TINJAUAN PUSTAKA Morfologi Tanaman Kedelai Cekaman kekeringan Bagi Tanaman

Transkripsi

1 4 TINJAUAN PUSTAKA Morfologi Tanaman Kedelai Kedelai merupakan salah satu tanaman penting di Indonesia karena memiliki kandungan gizi yang cukup tinggi dibandingkan jenis tanaman serealia lainnya. Kedelai memiliki kandungan protein sebesar 35%, lebih tinggi dibandingkan padi yang hanya sebesar 7%. Selain itu kedelai juga mengandung asam amino seperti metionin, tripsin dan lisin yang cukup tinggi sehingga dapat diandalkan untuk memenuhi kebutuhan gizi dan bahan pangan bagi manusia (Suprapto 1997). Tanaman kedelai termasuk dalam divisi Spermatophyta, sub divisi Angiospermae, kelas Dicotyledoneae, ordo Rosales, famili Leguminosae, genus Glycine dan spesies Glycine max (L.) Merril. Tanaman kedelai umumnya tumbuh tegak, berbentuk semak dan merupakan tanaman semusim. Morfologi tanaman kedelai didukung oleh komponen utamanya yaitu akar, daun, batang, polong, dan biji sehingga pertumbuhannya bisa optimal. Kedelai dapat tumbuh disetiap jenis tanah, akan tetapi untuk mencapai tingkat pertumbuhan dan produksi yang optimal, maka kedelai harus ditanam pada jenis tanah berstruktur lempung berpasir atau liat berpasir, sebab hal ini berhubungan dengan ketersediaan air untuk mendukung pertumbuhan. Kedelai cukup toleran terhadap cekaman kekeringan, karena masih bertahan dan berproduksi pada kondisi cekaman kekeringan maksimal 50 persen dari kapasitas lapang atau kondisi tanah yang optimal, akan tetapi kedelai memiliki fase kritis dalam pertumbuhannya yaitu pada saat perkecambahan, masa berbunga da pengisian polong yang nantinya akan mempengaruhi jumlah produksi (Adisarwanto 2005). Cekaman kekeringan Bagi Tanaman Air memiliki peranan yang sangat penting dalam kehidupan tanaman. Setiap gram pembentukan bahan organik penyusun tanaman rata-rata membutuhkan 500 g air yang diabsorbsi oleh akar ditransportasikan ke seluruh bahagian tanaman, dan selanjutnya air akan hilang ke atmosfir.

2 5 Setiap tanaman harus dapat menyeimbangkan antara proses kehilangan air dan proses penyerapannya, bila proses kehilangan air tidak diimbangi dengan penyerapan melalui akar maka akan terjadi kekurangan air didalam sel tanaman yang dapat menyebabkan berbagai kerusakan pada banyak proses dalam sel tanaman (Taiz dan Zeiger 2002). Menurut Adisarwanto (2005) jumlah air yang dibutuhkan tanaman untuk pertumbuhannya berbeda-beda pada tiap jenis tanaman. Pada tanaman kedelai jumlah air yang dibutuhkan selama hidupnya sebesar mm, bila kebutuhan ini tidak terpenuhi maka proses pertumbuhan dan perkembangan tanaman akan terganggu. Cekaman lingkungan merupakan tantangan utama dalam memproduksi tanaman secara berkelanjutan. Dalam menghadapai kondisi stress lingkungan, tanaman memberikan respon secara fisiologi dan biokimia, sebagai upaya untuk menerima, menghindari dan menetralisir pengaruh dari cekaman. Sifat peka dan toleran suatu tanaman bergantung kepada sifat genetik dan respon biokimia yang dimiliki suatu spesies, sehingga selama bertahun-tahun para peneliti memfokuskan diri untuk membangun adaptabilitas tanaman secara genetik dan biokimia menghadapi berbagai kondisi cekaman lingkungan (Dubey 1995). Cekaman kekeringan merupakan pengaruh faktor lingkungan yang menyebabkan air tidak tersedia bagi tanaman, yang dapat disebabkan antara lain oleh tidak tersedianya air di daerah perakaran tanaman dan permintaan air yang besar di daerah daun dimana laju evaporasi melebihi laju absorbsi air oleh akar tanaman (Hamim 2004). Ketika jumlah absorbsi air mulai terbatas, maka tanaman memiliki mekanisme untuk mencegah kehilangan air dengan melakukan penutupan stomata. Perubahan pada ketahanan mekanisme stomata sangat diperlukan untuk mengatur kehilangan air oleh tanaman dan untuk mengatur pengambilan karbon dioksida (CO 2 ) yang penting untuk ketersediaan fiksasi CO 2 selama proses fotosintesis (Taiz dan Zeiger 2002). Relative Water Content (RWC) yang menggambarkan kadar relatif air daun merupakan parameter ketahanan tanaman menghadapi cekaman kekeringan. Proses fotosintesis pada sebagian besar tanaman akan mulai tertekan bila nilai

3 6 RWC tanaman lebih rendah dari 70 persen, sehingga tanaman memerlukan pengaturan dalam tubuhnya diantaranya dengan melakukan penutupan stomata (Quilambo 2004). Mekanisme penutupan stomata selain dipengaruhi oleh ABA juga dipengaruhi oleh adanya penurunan konduktansi hidrolik daun (leaf hidraulic conductance) sehingga terjadi pengurangan tekanan turgor daun sebagai upaya penyelamatan proses fotosintesis agar tetap dapat berjalan (Broodribb dan Holbrook 2003). Tanaman memiliki reaksi yang sangat kompleks menghadapi cekaman kekeringan. Bentuk morfologi, anatomi dan metabolisme tanaman yang berbeda menyebabkan tanaman memiliki respon yang beragam. Ketika kekeringan semakin meningkat maka tanaman menyesuaikan diri melalui proses fisiologi yang kemudian diikuti perubahan struktur morfologi tanaman seperti layu, meningkatkan pertumbuhan akar dan menghambat pertumbuhan pucuk. Penurunan pertumbuhan vegetatif menyebabkan penurunan proses fotosintesis dan pertumbuhan, sehingga tanaman juga mengalami penurunan produksi seperti berkurangnya hasil panen secara kualitas maupun kuantitas (Taiz dan Zeiger 2002). Pada kondisi cekaman, tanaman tidak dapat mengekspresikan potensial genetiknya secara penuh. Berbagai kondisi cekaman lingkungan menyebabkan perubahan penting pada ekspresi gen tanaman, terjadinya peningkatan akumulasi ion anorganik, terjadinya perubahan pada sintesis protein dengan mengeluarkan protein baru yang spesifik pada kondisi cekaman tertentu, serta perubahan prilaku banyak enzim (Patakas et al. 2002). Cekaman Oksidatif dan Enzim Antioksidan Reactive Oxygen Species (ROS) merupakan radikal bebas yang sangat berbahaya bagi makhluk hidup. Pada tanaman ROS terbentuk dalam sel melalui beberapa cara yaitu : 1. Produksi fotokimia di atmosfer akibat pencemaran udara, 2. Penyumbangan elektron langsung ke oksigen ketika terjadi fotosintesis terutama pada kondisi cahaya yang tinggi dan konsentrasi CO 2 pada kloroplas

4 7 yang rendah. 3. Respon terhadap kondisi cekaman seperti kekeringan, suhu tinggi, salinitas, ozon dan serangan mikroba (Pritchard et al. 2000). ROS yang terbentuk akan berbahaya bagi sel tanaman karena ia dapat mengoksidasi membran lipid dan aparatus fotosintesis. Melalui berbagai reaksi metabolisme tanaman oksigen dapat diubah menjadi bentuk molekul yang sangat reaktif seperti singlet oksigen ( O 2 ), hidrogen peroksida (H 2 O 2 ), superoksida (O 2 ) dan radikal hidroksil (OH). Superoksida dapat berubah bentuk menjadi hidrogen peroksida (H 2 O 2 ), radikal ini dapat menyebabkan kerusakan melalui beberapa cara yaitu memutus ikatan rantai protein, merusak membran lemak dan bereaksi dengan DNA sehingga menyebabkan mutasi sel (Sgherri dan Navari-Izzo 1995). Anion superoksida juga dapat terbentuk di dalam tanaman dari proses autooksidasi dengan adanya oksigen, transport elektron didalam fotosintesis dan bereaksi dengan NAD(P)H dalam membran glioksisom dan peroksisomal, yang dapat merusak jaringan tanaman (Borsani et al. 2001). Terbentuknya H2O 2 di kloroplas terjadi karena terhambatnya proses fotosintesis menyebabkan tanaman kelebihan energi elektron yang ditangkap oleh pusat reaksi tidak dapat dilepas atau dipantulkan secara aman sehingga merusak perangkat Fotosistem II pada kloroplas dan membran lipid (Kader 2001). Dari hasil penelitian Pedregosa et al. (2002) pada akar tanaman bawang (Allium cepa) hidrogen peroksida ditemukan pada lokasi yang berbeda, akan tetapi yang utama ia banyak ditemukan pada dinding sel dari epidermal dan sel meristematik, serta pada sel yang mengalami lignifikasi. Dari hasil penelitian Rodriguez et al. (2002) pada tanaman jagung, diketahui bahwa ROS diproduksi dan banyak terdapat pada bagian yang aktif masih membelah. Prochazkova et al. (2001) menerangkan bahwa cekaman kekeringan diketahui dapat menyebabkan kerusakan oksidatif pada tanaman dengan menginduksi pembentukan senyawa ROS. Hal ini karena tanaman yang terkena cekaman kekeringan akan menginduksi ABA sehingga ia dapat menutup stomatanya untuk mengurangi laju transpirasi. Stomata yang tetutup menyebabkan rendahnya kandungan CO2 pada kloroplas tidak dapat melepaskan energi yang diperoleh dari proses fotosintesis secara aman sehingga terbentuklah

5 8 superoxide anion (O 2 ) yang menyebabkan kerusakan oksidatif pada organel fotosintesis. Sebagai upaya untuk mengurangi dampak kerusakan sel akibat cekaman oksidatif maka tanaman membentuk enzim senyawa antioksidan (lihat Gambar 1) yang dapat mengkatalisis reaksi untuk mengurangi tingkat detoksifikasi ROS secara langsung maupun tidak langsung di dalam sel tanaman (Pritchard et al. 2000). Telah banyak penelitian yang membuktikan terjadinya peningkatan aktivitas enzim antioksidan pada berbagai tanaman (Borsani et al. 2001) ETC O 2 + H 2 O Katalase H 2 O Mn SOD Sistem Askorbat/ Glutation Sistem TRX reduktase H 2 O Kerusakan Sistem GPX H 2 O H 2 O Enzim transhidrogenase Gambar 1. Ringkasan sistem enzim dapat bekerja dalam menetralisir racun dari ROS pada mitokondria tanaman Ket: ETC; electron transport chain; ICDH; isocitrate dehydrogenase; MnSOD; Mn-superoksida dismutase; Trx; thioredoxin (Pritchard et al. 2000). Enzim antioksidan yang dibentuk oleh tanaman diantaranya adalah Glutation Peroksidase (GPX), Glutation reduktase (GR), Superoxida Dismutase (SOD), Ascorbat Peroksidase (APOD), selain itu terdapat juga enzim Katalase,

6 9 Peroxidase, Dehydroascorbate Reduktase (DAR), Monodehydroascorbate Reductase (MDAR) (Pritchard et al. 2000). Sistem antioksidan didalam sel tumbuhan menyediakan perlindungan melawan pengaruh racun dari oksigen spesies yang aktif. Komponen penting dari sistem pelindungan itu adalah pertahanan secara enzimatis, seperti SOD dan katalase yang dapat menghindari O2 - dan H 2 O 2 selain metabolit seperti askorbat, glutation dan tokoperol yang berfungsi untuk mengatur tingkat keaktifan oksigen pada jaringan tanaman (Bosch dan Alegre 2002). Pada tanaman tahunan diketahui terdapat 3 bentuk SOD. Ketiga bentuk SOD ini berbeda dalam ko-faktor logam dan letaknya pada sub seluler. SOD yang terletak pada sitosol dan kloroplas yaitu CuZn SOD, pada mitokondria yaitu Mn SOD dan pada kloroplas yaitu Fe SOD (Aroca et al. 2001). Untuk melindungi aparatus fotosintesis dari kerusakan oksidatif, tanaman harus melepaskan kelebihan energi cahaya yang diterima. Perlindungan dapat terjadi dengan penurunan efisiensi fotokimia lewat siklus xanthophyl atau dengan pengaturan aliran elektron yang melibatkan lintasan alternatif seperti fotorespirasi dan reaksi peroksidasi mehler. Lintasan fotorespirasi dan siklus xanthophyl dapat menyebabkan peningkatan jumlah produksi spesies oksigen yang dapat meracuni tanaman berupa O2 - dan H 2 O 2 (Bosch dan Alegre 2002). Selain itu pada beberapa spesies tanaman juga dilaporkan terjadi peningkatan sintesis sukrosa dan prolin pada kondisi cekaman air yang disebabkan meningkatnya aktifitas enzim yang mensintesis metabolit tersebut. (Prochazkova 2001). Akumulasi asam amino prolin Prolin merupakan asam amino bebas yang disintesis tanaman dalam jaringan floem, akar dan biji (Simpson 2001). Prolin merupakan asam amino yang paling stabil dan paling sedikit menghambat pertumbuhan tanaman dibandingkan asam amino lainnya (Levitt 1980). Pada kondisi cekaman kekeringan dan berbagai cekaman osmotik lainnya, beberapa tanaman memiliki mekanisme adaptasi berupa kemampuan untuk mensintesis senyawa osmoprotektan atau larutan yang sesuai (Ronde et al. 2000).

7 10 Osmoprotektan merupakan larutan yang tidak beracun sehingga dapat diakumulasi sampai batas tertentu tanpa mengganggu metabolisme tanaman, biasanya terdiri dari beberapa grup asam amino (Rhodes dan Samaras 1994). Akumulasi prolin sebagai respon terhadap cekaman osmotik telah umum diketahui (Konstantinova et al. 2002). Telah banyak peneliti yang menemukan bahwa tanaman yang terkena cekaman kekeringan akan mengakumulasi asam amino prolin dalam jumlah tertentu dan bervariasi tergantung pada jenis tanaman, umur, dan varietas tanaman yang digunakan (Hamim 2004). Asam glutamat Glutamat semialdehid? -1 -pyrolin-5-karboksilat Prolin Gambar 2. Skema biosintesis asam amino prolin Seperti pada Gambar 2 di atas, prolin disintesis oleh enzim? -1 -pyrroline- 5-carboxylate synthetase (P5CS) dari asam glutamat. Pada awalnya, gugus karboksil direduksi menjadi aldehid menghasilkan glutamat semialdehid, lalu gugus aldehid bereaksi dengan grup a -amino, menghilangkan gugus air. Akhirnya pada tahap reduksi kedua barulah terbentuk prolin Dari beberapa hasil penelitian pada tanaman kedelai, prolin lebih banyak dijumpai pada varietas yang toleran kekeringan sebagai upaya tanaman untuk meningkatkan keseimbangan osmotik pada kondisi kekeringan. Akan tetapi beberapa penelitian juga menyebutkan bahwa prolin diakumulasi sebagai respon tanaman terhadap berbagai kondisi cekaman osmotik yang sangat umum terjadi pada tanaman (Delauney dan Verma 1993). Berbagai penelitian membuktikan bahwa akumulasi prolin memiliki berbagai keuntungan bagi sel. Prolin dapat berfungsi sebagai sumber energi, nitrogen dan karbon, dan sebagai osmolit sebagai respon dari kekeringan, selain itu prolin juga dapat mengurangi radikal bebas di dalam sel sehingga dapat

8 11 mencegah kerusakan akibat cekaman oksidatif (Hong et al. 2000). P rolin juga terlibat dalam perlindungan enzim dari denaturasi, dapat berinteraksi dengan sistem membran, mengatur kemasaman (ph) sitosol, mengatur keseimbangan antara NADH/NAD + (Konstantinova et al. 2002). Berbagai penelitian telah banyak dilakukan sebagai upaya untuk membentuk varietas tanaman toleran terhadap berbagai kondisi cekaman dengan memasukkan gen P5CS sehingga tanaman akan mensintesis kandungan prolin yang lebih baik dari tanaman tetuanya. Hasil penelitian yang dilakukan oleh Konstantinova et al. (2002) pada tanaman tembakau dengan membentuk tanaman transgenik yang diinduksi gen P5CS dapat meningkat sintesis kandungan prolin hingga 5 kali dari tanaman kontrol pada kondisi cekaman kekeringan. Cekaman lingkungan dapat menginduksi kerusakan cekaman oksidatif, oleh karena itu diperlukan berbagai penelitian untuk menentukan respon tanaman pada kondisi cekaman sebab tanaman akan selalu dipengaruhi oleh berbagai faktor cekaman lingkungan (Keles et al. 2002)