TINJAUAN PUSTAKA. Gambar 1 Siklus hidup Streptomyces spp. (

Transkripsi

1 TINJAUAN PUSTAKA Karakterisasi dan Ekologi Streptomyces spp. Streptomyces spp. adalah anggota aktinomiset yang merupakan organisme berfilamen, termasuk bakteri Gram positif, dengan kandungan G+C tinggi sekitar 69 dan 78 mol%. Organisme ini mempunyai filamen yang panjang dan bercabang serta membentuk rantai panjang spora udara yang disebut konidia. Pada media agar berwarna buram atau opak, tidak mengkilat, dan melekat kuat pada medianya. Streptomyces spp. secara umum menyerupai fungi dengan ciri-ciri: membentuk miselium dengan karakter percabangan yang luas (Madigan & Martinko 2006 ). Gambar 1 Siklus hidup Streptomyces spp. ( Struktur seluler fungi yang dimiliki Streptomyces sp. menyebabkan Streptomyces juga mempunyai kemiripan dalam siklus hidupnya. Daur hidup pada medium padat dimulai dari germinasi spora, ditandai dengan banyak miselium multiseluler, kemudian di atas miselia tumbuh miselia udara yang diikuti fragmentasi hifa yang membentuk cabang-cabang spora (Kluepfel et al. 1993). Perbedaan dalam bentuk dan pembentukan filamen aerial serta munculnya struktur spora dari beberapa spesies merupakan bagian utama yang digunakan untuk mengklasifikasi spesies Streptomyces spp. Konidia dan spora yang sering berpigmen memberikan peran dalam mengkarakterisasi koloni yang matang (Madigan & Martinko 2006).

2 Perbedaan karakteristik tersebut menyebabkan genus Streptomyces spp. mempunyai berbagai macam spesies dan telah ditemukan lebih dari 500 spesies, umumnya merupakan organisme dalam tanah. Streptomyces spp. juga ditemukan dalam air, akan tetapi dalam jumlah yang relatif sedikit dibanding dengan spesies yang terdapat dalam tanah. Karakteristik yang umum adalah dengan adanya aroma tanah yang dihasilkan oleh metabolit Streptomyces sp. yang disebut geosmin (Madigan & Martinko 2006). Streptomyces spp. dapat ditemukan sekitar 70% - 90% dalam tanah di daerah rizhosfer dibandingkan dengan jenis Aktinomiset yang lain. Hal itu berdasarkan dari sifatnya yang aerobik sehingga sporulasi terjadi hanya pada media agar atau media yang padat lainnya (El Tarabily et al. 2006; Madigan & Martinko 2006). Umumnya Aktinomiset merupakan kemoorganotrof, aerobik, mesofilik dan tumbuh optimal pada ph netral. Pada pada dasarnya aktivitas dan keberadaanya sangat ditentukan oleh faktor pertumbuhan, ketersediaan makanan, bahan organik yang terkandung di dalam media, salinitas, ph, temperatur serta kelembaban relatif lingkungannya (Goodfellow & Williams 1983). Streptomyces spp. dapat tumbuh pada beragam sumber karbon. Satu isolat dapat mendegradasi lebih dari 50 macam sumber karbon yang berbeda. Beberapa Streptomyces spp. mampu menghasilkan enzim hidrolitik ekstraseluler yang mampu menggunakan polisakarida seperti pati, selulosa, dan hemiselulosa. Selain itu dapat pula menggunakan hidrokarbon, lignin, tanin dan bahkan senyawa yang mengandung karet (Madigan & Martinko 2006) Trejo-Estrada et al. (1998) menyatakan bahwa komposisi media fermentasi yang tersedia mempunyai pengaruh terhadap produksi metabolit sekunder. Crowford et al. (1993) melaporkan bahwa media dengan nutrisi anorganik yang rendah sangat bagus untuk mengisolasi beberapa Aktinomiset dalam tanah yang sebagian besar merupakan genus Streptomyces. Crawford et al. (1993) menyatakan bahwa Streptomyces sp yang diamati dapat tumbuh baik pada kisaran ph Demikian pula hasil penelitian Saosa et al. (2008) menunjukkan bahwa secara umum Streptomyces spp. yang diisolasi dari akar tanaman tomat dapat tumbuh cepat pada ph sekitar 6.5.

3 Potensi Streptomyces spp. dalam Memproduksi Senyawa Anti Mikroba Beberapa mikroba baik bakteri Gram positif dan Gram negatif mampu menghasilkan senyawa anti mikroba hasil metabolit sekunder. Metabolit ini diproduksi dibawah kondisi fisik tertentu, dan tidak esensial dibutuhkan dalam pertumbuhannya (Zahn et al. 2001). Streptomyces spp. diketahui telah menghasilkan lebih dari 500 senyawa anti mikroba yang telah diketahui senyawa penyusunnya. Senyawa anti mikroba ini banyak diaplikasikan untuk kesehatan manusia, kesehatan hewan, di bidang pertanian dimanfaatkan sebagai pestisida hayati, dan beberapa isolat dapat menghasilkan enzim penting untuk pengolahan makanan dan industri lainnya (Madigan & Martinko 2006). Beberapa contoh antibiotik yang dihasilkan oleh Streptomyces spp. dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Beberapa antibiotik yang dihasilkan Streptomyces spp. Klas kimia Nama umum Penghasil Aktivitas sasaran Amino Streptomisin S. griseus beberapa bakteri gram glikosida Spektomisin Streptomyces spp. negatif Niomisin S. fradiae M. tuberculosis Spektrum luas, untuk aplikasi apikal karena beracun Tetrasiklin Tetrasiklin S. aureofasien Spektrum luas, bakteri Gram positif, bakteri Gram negatif, Ricketsia, Chlamydia, Mycoplasma Macrolida Klortetrasiklin Eritromisin S. aureofasien Seperti tetrasiklin Poliena Klindomisin S. lincolnensis Pada an aerob obligat, Bakteriodes flagilis Nistatin S. nursei Fungi, khususnya Amfosetin B Kloramfenikol S. nodusus S. venezuelae penyebab infeksi Candida. Spektrum luas, racun penyebab demam tipoid (Madigan & Martinko 2006)

4 Menurut Minas et al. (2000), angka pertumbuhan maksimum dan produksi metabolit sekunder berbeda tergantung pada jenis bakterinya dan lingkungannya. S. coelicolor dapat tumbuh baik pada media MG yang miskin nutrisi dibanding dengan YEME media sedangkan S. arenae menghasilkan metabolit sekunder tertinggi pada medium TSB. Hwang et al. (2001) menyatakan bahwa secara in vivo dan in vitro aktivitas anti fungi asam fenil asetat (SH1) dan sodium fenil asetat (SH2) dari Streptomyces humiditis diketahui dapat melawan Phytophthora capsici dan Meganoporthe grisea. Senyawa tersebut secara efektif sebagai fungisida yang mampu menghambat perkecambahan spora dan pertumbuhan hifa dari P. capsici. Bakteri dapat memproduksi berbagai senyawa anti mikroba seperti produksi ammoniak, butirolakton, 2,4-diasetilfloroglusinol (Ph1), HCN, kanosamin, oligomisin A, oomisin A, fenazin-1 asam karboksilat (PCA), pyoluterin (Plt), pirolnitrin (Pln), viskosinamid, xanthobaksin, dan zwittemisin, dan berbagai senyawa lain yang belum terkarakterisasi (Whipps 2001). Mekanisme penghambatan Streptomyces spp. terhadap fungi dapat terjadi karena kemampuannya dalam menghasilkan antibiotik dan senyawa hidrolitik seperti glukanase, kitinase yang mampu mendegradasi dinding sel fungi (Prapagdee et al. 2008). Aktivitas penghambatan senyawa anti mikroba secara umum dapat dilakukan dengan berbagai mekanisme, diantaranya adalah: (1) merusak dinding sel dengan cara menghambat pembentukan maupun merubah setelah terbentuk; (2) perubahan permeabilitas sel. Kerusakan pada membran ini berakibat terhambatnya pertumbuhan sel atau matinya sel, karena membran bertujuan memelihara integritas komponen-komponen seluler; (3) perubahan molekul protein dan asam nukleat; (4) penghambatan kerja enzim yang mengakibatkan terganggunya metabolisme sel atau matinya sel; (5) penghambatan sintesa asam nukleat dan protein yang berakibat terganggunya aktivitas metabolisme karena DNA, RNA, dan protein memegang peranan penting dalam mekanisme sel secara normal (Pelczar & Chan 2005).

5 Potensi Streptomyces spp. sebagai Agen Biokontrol Mikroba Patogen Tular Tanah Pemanfaatan mikroorganisme tanah dalam mengendalikan mikroba patogen tular tanah merupakan salah satu alternatif pengendalian yang aman karena relatif tidak membahayakan organisme lainnya, serta mempunyai spektrum yang luas sebagai agen biokontrol (Crawford et al. 1993). Streptomyces spp. dapat bersifat saprofit, mampu mendekomposisi bahan organik seperti lignoselulosa, pati dan kitin. Senyawa anti mikroba yang digunakan dalam biokontrol di bidang pertanian 60% berasal dari Streptomyces spp. (Hwang et al. 2001). Andri (2004) menggunakan Streptomyces sp. PS1-4 dalam mengendalikan Xanthomonas axonopodis pv. glycines YR 32 penyebab penyakit pustul bakteri pada kedelai dan Bacillus subtilis penyebabkan penyakit busuk benih. Hasil dari penelitian tersebut bahwa isolat yang digunakan mampu mengontrol kedua bakteri tersebut, serta dapat meningkatkan pertumbuhan kedelai. Ifdal (2003) menyatakan bahwa tujuh isolat Streptomyces spp. lokal yaitu PS1-4, LC2-1, IVF1-2, PS4-12, U22-2, SB8-12 dan SB8-18 mempunyai aktivitas yang baik dalam menghambat pertumbuhan Bacillus sp. dan Xanthomonas sp. serta tidak menghambat pertumbuhan bakteri bintil akar dan pelarut fosfat. Streptomyces sp. Di-994 dapat mengendalikan Rhizoctonia solani yang merupakan penyebab penyakit rebah kecambah pada tomat (Yusnizar 2001). Hwang et al. (2001) menyatakan bahwa senyawa bioaktif asam fenil asetat dan sodium fenil asetat yang dihasilkan Streptomyces humidus mampu melawan P. capsici, M. grisea, R. solanacearum, F. oxysporum, F. moniliforme, B. subtilis, P. ultimum, R. solani, Alternaria mali, Colletotrichum orbiculare dan Candida albican. Streptomyces spp. dapat menghambat R. solanacearum penyebab penyakit layu pada tanaman cabe ( Munthahanas 2004). Faktor-Faktor yang Berpengaruh terhadap Produksi Senyawa Anti Mikroba Optimasi senyawa anti mikroba yang dihasilkan Streptomyces spp. tidak terlepas dari faktor pertumbuhan. Faktor-faktor yang penting dalam mengontrol pertumbuhan dan aktivitas Streptomyces spp. adalah ketersediaan nutrisi, bahan organik, serta kondisi fisik dan lingkungan seperti: kadar oksigen, salinitas,

6 kelembaban, temperatur, dan ph (Goodfellow & Williams 1983; Mc Carthy & Williams 1990). Komposisi media pertumbuhan mempengaruhi hasil metabolisme mikroba, karena media merupakan sumber nutrisi untuk pertumbuhan, sumber energi, pembentukan zat tertentu, dan pembentukan sel. Media pertumbuhan yang baik merupakan media yang mampu menyediakan sumber karbon dan mineralmineral lain yang dibutuhkan dalam pertumbuhan maupun aktivitasnya (Todar 2007). Nutrisi yang diperlukan dalam pertumbuhan mikroba diklasifikasikan dalam dua katagori makro nutrien dan mikro nutrien. Makro nutrient terdiri dari elemen yang diperlukan dalam jumlah yang banyak dan penting dalam pertumbuhannya seperti karbon, nitrogen, oksigen, sulfur, pospat, Mg 2+, K +, Ca. Mikro nutrient terdiri dari elemen yang diperlukan dalam jumlah sedikit akan tetapi diperlukan dalam proses metabolisme. Mikro nutrien tersebut adalah: Mo 2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, Na+, vitamin, hormon pertumbuhan, dan prekusor metabolisme (Shuler & Kargi 2002). Selain media, ph dan suhu juga berpengaruh terhadap pertumbuhan mikroba. Streptomyces spp. secara alami dapat tumbuh baik pada kondisi ph tanah netral sampai alkali, dengan drainase yang baik. Streptomyces sp. dalam pertumbuhannya memerlukan potensial air yang rendah dibanding dengan bakteri yang lain (Madigan & Martinko 2006). Aktinomiset dapat hidup pada kisaran ph 5 sampai 9, dan banyak tumbuh pada media yang mengandung bahan organik, dan banyak mengandung sumber karbon seperti gula, alkohol, asam organik, asam amino, dan beberapa senyawa aromatik (Madigan & Martinko 2006). Menurut Fahrurrozi (2007), reaksi enzimatis sangat dipengaruhi oleh ph sehingga memerlukan buffer dengan ph yang tepat supaya reaksi berjalan optimal. Schopes (1987) menyatakan bahwa protein dalam kondisi terlarut cenderung mudah berinteraksi dengan pelarutnya, sehingga bila terjadi perubahan ph larutan diatas atau dibawah ph optimum akan langsung bersentuhan dengan sisi aktif sehingga akan terjadi penurunan aktivitas enzim dengan cepat. ph mempunyai peran penting terhadap perubahan potensial membran. Perubahan ph berpengaruh terhadap perpindahan proton dalam membran sel. Pada mikroba yang neutrofil mempunyai kontribusi sebesar 20 30% terhadap gaya pergerakan

7 proton. Sedangkan pada mikroba yang asidofil mempunyai peran 80 90% dalam proses pergerakan proton. Untuk itu usaha penelitian tentang optimasi produksi senyawa sekunder terhadap berbagai faktor-faktor pertumbuhan penting dilakukan. Fadhilah (2007), melakukan optimasi Streptomyces sp. IVNF-1 yang menghasilkan senyawa anti β-laktamase pada kondisi media, aerasi, suhu dan ph terbaik dalam menghambat E. coli dan memperoleh hasil bahwa Streptomyces sp. IVNF-1 dapat tumbuh optimal pada medai ISP4, ph 7, aerasi 100 rpm, dan pada suhu ruang ( C). Hendarwin (2005) melakukan uji terhadap Streptomyces sp. 234p-16 dalam menghasilkan xilanase terhadap suhu dan ph, dan hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa Streptomyces sp. 234p-16 dapat menghasilkan xilanase ekstraseluler dengan sifat unik dengan kisaran temperatur yang luas antara 30 0 C sampai 90 0 C dengan temperatur optimum pada suhu 90 0 C dan ph optimum 5. Streptomyces diastaticus dan S. galbus NR menghasilkan α-l arabinfuradanosidase dan β-xilosidase secara optimal pada suhu 50 0 C. Sedang pada Streptomyces sp. K-37, Streptomyces no 3137, Streptomyces T-17 dapat menghasilkan β-xilosidase pada suhu optimal 65 0 C, 60 0 C, 65 0 C (Belfaquih et al. 2002). Suhu mempunyai peran penting dalam proses pertumbuhan maupun pembentukan produksi metabolit. Peningkatan 10 0 C pada suhu optimum pertumbuhan dapat meningkatkan kecepatan tumbuh dua kali lipat. Peningkatan suhu tinggi diatas optimum dapat berakibat penurunan dan kemungkinan kematian sel. Suhu juga berpengaruh terhadap proses produksi. Suhu yang tinggi akan mempercepat laju reaksi suatu proses produksi. Suhu yang tinggi juga dapat membatasi suatu produksi karena dapat mengakibatkan pemutusan ikatan ion dan hidrogen pada struktur stabil enzim yang berakibat terjadinya denaturasi (Shuler & Kargi 2002). Mikroba Patogen Tular Tanah Target penelitian adalah penyakit yang disebabkan mikroba patogen tular tanah yang seperti bakteri dan cendawan. Beberapa bakteri yang termasuk patogen tular tanah adalah Bacillus subtilis, B. cereus, Xanthomonas axonopodis,

8 X. oryzae, dan Ralstonia solanacearum. Cendawan yang termasuk patogen tular tanah diantaranya adalah: Fusariun oxysporum, Sclerotium rofsii, dan Rhizoctonia solani. Mikroba patogen tular tanah tersebut dapat bertahan lama pada tanah, dapat menyebabkan akumulasi patogen dalam tanah sehingga perlu penangan lebih lanjut. Patogen tular tanah sukar untuk dikontrol dengan berbagai upaya penanganan seperti rotasi tanaman, pemberian pestisida, bibit tahan penyakit karena aktivitas penyerangan dipengaruhi oleh lingkungan. Sejak penggunaan biokontrol 70 tahun lalu, penanganan dititik beratkan pada pemanfaatan mikroba agen biokontrol yang sesuai dengan lingkungan tanah (Haas & Defago 2005). Bakteri patogen seperti B. subtilis dan B. cereus merupakan bakteri Gram positif, berbentuk batang dan dapat menghasilkan endospora pada kondisi yang tidak menguntungkan. B. subtilis dan B. cereus banyak dikenal sebagai patogen pada makanan akan tetapi sebagian spesiesnya dapat menyebabkan penyakit busuk benih pada tanaman (Ifdal 2003). Bacillus sp. banyak terdapat di tanah, dan penyebaran melalui tanah maka sehingga Bacillus sp. merupakan mikroba patogen tular tanah yang penting. Xanthomonas sp. merupakan bakteri Gram negatif yang dapat menyebabkan hawar daun pada tanaman. X. oryzae penyebab penyakit pada padi sedangkan X. axonopodis yang menyebabkan pustul bakteri pada tanaman jeruk. X. axonopodis pv. glycines YR32 dapat menyebabkan pustul bakteri pada tanaman kedelai (Andri 2004). Tanaman yang terserang Xanthomonas sp. mempunyai ciri daun muda berwarna hijau keabu-abuan, menggulung dan jika mengalami infeksi lanjut berubah menjadi kuning dan mati (Suparyono 2007). Ralstonia solanacearum merupakan mikroba patogen yang penting karena kemampuannya dalam menyerang berbagai tanaman pertanian. Patogen ini memiliki lebih dari 200 spesies tanaman inang (Munthahanas 2004). R. solanacearum dapat menyerang tanaman solanceae diantaranya pada tomat, kentang, tembakau, terung dan cabe. Bakteri R. solanacearum dapat menyebar sangat luas pada daerah yang beriklim tropik dan sub tropik. Penyebarannya dapat dilakukan melalui tanah atau menyebar langsung dari tanaman ke tanaman

9 melalui udara. Selain itu dapat bertahan pada gulma yang menjadi inang alternatifnya. Fusarium oxysporum banyak terdapat dalam tanah, saprofit pada bahan organik, menyebar luas sebagai patogen tanaman dan non patogen tanaman. Patogen tanaman menyebabkan busuk akar, tetapi umumnya merusak pembuluh jaringan yang menyebabkan layu pada berbagai tanaman ekonomi penting. Layu yang disebabkan oleh F. oxysporum dicirikan dengan kemampuannya dalam memasuki tanaman melalui akar dan menyebar menuju sistem pembuluh jaringan, tanaman mengalami nekrosis, layu kemudian mati. F. oxysporum dapat bertahan di tanah sebagai propagul dorman dengan membentuk klamidospora (Olivain et al. 2005). F. oxysporum dapat menghasilkan mikotoksin fumonisin dan trikotekanes (Strange 2003). Rhizoctonia solani merupakan cendawan patogen yang dapat menyebabkan busuk benih, dan busuk bibit pada tanaman jagung. Selain itu dikenal sebagai penyebab penyakit hawar daun pada padi. Cendawan ini penting karena kemampuannya bertahan dalam jangka waktu yang lama pada tanah dan jaringan tanaman dengan menghasilkan sklerotium. R. solani juga bertahan hidup sebagai miselium dengan cara saprofit, yakni mengkolonisasi bahan-bahan organik tanah khususnya hasil aktivitas patogen tanaman (Muis 2007). R. solani merupakan mikroba patogen penyebab damping - off (rebah kecambah) pada beberapa tanaman. Sadeghi et al. (2006) menyatakan bahwa R. solani dapat menyerang tanaman bit gula. Sclerotium rolfsii dan Rhizoctonia solani merupakan patogen penyebab rebah kecambah pada tanaman wijen (Yulianti dan Suhara 2006). Gejala yang ditimbulkan adalah benih mati sebelum berkecambah atau muncul ke permukaan tanah atau kecambah rebah/layu. Pada tanaman dewasa, gejala penyakit dimulai dengan munculnya bercak kuning pada pangkal batang dan terus berkembang menjadi coklat kemerahan dan bahkan akan membentuk sklerotium yang mampu bertahan lama di tanah dan sukar dikendalikan secara kimiawi maupun rotasi tanaman (Agrios 1997). Sclerotium rolfsii juga dapat menyebabkan penyakit pada tanaman tomat bahkan dapat menyerang berbagai spesies tanaman pada berbagai tingkat pertumbuhan (Yusniawati 2009).