TINJAUAN PUSTAKA Viabilitas dan Vigor Benih Pertumbuhan didefinisikan sebagai pertambahan bobot (massa), volume, jumlah sel, jumlah protoplasma dan tingkat kerumitan.biasanya, fase awal perkembangan awal kecambah meliputi produksi sejumlah sel baru melalui mitosis (pembelahan inti), dilanjutkan dengan sitokinesis (pembelahan sel). Pertumbuhan pada tumbuhan berlangsung terbatas pada beberapa bagian tertentu, yang terdiri dari sejumlah sel yang baru saja dihasilkan melalui proses pembelahan sel di meristem (Salisbury&Ross 1995).Perkecambahan adalah proses yang kompleks dimana benih harus segera pulih secara fisik dari akibat proses pengeringan(nonogaki et al. 2010),. Vigor dan viabilitas benih adalah dua karakter yang saling berhubungan dan umumnya penurunan vigor mendahului penurunan viabilitas (Basu 1994).Viabilitas benih merupakan daya hidup benih yang dapat ditunjukan dalam fenomena pertumbuhan, gejala metabolisme, kinerja hormon, atau garis viabilitas.vigor adalah kemampuan benih menumbuhkan tanaman normal pada kondisi suboptimum di lapang produksi, atau sesudah disimpan dalam kondisi simpan yang suboptimum dan ditanam dalam kondisi lapang yang optimum (Sadjad 1994). Karakter yang sangat penting dari benih vigor adalah yang dimanifestasikan oleh kecepatan laju perkecambahan, keseragaman dari pertumbuhan dan daya tumbuh dan kemampuan untuk tumbuh normal pada rentang kondisi linkungan yang luas (Basu 1994). Vigor kekuatan tumbuh, vigor daya simpan, vigor konservasi sebelum simpan dan vigor kekuatan tumbuh setelah tanam merupakan parameter vigor benih yang menghadapi cekaman dari luar benih.faktor-faktornya bersifat eksternal tetapi dampaknya juga ditentukan oleh faktor internal, yang dapat dibedakan sebagai faktor innate, induced dan enforced. Vigor biokimia dan vigor genetik bukan vigor benih terhadap cekaman, tetapi lebih merupakan informasi tentang vigor yang berasal dari pengaruh faktor internal atau innate (Sadjad et al. 1999).
5 Benih dikatakan vigor apabila memiliki indikasi: (1) tahan simpan, (2) berkecambah cepat dan merata, (3) bebas dari penyakit, (4) tahan terhadap gangguan berbagai mikroorganisme, (5) tumbuh kuat dalam keadaan lahan basah/kering, (6) bibit efisien dalam memanfaatkan cadangan makanan, (7) laju tumbuh atau pertambahan berat kering bibit yang berfotosintesis tinggi, (8) menghasilkan tanaman berproduksi tinggi (Heydeckerdalam Sadjad 1972), (9) tidak menunjukan perbedaan pertumbuhan di lapang dan di laboratorium, (10) tahan terhadap saingan (Sadjad 1972) Lot benih memiliki kemampuan potensial apabila lot benih tersebut memiliki pertumbuhan normal pada kondisi optimum (viabilitas potensial), dapat dideteksi dengan tolok ukur daya berkecambah dan berat kering kecambah.apabila lot benih dapat menghasilkan pertanaman normal dalam kondisi suboptimum berarti lot benih tersebut memiliki lebih dari potensial (vigor).parameter vigor (V g ) adalah vigor kekuatan tumbuh (V KT ) apabila viabilitas diperkirakan untuk kondisi lapang di periode III.Tolok ukur untuk parameter ini harus spesifik yang berkaitan dengan kondisi lapang suboptimum tertentu (Sadjad 1994). Metabolisme Perkecambahan Setelah benih berimbibisi terjadi reaktivasi enzim, proses metabolisme (respirasi), sintesis RNA dan protein yang berpengaruh padapeningkatan integritas struktur sel (Nonogaki 2010).Secara fisiologis, terjadi beberapa proses berurutan selama perkecambahan benih yaitu: (1) penyerapan air (water absorption), (2) pencernaan (digestion), (3) pengangkutan zat makanan (food transfer), (4) asimilasi (assmilation), (5) pernapasan (respiration) dan (6) pertumbuhan (growth) (Kamil 1979) Penyerapan air merupakan proses yang pertama sekali terjadi pada perkecambahan benih, diikuti dengan pelunakan kulit benih, dan pengembangan benih (swelling of the seed). Penyerapan air ini dilakukan oleh kulit benih (seed coat) melalui peristiwa imbibisi dan osmosis dan perosesnya tidak memerlukan energi.penyerapan air oleh embrio dan endosperma menyebabkan pembengkakkan (penggembungan) dari kedua struktur ini, mendesak kulit benih
6 yang sudah lunak sampai pecah dan memberikan ruang untuk keluarnya akar (Kamil 1979). Penurunan kadar air (saat benih dikeringkan) dan rehidrasi benih cukup memberikan tekanan pada komponen sel-sel. Pada benih yang viabilitasnya rendah, ketika benih berimbibisi ada kebocoran zat terlarut yang menunjukkan kerusakan membran sel. Organ seperti mitokondria rusak dan berkurang jumlahnya bahkan DNA juga tidak luput dari kerusakan, sehingga diperlukan pemberianenzim dan senyawa tertentu untuk mengantisipasi, membatasi dan memperbaiki kerusakan sel (Nonogaki et al. 2010). Perkembangan perkecambahan terkait dengan proses penyerapan air yang diawali dengan imbibisi hingga benih berkecambah dibagai dalam tiga tahap. Tahap I, diawali dengan imbibisi oleh benih sampai semua matriks danisi sel terhidrasi.tahap II adalah periode serapan air yang terbatas dan telah terjadi pertumbuhan awal kecambah, serta tahap III terjadi peningkatan penyerapan air yang berkaitan dengan penyelesaian perkecambahan(nonogaki et al. 2010) (Gambar 1). Sumber: Nonogaki et al. (2010) Gambar 1 Peristiwa fisik dan metabolik yang terjadi selama proses perkecambahan (fase I dan II) dan pertumbuhan awal kecambah (fase III) Umumnya cadangan makanan disimpan di dalam benih dalam bentuk pati, hemiselulosa, lemak dan protein yang tidak larut di dalam air (water insoluble) atau berupa senyawa koloid. Cadangan makanan ini umumnya (tersebar) terdapat di dalam endosperma (pada monokotil), merupakan senyawa yang kompleks bermolekul besar dan tidak bisa diangkut (immobile) ke daerah yang memerlukan yaitu poros embrio (embryonic axis). Sebagian kecil cadangan makanan ini juga
7 terdapat di poros embrio, tetapi segera habis pada awal perkecambahan benih. Lebih tegas lagi, cadangan makanan dalam jaringan penyimpanan (storage tissue) tidak bisa diangkut dari sel ke sel yang lain dan dipakai untuk pembentukan protoplasma dan diding sel sebelum zat-zat tersebut dirubah menjadi zat atau senyawa yang lebih sederhana, bermolekul lebih kecil, larut dalam air dan dapat melakukan difusi (Kamil 1979). Salisbury&Ross (1995) mengemukakan bahwa, segera setelah benih berkecambah, sistem akar dan tajuk muda mulai menggunakan hara mineral, lemak, pati dan protein yang terdapat di sel penyimpanan pada benih. Kecambah muda bergantung pada cadangan makanan ini sebelum mampu menyerap garam mineral dari tanah dan sebelum dapat memanjangkan sistem tajuknya menuju cahaya.kecambah menghadapi kesulitan dengan lemak, polisakarida, dan protein, sebab molekul tersebut tidak dapat dipindahkan. Proses terjadinya pemecahan (breaking down) zat atau senyawa bermolekul besar, kompleks, menjadi senyawa bermolekul lebih kecil, kurang kompleks, larut dalam air dan dapat diangkut melalui membran dan dinding sel, dibutuhkan agen pencerna (digestive agents) yaitu enzim. Setelah penyerapan air, terjadi aktivasi termasuk aktivasi enzim, kemudian masuk ke dalam endosperma dan mencerna makanan cadangan (Kamil 1979). Salah satu enzim yang diperlukan dalam proses pencernaan ini adalah α-amilase yang menghidrolisis pati (Salisbury&Ross 1995). Pada serealia, cadangan makanan umumnya berbentuk pati, terdapat pada endosperma, terdiri atas dua bentuk yaitu amilosa dan amilopektin.pencernaan pati (amilosa dan amilopektin) dilakukan oleh dua macam enzim amilase yaitu β- amilase dan α-amilase.enzim β-amilase sudah ada dari semula (pre-exist) di dalam skutelum dan selaput aleuron pada biji kering angin, sedangkan enzim α- amilase terbentuk pada waktu mulai perkecambahan dan masuk ke dalam endosperma untuk mencerna amilosa menjadi glukosa yang larut dalam air dan bisa diangkut (Kamil 1979). Embrio (nutfah) benih serealia dan rumputan lainnya dikelilingi cadangan makanan yang terdapat di sel-sel (jaringan) yang secara metabolik tidak aktif, yakni endosperma; endosperma sendiri diselimuti selaput tipis yang hidup, yang biasanya mempunyai ketebalan dua hingga empat sel, dan disebut aleuron.setelah
8 perkecambahan terjadi, terutama akibat peningkatan kelembaban, sel aleuron mengeluarkan sejumlah enzim hidrolisis yang mencerna pati, protein, fitin, RNA, dan bahan didinding sel tertentu yang terdapat dalam sel-sel endosperma.enzim yang dikeluarkan selaput aleuron adalah α-amilase, setelah selaput aleuron memperoleh hormon giberelin yang disedikan oleh embrio.hormon giberelin juga mendorong sekresi enzim hidrolitik ke endosperma, tempat enzim tersebut mencerna cadangan makanan dan dinding sel. Unsur mineral dan cadangan makanan menjadi lebih mudah tersedia sebagai hasil kerja giberelin (Salisbury&Ross 1995). Kulit benih dan struktur disekitarnya dapat juga mempengaruhi kemampuan perkecambahan benih melalui penghambatan terhadap penyerapan air, pertukaran gas, difusi inhibitor endogenous atau penghambatan pertumbuhan embrio.sementara jika penghambatan perkecambahan terjadi pada benih yang tidak mempunyai kulit keras atau tidak memerlukan skarifikasi untuk penyerapan air, maka kemungkinan penyebabnya adalah penghambat bagian lain dari benih misalnya endosperma (Watkins & Cantliffe 1985). Pengaruh Perlakuan Invigorasi Terhadap Peningkatan Vigor Benih Invigorasi benih pratanam memperbaiki keadaan fisiologis dan biokimia benih melalui perbaikan metabolik, kemunduran waktu dan potensi untuk berkecambah (Khan 1992).Sadjad (1994) menyatakan bahwa invigorasi adalah proses bertambahnya vigor benih.invigorasi benih mengimplikasikan suatu peningkatan penampilan benih oleh beberapa perlakuan lepas-panen yang menghasilkan peningkatan dalam daya berkecambah, daya simpan dan penampilan pertumbuhan di lapang melebihi benih yang tidak diberi perlakuan (Basu 1994). Perlakuan invigorasi benih pratanam seperti hidrasi pada sejumlah benih dapat mempercepat pemunculan radikula, meningkatkan persentase perkecambahan dan laju pertumbuhan, dan memperbaiki pertumbuhan bibit pada kondisi tanah yang tidak menguntungkan. Perlakuan benih secara fisiologis untuk memperbaiki perkecambahan benih melalui imbibisi air secara terkontrol telah menjadi dasar dalam invigorasibenih. Saat ini perlakuan invigorasi merupakan salah satu alternatif yang dapat
9 digunakan untuk mengatasi mutu benih yang rendah yaitu dengan cara memperlakukan benih sebelum tanam untuk mengaktifkan kegiatan metabolisme benih sehingga benih siap memasuki fase perkecambahan. Selama proses invigorasi, terjadi peningkatan kecepatan dan keserempakan perkecambahan serta mengurangi tekanan lingkungan yang kurang menguntungkan. Invigorasi dimulai saat benih berhidrasi pada medium imbibisi yang berpotensial air rendah. Biasanya dilakukan pada suhu 15-20 o C. Setelah keseimbangan air tercapai selanjutnya kandungan air dalam benih dipertahankan (Khan 1992). Berbagai cara dapat dilakukan sehubungan dengan perlakuan invigorasi benih sebelum tanam yaitu osmoconditioning, priming, moisturizing, hardening, humidification, solid matrix priming, matriconditioning danhydropriming. Namun demikian cara yang umum digunakan adalah osmoconditioning(conditioningdengan menggunakanlarutan osmotik seperti PEG, KNO 3, KH 2 PO 4, NaCl dan manitol) dan matriconditioning (conditioning dengan menggunakan media padat lembab, seperti Micro-Cel E, Vermikulit(Khan 1992), juga telah dipelajari beberapa media alternatif antara lain abu gosok dan serbuk gergaji (Madiki A 1998). Perlakuan invigorasi benih telah banyak diteliti dan telah umum diketahui memberikan pengaruh positif terhadap berbagai perubahan fisiologis dan biokimia di dalam benih. Beberapa hasil penelitian antara lain menunjukkan bahwa perlakuan invigorasi mengurangi luka imbibisi pada benih buncis yang menua sebagai akibat dari meningkatnya integritas membran (Ptasznik & Khan 1993), mempercepat perkecambahan dan keserempakan tumbuh benih cabai dan meningkatkan vigor benih yang bermutu rendah (Ilyas 1996; Ilyas et al. 2002). Studi biokimia pada benih cabai menunjukkan bahwa perlakuan invigorasi dengan matriconditioningmenyebabkan peningkatan aktivitas ACC oksidase atau ethylene forming enzyme (EFE) yang mengoksidase ACC menjadi etilen pada saat perkecambahan (Ilyas 1994), meningkatkan konsentrasi total protein dan menyebabkan perubahan pola pita protein dan enzim (Ilyas et al. 2002). Imbibisi pada benih yang dilakukan secara tiba-tiba apalagi terhadap benih dengan kadar air sangat rendah dan benih yang mengalami penyimpanan yang lama dapat menyebabkan kerusakan pada struktur membran sehingga perlu suatu kondisi dimana imbibisi dilaksanakan secara terkontrol. Salah satu upaya yang
10 dapat dilakukan untuk mengatasi masalah tersebut adalah dengan invigorasi benih yaitu dengan cara mengkondisikan benih sedemikian rupa sehingga karakter fisiologi dan biokimiawi yang terdapat di dalam benih dapat dimanfaatkan secara optimal (Khan et al. 1992). Perlakuan invigorasi dapat memperbaiki sel-sel vital benih terutama benih yang mempunyai vigor rendah dan sedang (Khan et al. 1992).Hasil penelitian pada tanaman cabai menunjukkan bahwa perlakuan invigorasi pada tingkat vigor benih yang berbeda mampu meningkatkan indeks vigor, daya berkecambah dan kecepatan perkecambahan. Invigorasi benih dengan menggunakan larutan 100 μm GA 3 dan matriconditioning dengan serbuk gergaji dan 100 μm GA 3 dapat meningkatkan vigor benih padi sawah yang diuji pada kondisi cekaman oksigen (Madiki 1998). Zat Pengatur Tumbuh Asam Giberelat (GA 3 ) dan Sitokinin Zat pengatur tumbuh (ZPT) merupakan senyawa organik atau hormon yang mampu mendorong, mengatur dan menghambat proses fisiologis tanaman. Hormon umumnya tidak mempengaruhi organ tempat biosintesisnya, tetapi mempengaruhi organ yang lainnya.ada beberapa faktor yang mempengaruhi keberhasilan pemakaian ZPT. Faktor-faktor tersebut antara lain kedewasaan tanaman, lingkungan dan konsentrasi. Penggunaan konsentrasi yang tepat sangat penting karena jikaterlalu rendah pengaruhnya tak akan ada dan jika berlebih pertumbuhan tanaman justru terhambat atau bahkan mati sama sekali (Gardner 1991). Hormon memiliki pengaruh besar dalam proses perkecambahan dan dormansi. Biosintesis asam giberelat diperlukan untuk perkecambahan benih Arabidopsis.Benih mutan ganda-ko ga3ox1 ga3ox2 tidak dapat berkecambah tanpa aplikasi GA (Nonogaki 2010).Lebih lanjut dikemukakan bahwa, analisis ekspresi gen metabolisme hormon dalam termoinhibited benih Arabidopsis menunjukkan bahwa suhu tinggi merangsang biosintesis ABA dan menekan biosintesis GA. Asam giberelat (GA 3 ) adalah suatu senyawa organik yang sangat penting dalam proses perkecambahan suatu benih karena ia bersifat mengontrol perkecambahan tersebut, terutama pada jagung dan serealia lainnya. Kalau
11 GA 3 tidak ada atau kurang aktif maka α-amilase tidak akan terbentuk yang dapat menyebabkan terhalangnya proses perombakan pati, sehingga dapat mengakibatkan tidak (terhalang) terjadinya perkecambahan. Keadaan seperti ini adalah merupakan salah satu penyebab terjadinya gejala dormansi pada beberapa jenis benih, oleh karena β-amilase sendiri tidak cukup untuk melaksanakan pencernaan dan mendorong perkecambahan benih (Kamil 1979) Hingga tahun 1990 telah ditemukan 84 jenis giberelin pada berbagai jenis cendawan dan tumbuhan dan dua spesies bakteri (Sponsel; Graebe; dan Takahashi et al. dalam Salisbury&Ross 1995). Dari jumlah tersebut, 73 jenis berasal dari tumbuhan tingkat tinggi, 25 jenis dari cendawan Gibberella, dan 14 dari jenis keduanya. Biji tumbuhan sejenis mentimun Sechium edule mengandung paling tidak 20 macam giberelat, dan biji kacang hijau (Phaseolus vulgaris) mengandung ± 16 macamgiberelat, tetapi sebagian besar tumbuhan lain mengandung kurang dari itu (Salisbury&Ross 1995) Asam giberelat tidak tahan panas.secara umum, peranan asam giberelat didalam tanaman adalah menginduksi pemanjangan ruas yang disebabkan oleh pertambahan ukuran dan jumlah sel-sel pada ruas-ruas. Giberelin juga berperan terhadap pertambahan ukuran luas daun, ukuran buah dan mempengaruhi proses pembungaan tanaman (Wattimena 1988). Sebagian besar tumbuhan dikotil dan beberapa monokotil memberikan respon dengan cara tumbuh lebih cepat ketika diberi perlakuan giberelat (Pharis&Kuodalam Salisbury&Ross 1995). Padi kerdil (kultivar Tanginbou) menunjukkan respon (tumbuh sama dengan tanaman normal) terhadap perlakuan 3,5 pikogram (3,5 x 10 12 g) GA 3 (Nishijima&Katsura dalam Salisbury&Ross 1995). Lima macam mutan tanaman jagung kerdil tumbuh setinggi tanaman lainnya yang normal setelah diberi giberelat (Salisbury&Ross, 1995).Pertumbuhan beberapa kultivar jagung hibrida yang menunjukkan heterosis tidak terpacu oleh giberelat, sebab hibrid ini diduga mengandung GA 1 untuk pertumbuhannya (Rood et al. dalam Salisbury&Ross 1995).Tumbuhan kadang bereaksi terhadap GA 3 dengan cara memanjang lebih cepat. Hasil penelitian membuktikan bahwa GA 1 merupakan giberelat utama yang dibutuhkan kapri, kapri manis, tomat, padi dan bebereapa kultivar gandum kerdil. GA 3 atau giberelat lain memacu pemanjangan tanaman kerdil, dengan cara diubah terlebih dahulu menjadi GA 1 (Salisbury&Ross 1995).
12 Pada tahun 1940-an Johannes Van Overbeek menemukan bahwa endosperma cair buah kelapa yang belum matang, kaya akan senyawa yang dapat memacu sitokinesis. Sebelumnya, pada tahun 1913, Gottlib Haberlandt, menemukan suatu senyawa tak dikenal yang memacu pembelahan sel yang menghasilkan kambium-gabus dan memulihkan luka pada umbi kentang yang terpotong.senyawa tersebut didapat dari jaringan pembuluh berbagai jenis tumbuhan. Temuan ini merupakan ungkapan pertama tentang senyawa yang dikandung tumbuhan, yang sekarang dinamakan senyawa sitokinin (Salisbury&Ross 1995). Bakteri dan cendawan tertentu mengandung sitokinin yang diyakini berpengaruh pada proses penyakit yang disebabkan oleh kedua mikroba ini, dan sitokinin yang dihasilkan oleh cendawan dan bakteri bukan patogen diperkirakan mempengaruhi hubungan mutualistisnya dengan tumbuhan, seperti pembentukan mikoriza dan bintil akar (Greene; Ng et al.; Sturtevan&Tallerdalam Salisbury&Ross 1995). Umumnya, sitokinin paling banyak terdapat di organ muda (biji, buah, daun) dan di ujung akar.fungsi utama sitokinin adalah memacu pembelahan sel (dengan menaikkan laju sintesis protein) dan pembentukan organ, menunda penuaan dan menigkatkan aktivitas wadah penampung hara, memacu perkembangan kuncup samping tumbuhan dikotil, memacu pembesaran sel, dan memacu perkembangan kloroplas dan sintesis klorofil (Gardner 199; Salisbury&Ross 1995).Arah pembelahan sel dipengaruhi oleh nisbah sitokinin terhadap auksin.jika nisbah sitoknin-auksin diperkecil, pertumbuhan akar terpacu dan jika nisbah sitokinin-auksin cukup tinggi, sering hanya sintem tajuk yang berkembang, kemudian akar-liar terbentuk.