion sequestran, atau transporter ion logam dalam cairan floem tanaman (Hanin et al. 2011). Dehidrin dihipotesiskan juga berfungsi untuk menstabilkan makromolekul dalam sel stres. Dehidrin pada jeruk mengurangi peroksidasi lipid dan menangkap radikal hidroksil. Hasil ini menunjukkan bahwa dehidrin jeruk mengikat logam menggunakan urutan spesifik yang mengandung His. Karena dehidrin jeruk adalah protein penangkap radikal, maka ia dapat mengurangi toksisitas logam dalam sel tanaman di bawah kondisi cekaman air (Hara et al. 2005). Lebih lanjut, dilaporkan bahwa dehidrin tipe KS dapat mengurangi pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS) dari Cu. AtHIRD11, yang merupakan dehidrin tipe KS Arabidopsis, menghambat pembentukan hidrogen peroksida dan radikal hidroksil dalam sistem Cu-askorbat. Aktivitas penghambatan radikal dari AtHIRD11 lebih kuat dibandingkan aktivitas peptida seperti glutathione dan serum albumin. Penambahan Cu2 + mengurangi keadaan tak-teratur, mengurangi kerentanan tripsin, dan mempromosikan asosiasi diri dari AtHIRD11. Menggunakan 27 peptida yang terkait dengan dehidrin tipe KNS dari 14 spesies tanaman, ditemukan bahwa kekuatan aktivitas penurunan ROS ditentukan oleh dua faktor, yaitu kandungan histidin dan panjang peptida (Hara et al. 2013).

clip_image020

clip_image022

Gambar 9. Model sinyal ABA dan gen protein LEA terhadap stres air (sumber: Nakashima et al., 2011).

DAFTAR PUSTAKA

A´goston, B. S., D. Kova´cs, P. Tompa, and A. Perczel. 2011. Full backbone assignment and dynamics of the intrinsically disordered dehydrin ERD14. Biomol NMR Assign. DOI 10.1007/s12104-011-9297-2

Armstrong, C. 2006. High Protein Diet Facts. http://www.ourhealth.com.au /2006/10/high-protein-diet-facts.html diakses 8-4-2013

Arumingtyas, E. L., E. S. Savitri and R. D. Purwoningrahayu, 2013. "Protein Profiles and Dehydrin Accumulation in Some Soybean Varieties (Glycine max L. Merr) in Drought Stress Conditions," American Journal of Plant Sciences, Vol. 4 No. 1. pp. 134-141. doi: 10.4236/ajps.2013.41018.

Ashraf, M. 2010. Inducing drought tolerance in plants: Recent advances. Biotechnol. Adv. 28, 169-183.

Blum, A. 2011. Breeding for Water-Limited Environments. DOI 10.1007/978-1-4419-7491-4_1, © Springer Science+Business Media, LLC 201. doi:10.1093/jxb/ert016

Hanin, M., F. Brini, C. Ebel,Y. Toda, S. Takeda, and K. Masmoudi. 2011. Plant dehydrins and stress tolerance, versatile proteins for complex mechanisms. Plant Signal Behav. 2011 October; 6(10): 1503–1509.

Hara, M., M. Fujinaga and T. Kuboi. 2005. Metal binding by citrus dehydrin with histidine-rich domains. Journal of Experimental Botany, Vol. 56, No. 420, pp. 2695–2703. doi:10.1093/jxb/eri262

Hara, M., M. Kondo and T. Kato. 2013. A KS-type dehydrin and its related domains reduce Cu-promoted radical generation and the histidine residues contribute to the radical-reducing activities. Journal of Experimental Botany

Ismail, A.M., Anthony E. Hall, and Timoty J. Close. 1999. Purification and partial characterization of a dehydrin involved in chiling tolerance during seedling emergence of cowpea. Plant Physiopogy, vol.120, 237 – 244.

Jaleel C. A., P. Manivannan, A. Wahid, M. Farooq, H. J. Al-Juburi, R. Somasundaram and R. Panneerselvam. 2009. Drought Stress in Plants: A Review on Morphological Characteristics and Pigments Composition. International Journal of Agriculture & Biology. ISSN Print: 1560–8530; ISSN Online: 1814–9596. http://www.fspublishers.org

M. Farooq, A. Wahid, N. Kobayashi, D. Fujita, and S.M.A. Basra. 2006. Plant Drought Stress: Effects, Mechanisms and Management. Cell Mol Biol Lett. 11(4):536-56

Michaela Hundertmark and Dirk K Hincha. 2008. LEA (Late Embryogenesis Abundant) proteins and their encoding genes in Arabidopsis thaliana. BMC Genomics 9:118 doi:10.1186/1471-2164-9-118

Nakashima, K., Y. Fujita and K. Yamaguchi-Shinozaki. 2011. SnRK2 protein kinases are essential for the control of drought tolerance and germination. JIRCAS. Diakses 9-4-2013.

Nias. 2013. LEA Protein and cryptobiosis. http://www.nias.affrc.go.jp /anhydrobiosis/Sleeping%20Chironimid/e-taisei.html. diakses 8-4-2013

Rorat T. 2006. Plant dehydrins–tissue location, structure and function. Cell Mol Biol Lett. 11(4):536-56

Savitri, E. S., N. Basuki, N. Aini, E. L. Arumingtyas. 2013. Identification and characterization drought tolerance of gene LEA-D11 soybean (glycine max L. Merr) based on PCR-sequencing. American Journal of Molecular Biology. 3, 32-37. doi:10.4236/ajmb.2013.31004. http://www.scirp.org /journal/ajmb/

Tripepi, M., M. Pöhlschroder and M. B. Bitonti. 2011. Diversity of Dehydrins in Oleae europaea Plants Exposed to Stress. The Open Plant Science Journal. 5, 9-13

Uversky, V. N.. 2011. Intrinsically disordered proteins from A to Z. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. Volume 43: 1090 – 1103. 2011

Vaseva, I., J. Sabotič, J. Šuštar-Vozlič, V. Meglič, M. Kidrič, K. Demirevska, and L. Simova-Stoilova. 2012. The response of plants to drought stress: The role of dehydrins, chaperones, Proteases and protease inhibitors In maintaining cellular Protein function. 1 – 43. In Droughts: New Research. Editors: D. F. Neves and J. D. Sanz. Nova Science Publishers, Inc.

Xoconostle-Cázares, B., F. A. Ramirez-Ortega, L. Flores-Elenes, and R. Ruiz-Medrano. 2011. Drought tolerance in crop plants. Am. J. Plant Physiol. 5, 241–256.

Zhang, Y., W. Xu, Z. Li, X.W. Deng, W. Wu, and Y. Xue. 2008. F-Box protein DOR functions as a novel inhibitory factor for abscisic acid-induced stomatal closure under drought stress in Arabidpsis. Plant Physiology, Vol. 148: 2121 – 2133. www. Plantphysiol.org /cgi/doi/10.1104/ pp.108.126912