1:45 PM
Unknown
FISIOLOGI CEKAMAN
Pendahuluan.
Baik dalam kondisi pertanian maupun alamiah, tumbuhan sering terpapar pada cekaman lingkungan. Beberapa faktor lingkungan seperti suhu udara, dapat menyebabkan cekaman dalam beberapa menit, lainnya seperti kandungan air, mungkin memerlukan waktu berminggu-minggu, dan faktor seperti kahat mineral tanah dapat makan waktu bulanan untuk dapat menyebabkan cekaman.Diperkirakan bahwa karena cekaman akibat kondisi iklim dan tanah yang suboptimal hasil dari tanaman budidaya yang ditanam dilapangan di Amerika Serikat hanya 22% dari potensi hasil genetik.
Disamping itu, cekaman memainkan peranan utama dalam menentukan bagaimana tanah dan iklim membatasi distribusi dari species tumbuhan. Jadi, memahami proses fisiologis yang mendasari cedera cekaman dan mekanisme adaptasi dan aklimasi dari tumbuhan terhadap cekaman lingkungan sangat penting baik untuk pertanian maupun lingkungan.
Konsep dari cekaman tumbuhan kadang dipakai secara tidak tepat, dan terminologi cekaman dapat membingungkan, karena itu akan bermanfaat untuk mulai diskusi kita dengan beberapa definisi. Cekaman biasanya didefinisikan sebagai faktor eksternal yang memberikan pengaruh tidak menguntungkan pada tumbuhan. Bab ini akan membahas faktor lingkungan atau faktor abiologis yang memberikan stress pada tumbuhan, walaupun faktor biotis seperti gulma, patogen dan hama dapat menimbulkan stess. Dalam banyak hal cekaman diukur dalam hubungannya dengan kemampuan hidup tumbuhan, produksi tanaman, pertumbuhan ( akumulasi biomasa), yang berhubungan dengan pertumbuhan secara keseluruhan.
Konsep cekaman secara sangat mudah dihubungkan dengan konsep toleransi terhadap cekaman ( stress tolerance) yang artinya kebugaran (fitness) dari tumbuhan untuk menghadapi lingkungan yang tidak bersahabat. Dalam literatur istilah stress resistance ( tahan cekaman) sering tertukar dengan istilah toleran terhadap cekaman ( Stress tolerance) walaupun istilah terakhir yang lebih disukai. Perhatikan bahwa lingkungan yang menimbulkan cekaman terhadap satu tumbuhan belum tentu menimbulkan cekaman pada tumbuhan lainnya. Misalnya buncis ( Pisum sativum) dan kedelai ( Glycine max) masing masing tumbuh paling baik pada suhu 200C dan 300 C. Ketika suhu bertambah, buncis memperlihatkan tanda2 tercekam panas lebih cepat daripada kedelai. Jadi kedelai mempunyai toleransi terhadap cekaman panas lebih besar.
Apabila toleransi bertambah sebagai akibat dari pemaparan sebelum cekaman, tumbuhan itu dikatakan teraklimasi (atau mengeras) . Aklimasi dapat dibedakan dari adaptasi , yang biasanya mengacu pada suatu tingkat resistensi yang ditentukan secara genetik yang diperoleh dari proses seleksi melalui banyak generasi. Sayangnya istilah adaptasi kadang2 dipakai di dalam literatur untuk menyatakan aklimasi.
Adaptasi dan aklimasi pada cekaman lingkungan akibat dari peristiwa terpadu yang terjadi pada semua tingkat organisasi, dari tingkat anatomi dan morfologi ke tingkat seluler, biokimia dan molekuler. Misalnya layunya daun sebagai respon terhadap kekurangan air mengurangi baik kehilangan air dari daun maupun paparan terhadap arah cahaya; dengan demikian mengurangi cekaman panas pada daun.
Respon seluler terhadap cekaman meliputi perubahan dalam siklus sel dan pembelahan sel, perubahan dalam sistem endomembran dan vakuolasi sel, dan perubahan pada arsitektur dinding sel, yang semuanya mengarah pada toleransi cekaman yang makin kuat dari sel. Pada tingkat biokimia tumbuhan merubah metabolisme dengan berbagai cara untuk mengakomodasikan cekaman lingkungan; meliputi produksi senyawa osmoregulatori seperti prolin dan glisin betain. Peristiwa molekuler yang menghubungkan penerimaan isyarat cekaman dengan respon genomik yang mengarah pada toleransi secara intensif sudah diinvestigasi pada tahun- tahun belakangan ini.
Dalam bab ini kita akan menelaah prinsip- prinsip ini dan cara tumbuhan beradaptasi dan beraklimasi pada kekurangan air, salinitas, pendinginan dan pembekuan, panas dan kahat oksigen pada biosfer akar, juga polusi udara yang menjadi sumber cekaman pada tumbuhan. Walaupun akan lebih enak untuk mengulas setiap faktor cekaman secara terpisah, sebagian besar saling berhubungan, dan suatu perangkat umum respon seluler, biokimia dan molekuler berperan serta dalam proses individual aklimasi dan adaptasi.
Misalnya kekurangan air kadang dihubungkan dengan salinitas pada biosfer akar dan dengan cekaman panas pada daun ( akibat dari pendinginan evaporatif yang turun karena transpirasi yang rendah), dan pendinginan dan pembekuan menjurus pada reduksi aktivitas air dan cekaman osmotik. Juga akan diperlihatkan bahwa tumbuhan sering memperlihatkan toleransi silang- yaitu toleransi pada satu cekaman diinduksi oleh aklimasi dari yang lain. Tingkah laku demikian ini mengimplikasikan bahwa mekanisme resistensi terhadap beberapa cekaman berbagi banyak sifat yang sama.
KAHAT AIR DAN RESISTENSI TERHADAP KEKERINGAN
Pada bagian ini kita akan mengulas beberapa mekanisme resistensi terhadap kekeringan, yang dibagi dalam beberapa tipe. Pertama, kita dapat membedakan antara penundaan desikasi – desiccation postponement ( kemampuan untuk menjaga hidrasi jaringan ) dan toleransi desikasi –desiccation tolerance (kemampuan berfungsi walaupun terdehidrasi), yang kadang kadang masing masing diacu sebagai toleran kekeringan pada potensi air tinggi dan rendah. Kedua, dalam literatur lama sering dipakai istilah penghindaran kekeringan ( drought avoidance) –bukannya drought tolerance – toleransi kekeringan, tetapi istilah ini tidak tepat karena kekeringan (drought) adalah kondisi meteorologis yang ditolerir oleh semua tumbuhan yang mampu bertahan hidup dan tidak dihindari oleh siapapun. Ketiga , pelepasan diri dari kekeringan ( drought escape) meliputi tumbuhan yang menyelesaikan siklus hidupnya selama musim basah, sebelum musim kering mulai. Ini termasuk yang benar benar drought avoider (penghindar kekeringan).
Di antara penunda desikasi ada pengirit air, dan pemboros air. Pengirit air ( water savers) memanfaatkan air secara konservatif, menyimpan sebagian dalam tanah untuk dimanfaatkan menjelang akhir siklus hidupnya; pemboros air ( water spenders) secara agresif mengkonsumsi air , sering memakai jumlah yang sangat banyak. Pohon mesquite ( Prosopis sp.) yang bersifat sebagai gulma lingkungan adalah contoh dari pemboros air. Jenis berakar dalam ini telah memporakporandakan padang
Strategi Resistensi Kekeringan Bervariasi menurut Kondisi Iklim dan Tanah.
Produktivitas tumbuhan pada keadaan air terbatas tergantung pada jumlah total air tersedia dan pada efisiensi pemakaian air dari tumbuhan itu. Tumbuhan yang mampu memperoleh lebih banyak air atau yang mempunyai efisiensi pemanfaatan air yang lebih tinggi akan bertahan terhadap kekeringan lebih baik. Beberapa tumbuhan mempunyai adaptasi, seperti cara fotosintesis dengan jalur C4 dan CAM yang memungkinkan mereka untuk mengeksploitasi lingkungan yang lebih kering. Disamping itu, tumbuhan mempunyai mekanisme aklimasi yang diaktifkan sebagai responnya terhadap cekaman air.
Kahat air (water defisit) dapat didefinisikan sebagai kandungan air jaringan atau sel yang berada dibawah kandungan air tertinggi yang ditunjukkan oleh status yang paling terhidrasi. Ketika kekurangan air terjadi cukup perlahan untuk memungkinkan perubahan dalam proses perkembangan, cekaman air mempunyai beberapa efek terhadap pertumbuhan, satu di antaranya adalah pembatasan perluasan daun. Luas daun adalah penting karena fotosintesis biasanya sebanding dengan itu. Tetapi perluasani daun yang cepat dapat merugikan ketersediaan air.
Apabila presipitasi terjadi hanya pada musim dingin dan semi, dan musim panasnya kering, pertumbuhan awal yang cepat dapat mengarah pada luas daun yang besar; pengurangan air yang cepat, menyisakan terlalu sedikit kelembaman tanah untuk tumbuhan menyelesaikan siklus hidupnya. Pada situasi yang demikian hanya tumbuhan yang mempunyai air- tersedia untuk reproduksinya di akhir musim itu atau yang menyelesaikan siklus hidupnya dengan cepat sebelum mulai masa kekeringan (menunjukkan pelepaskan diri dari kekeringan) akan memproduksi biji untuk generasi berikutnya. Kedua strategi itu akan memungkinkan beberapa keberhasilan reproduksi.
Situasinya berbeda apabila cuarh hujan musim panas cukup walaupun tidak menentu. Dalam kasus demikian, tumbuhan dengan luas daun yang besar atau tumbuhan yang mampu mengembangkan luas daun yang besar dengan sangat cepat, lebih sesuai untuk mengambil manfaat musim panas yang kadang basah. Satu strategi aklimasi pada kondisi seperti ini adalah kapasitas untuk pertumbuhan vegetatif dan berbunga dalam rentang waktu yang panjang. Tumbuhan demikian disebut tumbuhan-takberbatas ( indeterminate) dalam kebiasaan tumbuhnya, berbeda dengan tumbuhan terbatas (determinate) yang mengembangkan jumlah daun yang telah ditentukan sebelumnya dan berbunga pada periode yang sangat pendek.
Pada diskusi selanjutnya kita akan mengulas beberapa strategi aklimasi, meliputi perluasan daun yang terhambat, absisi daun, pertumbuhan akar yang diperkuat, dan penutupan stomata.
Penurunan Luas Daun adalah Respon Adaptasi Awal terhadap Kahat Air.
Secara tipikal, ketika kandungan air dari tumbuhan turun, selnya mengerut dan dinding sel mengendor. Penurunan volume sel ini mengakibatkan tekanan turgor menjadi lebih rendah dan berikutnya konsentrasi solut dalam sel. Membran plasma menjadi lebih tebal dan lebih padat karena hanya menutup luasan yang lebih kecil daripada sebelumnya. Oleh karena penurunan turgor adalah pengaruh biofisika paling awal yang signifikan dari cekaman air , aktivitas yang tergantung turgor seperti perluasan daun dan perpanjangan akar adalah paling peka terhadap kahat air.
Perbesaran sel adalah proses yang didorong oleh turgor dan sangat peka terhadap kahat air. Perbesaran sel digambarkan oleh hubungan
GR = m( ψp – Y)
Dimana GR adalah laju pertumbuhan, ψp adalah turgor, Y adalah ambang hasil (tekanan di bawah mana dinding sel menolak deformasi plastis atau non reversible). Dan m adalah daya melar (ekstensibilitas) dinding sel ( kepekaan dinding terhadap tekanan).
Persamaan itu memperlihatkan bahwa penurunan turgor menyebabkan penurunan laju pertumbuhan. Perhatikan juga bahwa disamping memperlihatkan bahwa pertumbuhan lambat ketika cekaman menurunkan ψp persamaan itu juga menunjukkan bahwa ψp perlu turun hanya sampai pada nilai Y, bukan pada nol, untuk menghentikan perbesaran sel. Dalam keadaan normal Y biasanya hanya 0.1 sampai 0.2 MPa lebih kecil dari ψp, sehingga penurunan yang kecil pada kandungan air dan turgor dapat memperlambat atau menghentikan samasekali pertumbuhan.
Cekaman air tidak saja menurunkan turgor, tetapi juga menurunkan m dan menaikkan Y. Daya melar dinding (m) secara normal tertinggi ketika larutan dinding sel sedikit asam. Sebagian, cekaman menurunkan m sebab pH dari dinding sel naik selama tercekam. Pengaruh dari cekaman pada Y tidak dimengerti dengan baik, tetapi mungkin mereka melibatkan perubahan struktur yang kompleks dari dinding sel yang tidak mudah kembali setelah cekaman selesai. Tumbuhan yang kahat air cenderung menjadi terhidrasi pada malam hari dan sebagai akibatnya pertumbuhan daun yang substansial terjadi pada malam hari. Walaupun demikian, karena perubahan pada m dan Y, laju pertumbuhan lebih rendah daripada laju pertumbuhan tumbuhan yang tidak tercekam yang mempunyai turgor yang sama.
|
Karena perluasan daun tergantung terutama pada pembesaran sel, maka prinsip yang mendasari dua proses ini mirip. Hambatan terhadap pembesaran sel berakibat pada pelambatan perluasan daun, ini merupakan awal perkembangan kahat air. Luas permukaan daun yang lebih kecil akan menguapkan air lebih sedikit , secara efektif menyimpan suplai air yang terbatas dalam tanah untuk periode yang lebih lama. Reduksi pada luas daun dengan demikian dapat dipertimbangkan sebagai garis pertama dalam pertahanan melawan kekeringan.
Pada tumbuhan indeterminate, cekaman air membatasi bukan saja ukuran daun, tetapi juga jumlah daun, sebab cekaman air juga menurunkan jumlah dan laju pertumbuhan cabang. Pertumbuhan batang dipelajari kurang daripada perluasan daun, tetapi pertumbuhan batang mungkin dipengaruhi oleh kekuatan yang sama yang membatasi pertumbuhan daun dalam cekaman.
Ingat juga,bahwa perbesaran sel dan ekspansi daun juga tergantung pada faktor biokimia dan molekuler diluar yang mengkontrol aliran air. Banyak peristiwa mendukung pandangan bahwa tumbuhan merubah laju pertumbuhannya dalam responnya terhadap cekaman dengan secara koordinatif mengendalikan banyak proses penting lainnya seperti biosintesis dinding sel dan membran, pembelahan sel dan sintesis protein.
Kahat air menstimulir luruh daun
Total luas daun dari suatu tumbuhan (jumlah daun x luas permukaan tiap daun) tidak konstan setelah semua daun dewasa. Apabila tumbuhan menjadi tercekam air setelah sebagian besar daun telah terbentuk , daun akan menua dan akhirnya akan luruh. Pengaturan luas daun yang demikian ini adalah suatu perubahan jangka panjang yang penting, yang meningkatkan kebugaran tumbuhan pada lingkungan dengan air terbatas. Memang, banyak tumbuhan padang pasir, yang luruh daun–kekeringan (drought–deciduous), menggugurkan seluruh daunnya pada saat kekeringan, dan bertunas kembali setelah hujan. Siklus demikian dapat terjadi dua atau tiga kali dalam satu musim. Peluruhan daun ketika tercekam air terutama akibat dari sintesis yang menguat dari dan tanggap hormon endogen etilen.
Kahat air Mendorong Perpanjangan Akar masuk ke tanah lembab lebih dalam
Kekurangan air ringan juga mempengaruhi perkembangan sistem perakaran. Rasio biomassa akar terhadap tajuk nampak diatur oleh keseimbangan fungsional antara pengambilan air oleh akar dan fotosintesis dari tajuk. Secara sederhana dikatakan bahwa tajuk akan tumbuh sampai sedemikian besar sehingga pengambilan air oleh akar menjadi pembatas untuk pertumbuhan selanjutnya; sebaliknya akar akan tumbuh sampai permintaannya untuk hasil fotosintesis dari tajuk sama dengan suplai . Keseimbangan fungsional ini akan bergeser apabila suplai air menurun. Seperti sudah didiskusikan di atas perluasan daun akan segera terpengaruh ketika pengambilan air berkurang, tetapi aktivitas fotosintesis lebih sedikit terpengaruh. Hambatan perluasan daun menurunkan konsumsi karbon dan energi, dan proporsi lebih besar dari hasil asimilasi tumbuhan dapat didistribusikan ke sistem akar, dimana ia akan dapat menunjang pertumbuhan akar lebih lanjut. Pada waktu yang sama, ujung akar pada tanah yang kering kehilangan turgor.
Semua faktor ini akan mengarah kepada preferensi pertumbuhan akar ke dalam zona tanah yang masih basah. Begitu kekurangan air berlangsung, lapisan atas tanah biasanya kering lebih dulu. Demikianlah, tumbuhan umumnya akan memperlihatkan terutama sistem akar dangkal ketika semua lapisan tanah dibasahi, dan kehilangan akar dangkal dan proliferasi akar dalam ketika air pada lapisan atas tanah habis. Pertumbuhan akar lebih dalam kearah tanah basah dapat dikatakan sebagai garis pertahanan kedua melawan kekeringan.
Pertumbuhan akar yang menguat ke dalam zona tanah basah selama tercekam memerlukan alokasi asimilat untuk ujung akar yang tumbuh. Selama kekurangan air, asimilat lebih ditujukan kepada buah dan menjauh dari akar. Untuk alasan ini pengambilan air yang menguat akibat dari pertumbuhan akar kurang jelas pada tumbuhan yang sedang dalam masa reproduktif daripada tumbuhan yang vegetatif. Kompetisi untuk asimilat antara akar dan buah menjelaskan kenyataan bahwa tumbuhan umumnya lebih peka terhadap cekaman air ketika dalam masa reproduksi.
Stomata Menutup ketika Kahat Air sebagai Respon terhadap Asam Absisat
Bab sebelumnya memfokuskan pada perubahan perkembangan tumbuhan selama dehidrasi perlahan lahan, dalam jangka panjang,. Ketika mulainya cekaman lebih cepat atau tumbuhan sudah mencapai luas daun penuh sebelum inisiasi cekaman, respon lain akan melindungi tumbuhan dari desikasi. Dalam keadaan demikian ini, penutupan stomata akan mengurangi evaporasi dari luas daun yang ada. Jadi penutupan stomata dapat diyakini sebagai garis pertahanan ketiga melawan kekurangan air.
Pengambilan dan kehilangan air pada sel penjaga merubah turgornya dan mengatur pembukaan dan penutupan stomata. Karena sel penjaga terletak pada epidermis daun, sel ini dapat kehilangan turgor sebagai akibat langsung dari kehilangan air oleh evaporasi ke atmosfer. Penurunan turgor menyebabkan penutupan stomata yang disebut penutupan hidropasif ( Hydropassive closure). Mekanisme penutupan ini kemungkinan besar berlangsung pada udara dengan kelembaman rendah, ketika kehilangan air langsung dari sel penjaga terlalu cepat untuk dapat diimbangi oleh gerakan air ke dalam sel penjaga dari sel sel epidermis sekelilingnya.
Mekanisme kedua, disebut penutupan hidroaktif ( hydroactive closure); menutup stomata ketika seluruh daun atau akar terdehidrasi dan tergantung pada proses metabolisme pada sel penjaga. Penurunan kandungan solut sel penjaga mengakibatkan kehilangan air dan turgor turun, yang menyebabkan stomata menutup; jadi mekanisme hidraulik dari penutupan hidroaktif adalah kebalikan dari mekanisme pembukaan stomata. Walaupun kendali penutupan hidroaktif berbeda dalam kecanggihan tetapi merupakan cara penting pembukaan stomata.
Kehilangan solut dari sel penjaga dapat dipicu oleh penurunan kandungan air dari daun, dan asam absisat memainkan peran penting dalam proses ini. Asam absisat disintesis terus-menerus dengan kecepatan rendah pada sel sel mesofil dan cenderung terakumulasi dalam khloroplas.. Ketika mesofil terdehidrasi ringan, dua hal terjadi :
1. Sebagian dari ABA
| ||||
 | ||||
Gambar 2. Akumulasi ABA oleh khloroplast ketika cukup cahaya . Cahaya menstimulir aliran proton ke grana ( lumen) membuat stroma menjadi basa (alkalin). Makin basa, ABA•H sebagai asam lemah akan terdisosiasi menjadi ion H+ dan anion ABA-. Karena itu konsentrasi ABA●H dalam stroma menurun dibawah konsentrasi ABA●H sitosol. Perbedaan konsentrasi ini menyebabkan ABA●H berdifusi dari sitosol ke stroma melewati membran khloroplas. Pada saat yang sama konsentrasi ABA- dalam stroma naik, tetapi membran khloroplas tidak permeabel bagi ABA- sehingga ABA- ini terperangkap dalam stroma. Proses ini berjalan terus sampai konsentrasi ABA●H stroma sama dengan sitosol. Tetapi selama stroma bersifat alkalin total konsentrasi ABA (ABA●H + ABA-) stroma jauh melampaui konsentrasi dalam sitosol.
2. ABA disintesis dengan kecepatan lebih tinggi dan lebih banyak ABA terakumulasi didalam apoplast daun. Konsentrasi ABA yang lebih tinggi akibat dari laju sintesis ABA yang lebih tinggi nampak menguatkan atau memperpanjang pengaruh penutupan awal dari ABA tersimpan.
Respon stomata terhadap dehidrasi daun sangat bervariasi baik dalam maupun antar species. Stomata dari beberapa species yang memperlambat dehidrasi, seperti kacang tunggak ( Vigna ungulata) dan ubikayu ( Manihot esculenta) luarbiasa responsif terhadap turunnya ketersediaan air, dan turunnya daya hantar stomata dan transpirasi sehingga sebagian besar potensial air daun dapat tetap hampir konstant selama kekurangan air.
Isyarat kimiawi dari sistem akar mungkin mempengaruhi respon stomata terhadap cekaman air. Daya hantar stomata sering berhubungan erat dengan status air tanah daripada status air daun, dan satu satunya bagian tumbuhan yang dapat dipengaruhi langsung oleh status air tanah adalah sistem perakaran. Ternyata, dehidrasi yang hanya terjadi pada sebagian dari sistem akar dapat menyebabkan penutupan stomata bahkan ketika bagian yang terairi dengan baik masih mampu mengirimkan banyak sekali air ke tajuk.
Ketika tumbuhan jagung ditumbuhkan dengan akar dipecah kedalam dua pot terpisah dan air ditahan hanya pada satu pot , stomata tertutup sebagian, dan potensial air daun naik, mirip seperti pada pelambat dehidrasi yang disebutkan di depan. Hasil demikian ini menunjukkan bahwa stomata merespon pada kondisi yang dirasakan di akar. Disamping ABA , isyarat lainnya seperti pH dan redistribusi ion inorganik, nampak memainkan peran dalam memberikan isyarat jarak jauh antara akar dan tajuk.
Kahat Air Membatasi Fotosintesis dalam Khloroplas
Laju fotosintesis daun ( dinyatakan dalam satuan luas daun) jarang seresponsif terhadap cekaman ringan air seperti perluasan daun, sebab fotosintesis sangat kurang sensitif terhadap turgor daripada perluasan daun. Akan tetapi cekaman air ringan biasanya memang mempengaruhi keduanya, fotosintesis daun dan daya hantar stomata. Begitu stomata menutup pada saat awal cekaman air , efisiensi pemakaian air, mungkin naik ( yaitu lebih banyak CO2 diambil untuk setiap unit air yang ditranspirasikan) sebab penutupan stomata menghambat respirasi lebih banyak daripada menurunkan konsentrasi CO2 antar sel.
Tetapi, begitu cekaman menjadi parah, dehidrasi sel mesofil menghambat fotosintesis, metabolisme mesofil rusak, dan efisiensi pemakaian air biasanya turun. Hasil dari banyak studi memperlihatkan bahwa pengaruh relatif dari cekaman air pada konduksi stomata nyata lebih besar. daripada pengaruhnya pada fotosintesis. Respon pada fotosintesis dan pada daya hantar stomata dari cekaman air dapat dipisahkan dengan pemaparan daun yang tercekam pada udara yang mengandung konsentrasi CO2 tinggi. Setiap pengaruh dari cekaman terhadap daya hantar stomata dieliminasi oleh suplai CO2 yang tinggi, dan perbedaan antara laju fotosintesis dari tumbuhan yang tercekam dan tidak tercekam dapat secara langsung dijelaskan dari kerusakan oleh cekaman air pada fotosintesis.
Apakah cekaman air secara langsung mempengaruhi translokasi? Cekaman air mengurangi keduanya, fotosintesis dan konsumsi hasil fotosintesis dari daun yang sedang tumbuh. Sebagai konsekuensinya, cekaman air tidak secara langsung menurunkan jumlah hasil fotosintesis yang diekspor dari daun. Oleh karena transpor ploem tergantung pada turgor, potensial air yang turun dalam ploem selama cekaman mungkin menghambat gerakan hasil asimilasi. Akan tetapi percobaan menunjukkan bahwa translokasi tidak terpengaruh sampai periode akhir cekaman, ketika proses lain, seperti fotosintesis sudah sangat terhambat.
Secara relatif ketidak-sensitifan translokasi terhadap cekaman memungkinkan tumbuhan untuk memobilisasi dan memanfaatkan cadangan dimana mereka diperlukan ( misalnya untuk pertumbuhan biji), bahkan ketika cekaman terjadi sangat hebat. Kemampuan untuk terus mentranslokasikan hasil asimilasi adalah faktor kunci pada hampir semua aspek dari resistensi tumbuhan terhadap kekeringan.
|
|
Penyesuaian Osmosis dari Sel Membantu Menjaga Keseimbangan Air Tumbuhan.
Begitu tanah mengering, potensial matriknya menjadi negatif. Tumbuhan dapat terus mengabsorpsi air hanya selama potensi airnya ( ψw) lebih rendah ( lebih negatif) daripada potensial air dari air tanah. Penyesuaian osmosis , atau akumulasi solut dari sel adalah suatu proses dengan mana potensial air dapat diturunkan tanpa disertai penurunan dari turgor atau penurunan dari volume sel. Ingat persamaan ψw = ψs + ψp . Perubahan potensi air sel secara sederhana adalah akibat dari perubahan potensial solut ψs, komponen osmosis dari ψw
Penyesuaian osmosis adalah penambahan neto kandungan solut per sel yang bebas dari perubahan volume sebagai akibat dari kehilangan air. Penurunan pada ψs secara tipikal terbatas pada kira kira 0.2 – 0.8 MPa, kecuali pada tumbuhan yang beradaptasi pada kondisi yang ekstrem kering. Sebagian besar penyesuaian dapat dijelaskan dengan penambahan konsentrasi dari berbagai macam solut umum, yang meliputi gula, asam organik, asam amino, dan ion ion anorganik (terutama K+).
Enzim sitosol dari sel tumbuhan dapat terhambat hebat oleh konsentrasi ion yang tinggi. Akumulasi ion selama penyesuaian osmosis nampak terbatas pada vakuola, dimana ion-ion dicegah agar tidak kontak dengan ensim dari sitosol atau dari organel subseluler. Oleh karena kompartementasi ion ini solut yang lain harus terakumulasi dalam sitoplasma untuk menjaga ekuilibrium potensial air didalam sel.
Solut yang lain ini disebut solut yang sesuai (compatible solute atau compatible osmolytes) adalah senyawa organik yang tidak menganggu fungsi enzim. Solut umum kompatibel yang terakumulasi meliputi asam amino prolin, gula alkohol ( mis. sorbitol, dan manitol), dan amina quarterner disebut glisin betain (glycine betaine.). Sintesis dari solut kompatibel membantu tumbuhan menyesuaikan diri pada salinitas yang makin tinggi pada zona perakaran, seperti disebut di depan.
Penyesuaian osmosis berkembang pelan merespon pada dehidrasi jaringan. Pada rentang waktu beberapa hari, perubahan lain ( seperti pertumbuhan dan fotosintesis) juga terjadi. Jadi dapat diperdebatkan bahwa penyesuaian osmosis bukan suatu respon yang bebas dan langsung dari kahat air, tetapi suatu akibat dari faktor lain, seperti laju pertumbuhan yang menurun. Walaupun demikian, daun yang mampu melakukan penyesuaian osmosis jelas dapat menjaga turgor pada potensial air yang lebih rendah daripada daun yang tidak mengalami penyesuaian. Menjaga turgor memungkinkan perpanjangan sel berlanjut dan memfasilitasi daya hantar stomata yang lebih tinggi pada potensia air yang lebih rendah. Ini menyarankan bahwa penyesuaian osmosis adalah suatu aklimasi yang memperkuat toleransi terhadap dehidrasi.
Berapa banyak tambahan air yang diperoleh tumbuhan akibat penyesuaian osmosis dalam sel daun? Sebagian besar air tanah yang dapat diekstrak diikat pada ruang bebas ( dipenuhi oleh air dan udara) dari mana air demikian ini dengan mudah diambil oleh akar. Begitu tanah mengering, air ini yang pertama dipakai, menyisakan sejumlah air yang terikat lebih kuat dalam pori yang lebih kecil.
Penyesuaian osmosis menyebabkan tumbuhan mengekstrak lebih banyak air yang diikat lebih kuat ini, tetapi penambahan total air tersedia hanya kecil. Jadi biaya dari penyesuaian osmosis pada daun diimbangi oleh hasil yang menurun cepat dalam arti ketersediaan air bagi tumbuhan, seperti dapat dilihat pada perbandingan hubungan air dari spesies yang menyesuaikan,i.e. bit gula (Beta vulgaris) dan kacang tunggak (Vigna unguiculata) spesies yang tidak menyesuaikan. Potensial air daun bit gula lebih rendah dari daun kacang tunggak, sedang fotosintesis dan traspirasi dari kedua spesies tidak banyak berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa penyesuaian osmosis mendorong toleransi dehidrasi seperti pada bit gula tetapi tidak mempunyai pengaruh besar pada produktivitas.
Penyesuaian osmosis juga terjadi di akar, walaupun proses dalam akar belum dipelajari secara intensif seperti di daun. Besaran absolut dari penyesuaian lebih sedikit di akar daripada di daun, tetapi sebagai persentase potensial solut jaringan orisinal (ψs ) dapat lebih besar di akar daripada di daun. Seperti pada daun perubahan ini dalam banyak hal menaikkan ekstraksi air dari tanah yang sebelumnya dieksplorasi sedikit saja. Akan tetapi penyesuaian osmosis dapat terjadi pada meristem akar, yang memperkuat turgor, dan menjaga pertumbuhan akar. Hal ini merupakan komponen penting dari perubahan pola pertumbuhan akar ketika kandungan air dalam tanah menurun.
Apakah penyesuaian osmosis menambah produktivitas tumbuhan? Peneliti telah merekayasa akumulasi dari solut osmoprotektif dengan cara persilangan tanaman kovensional, dengan metode fisiologis (meliputi penyesuaian dengan kekurangan air terkontrol), dan melalui pemanfaatan tumbuhan transgenik yang mengekspresikan gen untuk sintesis dan akumulasi solut. Akan tetapi tumbuhan yang direkayasa tumbuh lebih lambat, dan mereka hanya sedikit lebih toleran terhadap cekaman osmosis. Jadi penggunaan penyesuaian osmosis untuk memperbaiki kinerja pertanian masih harus disempurnakan.
Kahat Air Menambah Resistensi Aliran Air pada Fase Liquid.
Ketika tanah mengering, resistensinya terhadap aliran air meningkat sangat tajam, terutama dekat titik layu permanent ( Permanen Wilting Point). Pada titik layu permanent ini ( biasanya sekitar – 1.5 MPa) tumbuhan tidak dapat memperoleh kembali tekanan turgor walaupun kalau transpirasi berhenti. Oleh karena resistensi begitu besar terhadap aliran air, penyampaian air ke akar pada titik layu permanen terlalu lambat untuk memungkinkan rehidrasi diwaktu malam dari tumbuhan yang sudah layu pada siang hari.
Rehidrasi lebih lanjut, terkendala oleh resistensi didalam tumbuhan, yang ternyata lebih besar daripada resistensi didalam tanah pada sebaran kahat air yang luas. Beberapa faktor dapat memberikan kontribusi pada resistensi tumbuhan yang meningkat terhadap aliran air saat mengering. Begitu sel tumbuhan kehilangan air, mereka mengerut. Ketika akar mengerut , permukaan akar akan bergerak lepas dari partikel tanah yang memegang air, dan akar rambut yang lembut itu dapat rusak. Disamping itu begitu perpanjangan akar melambat ketika tanah mengering, lapisan luar dari korteks akar ( hypodermis) sering menjadi tertutup lebih ekstensif oleh suberin, suatu lipid yang impermiabel terhadap air, yang menambah resistensinya terhadap aliran air.
Faktor penting lainnya yang menambah resistensi terhadap aliran air adalah kavitasi, atau putusnya benang air dibawah tegangan dalam xilem. Seperti kita pelajari sebelumnya bahwa transpirasi daun menarik air melalui tumbuhan dengan menciptakan tegangan pada kolom air. Gaya
Kavitasi mulai pada sebagian besar tumbuhan pada potensial air sedang (- 1 sampai – 2 MPa) dan tabung xilem yang terbesar akan mengalami kavitasi yang pertama. Misalnya, pada pohon seperti oak ( Qurcus sp.) tabung xilem dengan diameter besar yang dibuat pada musim semi berfungsi sebagai jalur dengan resistensi rendah pada awal musim tumbuh, ketika banyak sekali air yang tersedia. Begitu tanah mengering pada musim panas tabung xilem yang besar ini berhenti berfungsi, menyisakan tabung dengan diameter kecil selama periode cekaman untuk membawa aliran transpirasi. Perubahan ini mempunyai konsekuensi jangka panjang. Bahkan kalau air menjadi tersedia, jalur resisten rendah yang orisinal tetap tidak berfungsi, yang menurunkan efisiensi aliran air.
Kahat Air Menambah deposisi Lilin pada permukaan Daun
Respon perkembangan umum terhadap cekaman air adalah produksi kutikula yang tebal yang mengurangi kehilangan air dari epidermis ( transpirasi kutikula). Meskipun lilin didepositkan sebagai respon terhadap kekurangan air baik pada permukaan maupun pada lapisan dalam kutikula, lapisan dalam mungkin lebih penting dalam mengendalikan laju kehilangan air dengan cara yang lebih rumit daripada hanya sekedar menaikkan jumlah lilin yang ada.
Kutikula yang tebal juga menurunkan permiabilitas CO2, tetapi fotosintesis daun tetap tidak terpengaruh, sebab sel epidermis dibawah kutikula non-fotosintetik. Tetapi transpirasi kutikula memberikan hanya 5-10% dari total transpirasi, dan hanya menjadi penting apabila cekaman amat ekstrem atau kalau kutikula rusak.
Kahat Air Merubah Disipasi Energi dari Daun
Ingat bahwa kehilangan panas evaporatif menurunkan suhu daun. Pengaruh pendinginan ini dapat hebat sekali. Di Lembah Kematian (Death Valley ), California
Menjaga suhu daun lebih rendah daripada suhu udara memerlukan evapotranspirasi sejumlah besar air. Inilah mengapa adaptasi yang mendinginkan daun dengan cara selain evaporasi ( misalnya : perubahan pada ukuran daun dan orientasi daun) amat efektif dalam menghemat air. Ketika transpirasi menurun dan suhu daun menjadi lebih hangat daripada suhu udara, sebagian dari energi lebih pada daun itu dilepas sebagai kehilangan panas sensible. Banyak tumbuhan zona kering (arid) mempunyai daun kecil sekali, yang memperkecil resistensi lapisan batas ( boundary layer) untuk transfer panas dari daun ke udara.
Oleh karena rendahnya resistensi lapisan batas, suhu daun daun kecil cenderung tetap dekat pada suhu udara bahkan ketika transpirasi sangat diperlambat. Sebaliknya, daun yang besar mempunyai resitensi lapisan batas yang lebih tinggi dan melepaskan lebih sedikit energi termal (untuk setiap satuan luas daun) dengan transfer langsung panas ke udara.
Pada daun yang besar, gerakan daun dapat memberikan proteksi tambahan melawan pemanasan selama dalam cekaman air. Daun yang mengorientasikan dirinya menjauhi matahari disebut paraheliotropik; daun yang mendapatkan energi dengan mengorien tasikan dirinya normal (tegak lurus) terhadap sinar matahari disebut diaheliotropik . Lain faktor yang dapat merubah intersepsi radiasi meliputi pelayuan, yang merubah sudut daun, dan penggulungan daun pada rumput, yang memperkecil profil jaringan yang terpapar matahari.
Absorpsi energi dapat juga dikurangi dengan rambut pada permukaan daun atau dengan lapisan lilin reflektif di luar kutikula. Daun dari beberapa tumbuhan mempunyai penampakan putih keabu-abuan sebab rambut yang tertata rapat merefleksikan sejumlah besar cahaya. Kondisi berambut atau pubescence ini, menjaga daun lebih dingin dengan memantulkan radiasi, tetapi ini juga memantulkan panjang gelombang tampak yang aktif dalam fotosintesis, dan dengan demikian ini menurunkan asimilasi karbon. Karena masalah ini, usaha untuk menyilangkan pubescence kedalam tanaman budidaya untuk memperbaiki efisiensi penggunaan air biasanya tidak berhasil.
Cekaman Osmotiks Menginduksi CAM pada Beberapa Tumbuhan.
CAM adalah adaptasi tumbuhan dimana stomata terbuka pada malam hari dan tertutup pada siang hari. Perbedaan tekanan uap ( Vapour pressure difference=VPD) dari daun ke udara yang mendorong transpirasi sangat berkurang pada malam hari, ketika daun dan udara mendingin. Akibatnya, efisiensi penggunaan air tumbuhan CAM adalah diantara yang tertinggi yang pernah diukur. Tumbuhan CAM dapat memperoleh 1 g bobot kering dengan hanya 125 g air yang dipakai- suatu rasio yang 3 -5 kali lebih besar daripada rasio untuk tumbuhan tipikal C3.
CAM amat banyak pada tumbuhan sukulen seperti kaktus. Beberapa spesies sukulen memperlihatkan CAM fakultatif, berubah ke CAM ketika menderika kekurangan air atau kondisi salin. Perubahan dalam metabolisme ini adalah suatu adaptasi yang hebat terhadap cekaman, yang melibatkan akumulasi ensim fosfoenolpiruvat karboksilase, piruvat-ortofostat dikinase dan enzim NADP malat, untuk menyebut beberapa saja. Metabolisme CAM melibatkan banyak bentuk struktural, fisiologis dan biokemis, meliputi perubahan pola karboksilisasi dan dekarboksilisasi, transpor sejumlah besar malat dari dan ke vakuola, dan kebalikan dari periodisitas gerakan stomata. Jadi induksi CAM adalah suatu adaptasi yang hebat terhadap keadaan kahat air yang terjadi pada banyak tingkat organisasi.
Cekaman Osmotik Merubah Ekspresi Gen
Seperti diungkap sebelumnya, akumulasi solut kompatibel sebagai respon terhadap cekaman osmotik memerlukan aktivasi lintasan metabolisme yang membiosintesis solut itu. Beberapa gen yang menyandi enzim terkait dengan penyesuaian osmosis diaktifkan ( diatur keatas), oleh cekaman osmotik dan/atau salinitas, dan cekaman dingin. Gen2 ini menyandi enzim sebagai berikut :
(1). ∆'1-Pirrolin-5-carboxilat sintase, sebuah ensim kunci dalam jalur biosintesis prolin
(2). Betainaldehida dehidrogenase, sebuah enzsim terkait dalam akumulasi glycin betain
(3). Mio-Inositol 6-O-metiltransferase, sebuah enzim yang membatasi laju reaksi pada akumulasi gula alkohol siklik yang disebut pinitol.
Beberapa gen lain yang menyandi enzim terkenal juga diinduksi oleh cekaman osmotik. Ekspresi enzim gliceraldehida-3-fosfat dehidrogenase meningkat dalam cekaman osmotik, untuk memungkinkan bertambahnya aliran karbon ke solut organik untuk penyesuaian osmosis. Enzim yang terkait dengan biosintesis lignin dikendalikan oleh cekaman osmotik.
Penurunan aktivitas enzim kunci juga terjadi. Akumulasi gula alkohol manitol sebagai respon terhadap cekaman osmotik kelihatannya tidak disebabkan oleh regulasi -naik dari gen yang memproduksi enzim yang terkait dalam biosintesis manitol, tetapi lebih karena regulasi- turun dari gen yang terkait dengan produksi sukrosa dan degradasi manitol. Dengan cara demikian, akumulasi manitol diperkuat dalam episode cekaman osmotik.
Gen lain yang diregulasi oleh cekaman osmotik menyandi protein terkait dengan transpor membran, termasuk ATP-ase dan protein saluran air (water channel) aquaporin. Beberapa gen protease juga terinduksi oleh cekaman, dan enzim-enzim ini mungkin mendegradasi ( memindahkan dan mendaur ulangkan) protein lain yang didenaturasi oleh episode cekaman. Protein ubiquitin menandai protein yang ditargetkan untuk degradasi proteolitik. Sintesis mRNA untuk ubiquitin meningkat pada Arabidopsis dalam cekaman desikasi. Di samping itu beberapa protein kejut- panas ( heat shock protein) diinduksi secara osmotik dan mungkin melindungi atau merenaturasi protein yang diinaktivasi oleh desikasi.
Sensitivitas ekspansi sel terhadap cekaman osmotik telah mendorong studi bermacam gen yang menyandi protein terkait dengan komposisi structural dan integritas dinding sel. Gen gen yang menyandi ensim demikian ini seperti S-adenosilmetionin sintase dan peroksidase, yang mungkin terkait dalam biosintesis lignin, diperlihatkan dikendalikan oleh cekaman.
Suatu kelompok besar gen yang diregulasi oleh cekaman osmotik ditemukan melalui pengujian pada embrio yang secara alamiah mengalami desikasi saat pemasakan biji. Gen ini menyandi apa yang disebut LEA protein ( nama untuk Late Embryogenesis Abundant Proteins) dan mereka diduga memainkan peran penting dalam proteksi membran sel. Walaupun fungsi LEA protein (Tabel1) tidak dimengerti dengan baik, mereka dapat terakumulasi dalam jaringan vegetatif dalam episode cekaman osmotik. Protein yang disandi oleh gen- gen ini secara tipikal hidrofilik dan sangat kuat mengikat air. Peran protektif mereka mungkin terkait dengan kemampuannya untuk memegang air dan mencegah kristalisasi dari protein sel penting dan molekul lain selama desikasi. Mereka mungkin juga berkontribusi pada stabilitas membran.
Belakangan ini teknik mikroarray sudah dipakai untuk menguji ekspresi dari seluruh genom beberapa tumbuhan sebagai respon terhadap cekaman. Studi demikian telah mengungkap bahwa sejumlah besar gen memperlihatkan perubahan dalam ekspresinya setelah tumbuhan terpapar cekaman. Gen yang dikendalikan oleh cekaman (stress-controlled genes) merefleksikan sampai 10% dari total jumlah gen padi yang diuji.
Cekaman osmotik secara tipikal mengarah pada akumulasi ABA , oleh karena itu tidak mengherankan bahwa produk dari gen responsif ABA ABA dan kahat ABA memperlihatkan banyak sekali gen yang diinduksi oleh cekaman osmotik ternyata diinduksi oleh akumulasi ABA ABA
Gen Responsif Cekaman diregulasi oleh proses yang tergantung ABA
(ABA dependent) dan yang tidak tergantng ABA (ABA
Transkripsi gen dikendalikan melalui interaksi protein regulator ( faktor transkripsi) dengan sekuen regulatori spesifik pada promoter dari gen yang diatur. Gen berbeda yang diinduksi oleh isyarat yang sama ( misalnya desikasi atau salinitas) dikendalikan oleh sebuah lintasan isyarat yang menuju pada aktivasi faktor transkripsi yang spesifik itu.
Studi promoter dari beberapa gen yang diinduksi cekaman, mengarahkan pada identifikasi sekuen regulatori spesifik untuk gen yang terkait dengan cekaman yang berbeda. Misalnya gen RD29 mengandung sekuen DNA yang dapat diaktivasi oleh cekaman osmotik, oleh dingin, dan oleh ABA
Promoter gen yang diregulasi ABA mengandung elemen sekuen enam nukelotida yang disebut ABA response element (ABRE), yang mungkin mengikat faktor transkripsi yang terkait dengan aktivasi gen yang diregulasi ABA ABA ABA (ABA-
Setidaknya ada dua lintasan pengiriman isyarat yang diimplikasikan dalam regulasi ekspresi gen dengan cara ABA-independent (Lihat Gbr. 4). Pengoperasian faktor transkripsi (disebut DREB1 dan DREB2) yang terikat pada elemen DRE pada promoter gen yang responsif terhadap cekaman kelihatannya diaktivasi oleh suatu rangkaian isyarat yang ABA-independent. Gen lain yang ABA-idependent, dan reposif terhadap cekaman osmotik kelihatannya dikendalikan langsung oleh apa yang disebut MAP kinase yang mengisyaratkan rangkaian protein kinase. Perubahan lain dalam ekspresi gen kelihatannya dimediasi melalui mekanisme yang tidak melibatkan DREBs.
 |
Gambar 4. Lintasan transduksi isyarat bagi cekaman osmotik pada sel tumbuhan. Cekaman osmotiks diterima oleh penerima yang belum diketahui pada membran plasma yang mengaktifkan lintasan transduksi isyarat yang ABA dependent maupun ABA independent. Sintesis protein berpartisipasi dalam satu dari lintasan ABA dependent terkait dengan MYC/MYB. Lintasan bZIP ABA-dependent melibatkan pengenalan elemen yang ABA
Kompleksitas dan “cross talk” yang ditemukan dalam rangkaian pengisyaratan, yang dicantohkan disini oleh lintasan ABA dependent maupun ABA
Tabel 1. Lima Grup protein LEA ( Late Embryogenesis Abundant) pada tumbuhan
Grup (Nama famili) | Protein dlm grup | Karakter struktur dan motif | Informasi fungsi /Fungsi yg disarankan |
Grup 1 (Famili D-19 ) | Cotton D-19 Wheat Em ( early methionine labeled protein) Sunflower Ha ds10 Barley B19 | ●Konformasi sebagian besar terdiri dari pilinan acak dengan beberapa α heliks pendek yang diprediksi. ●Asam amino bermuatan dan glisin melimpah | ●Mengandung lebih banyak air hidrasi daripada tipikal protein globular ●Ketika diekspresikan mengindikasikn toleransi trhdp deficit air pada sel kamir. |
Grup 2 (family D11) juga disebut dehydrins | Jagung DHN1, M3, RAB17 Cotton D-11 Arabidobsis pRABAT 1, ERD 10, ERD 14 Craterostigma pcC 27-04, pcC 6-19 Tomato pLE 4, TAS 14 Barley B8, B9, B17 Rice pRAB 16A Carrot pcEP 40 | ●Struktur bervariasi termasuk α heliks membentuk bagian kaya lisin ●Konsensus sekuen grup 2 dehydrin : EKKGIMDKIKELPG ●Angka berapa kali ulangan consensus setiap protein berbeda ●Sering ada bagian banyak serin ●Sering mengandung bagian dng panjang berbeda kaya residu polar Gli atau | ●Sering ditempatkan dlm sitoplasma atau nucleus ●Lebih banyak anggota asam dari famili terkait dengan membrane plasma. ●Mungkin berperan mensta bilkan makromolekul pada potensi air rendah |
Grup3 (famili D-7) | Barley HVA1 (ABA-induced) Cotton D-7 Wheat pMA2005, pMA1949 Craterostigma pcC3-06 | ●Sekuen konsesus sebelas asam amino, motif TAQAAKEKAXE diulang dalam protein ●Mengandung α heliks amphipathic yang kelihatan ●Protein dimerik | ●Tumbuhan transgenic yg mengekspresikan HVA1 menunjukkan toleransi kuat thd cekaman kahat air. ●D-7 protein melimpah di embrio kapas (0.25 mM) ●Tiap dimer putatif D-7 dapat mengikat sebanyak 10 fosfat inorganik dan ion pasangannya. |
Grup 4 (famili D-95) | Soyben D-95 Craterostigma pcC27-45 | ●Agak hidrofobik ●Daerah terminal N diprediksi membentuk α heliks amphipathic | ●Pada tomat gen yang mensandi protein yang mirip diekspresikan dalam responnya terhadap serangan nematoda |
Grup 5 (famili D-113) | Tomato LE25 Sunflower Hads 11 Cotton D-113 | ●Anggota famili punya homolog sekuen sama pada terminus N yang conserved ●Daerah terminal-N diprediksi membentuk α heliks ●Domain terminal-C diprediksi Sebagai gulungan acak dengan panjang dan sekuen bervariasi ●Ala, Gly, dan Thr melimpah dalam sekuen | ●Terikat pada membrane dan/atau protein untuk menjaga struktur dlm cekaman ●Mungkin berfungsi mensequester ion untuk melindungi metabolisme sitosol ●Ketika L25 diekspresikan pada kamir memberikan toleransi garam dan suhu beku ●D-113 melimpah pd biji kapas ( sampai 0.3 mM) |
CEKAMAN PANAS DAN KEJUTAN PANAS
Sebagian besar jaringan tumbuhan tidak mampu bertahan hidup dari paparan yang lama pada suhu diatas 450C. Sel yang tidak sedang tumbuh atau jaringan terdehidrasi ( misalnya biji dan serbuk sari) dapat bertahan hidup pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada sel vegetatif, terhidrasi, yang sedang tumbuh. Jaringan yang sedang aktif tumbuh jarang bertahan hidup pada suhu di atas 450C, tetapi biji yang kering dapat tahan suhu 1200C, dan butir tepung sari dari beberapa species sampai 700C. Umumnya hanya eukariot sel tunggal dapat menyelesaikan hidupnya pada suhu diatas 500C dan hanya prokariot dapat membelah dan tumbuh di atas suhu 600C.
Tabel 2. Suhu panas mematikan pada beberapa tumbuhan
Tumbuhan | Suhu panas mematikan (0C) | Waktu pemaparan |
Nicotiana rustica ( tembakau liar) Cucurbeta pepo (squash) Zea mays Brassica napus Citrus aurantium (citrus masam) Opuntia (cactus) Sempervivum arachnoideum (sukulen) Daun kentang Kecambah pinus Biji Medicago (alfalfa) Buah anggur Buah tomat Serbuk sari pinus Beberapa lumut
| 49 – 51 49 – 51 49 – 51 49 – 51 50.5 ›65 57 – 61 42.5 54 – 55 120 63 45 70 42 – 51 85 - 110 | 10 menit 10 menit 10 menit 10 menit 15 – 30 mnit - - 1 jam 5 menit 30 menit - - 1 jam - - |
Pemaparan singkat secara periodic pada cekaman panas sublethal sering menginduksi toleransi terhadap panas; suatu fenomena yang disebut sebagai termotoleran terinduksi (Induced thermotolerance). Mekanisme yang menyebabkan termotoleran terinduks akan diulas kemudian. Seperti telah disebut sebelumnya, cekaman air dan suhu saling berhubungan; tajuk tumbuhan dari sebagian besar C3 dan C4 dengan akses terhadap suplai air yang melimpah dijaga dibawah 450C oleh pendinginan evaporasi; ketika air menjadi terbatas, pendinginan evaporasi menurun dan suhu jaringan naik. Kecambah yang sedang muncul pada tanah yang lembab dapat membangun perkecualian pada aturan umum ini. Kecambah ini mungkin terpapar pada cekaman suhu yang lebih besar daripada yang tumbuh pada tanah yang lebih kering, karena tanah yang basah terbuka lebih gelap dan mengabsorbsi lebih banyak radiasi matahari daripada tanah yang lebih kering.
Suhu Daun yang Tinggi danKahat Air mengarah pada Cekaman Panas.
Banyak tumbuhan tinggi sukulen, CAM , seperti Opuntia dan Sempervivum tera daptasi pada suhu tinggi dan dapat tahan suhu jaringan 600-650C pada kondisi radiasi matahari yang terik di musim panas. Karena tumbuhan CAM menjaga stomatanya tertutup pada siang hari, mereka tidak dapat didinginkan oleh transpirasi. Sebaliknya mereka melepaskan panas dari radiasi matahari dengan memancarkan kembali radiasi gelombang panjang (infra red) dan kehilangan panas dengan konduksi dan konveksi. Dilain fihak, tumbuhan C3 dan C4 yang tidak teririgasi mengandalkan pada pendinginan transpirasi untuk menurunkan suhu daun. Pada tumbuhan demikian ini, suhu daun dapat segera naik 4-50C di atas suhu udara sekitarnya pada cahaya matahari yang terik sebelum tengah hari, ketika kekurangan air tanah menyebabkan penutupan parsial stomata atau ketika kelembaban relatif yang tinggi menurunkan potensi untuk pendinginan transpirasi.
Kenaikan suhu daun pada siang hari dapat sangat signifikan pada tumbuhan yang berasal dari daerah semiarid yang sedang mengalami kekurangan air dan iradiasi yang tinggi dari sinar matahari. Cekaman suhu juga merupakan potensi bahaya dalam rumahkaca, dimana kecepatan udara yang rendah dan kelembabam yang tinggi menurunkan laju pendinginan daun. Cekaman suhu yang moderat memperlambat pertumbuhan dari tumbuhan secara keseluruhan. Beberapa tumbuhan yang diirigasi , seperti kapas, memanfaatkan pendingin transpirasi untuk melepaskan panas. Pada kapas yang diirigasi, pendinginan transpirasi yang besar berhubungan dengan hasil agronomi yang tinggi.
Pada Suhu tinggi, Fotosintesis dihambat sebelum Respirasi.
Fotosintesis dan respirasi keduanya dihambat pada suhu tinggi, tetapi ketika suhu naik, laju fotosintesis turun tajam sebelum laju respirasi . Pada suhu dimana jumlah CO2 yang difiksasi oleh fotosintesis sama dengan jumlah CO2 yang dilepas oleh respirasi, pada panjang waktu tertentu disebut titik kompensasi suhu ( temperature compensastion point).
Pada suhu di atas suhu kompensasi , fotosintesis tidak dapat mengganti karbon yang dipakai sebagai substrat respirasi. Akibatnya, cadangan karbohidrat menurun, sayuran dan buah2an kehilangan rasa manis. Ketidak seimbangan antara fotosintesis dan respirasi adalah satu dari alasan utama tentang pengaruh merusak dari suhu tinggi.
Pada tumbuhan yang sama, titik suhu kompensasi biasanya lebih rendah pada daun yang ternaungi daripada daun yang terpapar cahaya matahari (dan panas). Laju respirasi yang diperkuat relatif terhadap fotosintesis pada suhu tinggi lebih merusak pada tumbuhan C3 daripada tumbuhan C4 atau tumbuhan CAM, sebab laju respirasi gelap dan fotorespirasi pada tumbuhan C3, pada suhu yang lebih tinggi keduanya naik.
Tumbuhan Teradaptasi pada Suhu Dingin Beraklimasi Buruk pada Suhu Tinggi
Rentang pada mana tumbuhan secara genetis teradaptasi pada sebaran suhu tertentu dapat beraklimasi pada sebaran suhu yang berbeda secara kontras diilustrasikan oleh perbedaan respon dari dua species tumbuhan C4: Atriplex sabulosa ( suku Chenopodiaceae) dan Tidestroma oblongifoloia (suku Amaranthaceae).
A.sabulosa adalah tumbuhan asli dari daerah iklim dingin dari pantai utara California, dan T. oblongifolia adalah tumbuhan asli dari daerah iklim yang sangat panas dari Lembah Kematian, California, dimana ia tumbuh pada suatu regim suhu yang mematikan bagi banyak jenis tumbuhan. Ketika jenis ini ditumbuhan pada lingkungan yang terkendalikan dan laju pertumbuhannya dicatat sebagai fungsi dari suhu , T.oblongifolia hampir tidak tumbuh pada suhu 160C, sementara A.sabulosa tumbuh dengan 75% dari maksimum laju pertumbuhannya. Sebaliknya laju pertumbuhan dari A, sabulosa mulai turun antara suhu 250-300C, dan pertumbuhan berhenti pada suhu 450C, pada suhu mana pertumbuhan T.oblongifolia menunjukkan maksimumnya. Jelas bahwa kedua jenis tumbuhan itu tidak mampu beraklimasi pada sebaran suhu dari lainnya.
 |
|
Suhu Tinggi mengurangi Stabilitas Membran
Stabilitas dari berbagai membran sel penting pada cekaman suhu tinggi, seperti ketika dalam keadaan dingin dan beku. Fluiditas berlebihan dari lipid membran pada suhu tinggi berhubungan dengan kehilangan fungsi fisiologis. Pada oleander (Nerium oleander), aklimasi pada suhu tinggi berhubungan dengan derajat kejenuhan yang lebih tinggi dari asam lemak pada lipid membran yang membuat membran kurang liquid.
Pada suhu tinggi ada penurunan kekuatan ikatan hidrogen dan interaksi elektronik antara gugus polar dari protein dalam fase cair dari membran. Dengan demikian suhu tinggi merubah komposisi dan struktur membran dan dapat menyebabkan kebocoran ion (lihat gambar 5.) Kerusakan membran juga menyebabkan penghambatan proses seperti fotosintesis dan respirasi, yang tergantung pada aktivitas pembawa elektron dan enzim yang berasosiasi dengan membran.
Fotosintesis terutama peka terhadap suhu tinggi. Dalam studi tentang Atriplex dan Tidestromia, O.Bjorkman dan teman2 menemukan bahwa transpor elektron pada fotosistem II lebih sensitif terhadap suhu tinggi pada A.sabulosa yang teradaptasi dengan suhu dingin daripada T.oblongifolia yang terdaptasi pada panas. Pada tumbuhan ini ensim ribulosa-1,5 bifosfat carboksilase, NADP: gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase, dan fosfoepolpiruvat karboksilase kurang stabil pada suhu tinggi pada A.sabulosa daripada pada T.oblongifolia.
Akan tetapi, suhu dimana enzim- enzim itu mulai terdenaturasi dan kehilangan aktivitasnya jauh lebih tinggi daripada suhu dimana fotosintesis mulai menurun. Hasil ini menunjukkan bahwa status awal cedera panas pada fotosintesis lebih langsung dihubungkan pada perubahan sifat membran dan pada ketidaksesuaian mekanisme transfer energi dalam kloroplas dari pada denaturasi umum protein.
Beberapa Adaptasi Melindungi Daun dari Panas Berlebihan
Pada lingkungan dengan radiasi matahari yang terik dan suhu tinggi, tumbuhan menghindari pemanasan berlebihan pada daun dengan menurunkan absorpsi radiasi matahari. Adaptasi ini penting pada lingkungan yang cerah dan hangat dimana daun yang bertranspirasi mendekati batas atas dari toleransi suhu. Pada kondisi demikian , penghangatan lebih lanjut yang timbul dari evaporasi air yang tertekan atau energi absorpsi yang bertambah dapat merusakan daun.
Resitensi kekeringan dan resistensi panas, keduanya tergantung pada adaptasi yang sama; rambut2 daun dan lilin daun yang reflektif; penggulungan daun dan orientasi daun tegak; pertumbuhan daun kecil dan sangat terbelah untuk meminimasikan boundary layer; ketebalan dank arena itu memaksimumkan kehilangan panas konvektif dan konduktif. Beberapa semak padang pasir – misalnya Encelia farrinosa (semak rumpil putih dari suku Compositae) – mempunyai daun dimorfik untuk menghindari pemanasan berlebihan: Daun yang hijau yang hampir tidak berbulu yang ditemukan pada musim dingin digantikan dengan daun berbulu putih pada musim panas.
Pada Suhu Tinggi, Tumbuhan Menhasilkan Protein Kejutan Panas.
Respon terhadap kenaikan suhu 5-100C yang tiba-tiba, tumbuhan memproduksi satu set protein yang unik yang disebut sebagai Protein Kejutan Panas (heat shock proteins -HSPs). Sebagian besar fungsi HSPs adalah untuk membantu sel bertahan terhadap cekaman panas dengan berlaku sebagai pendamping (Chaperons) molekul. Cekaman panas menyebabkan banyak protein sel yang berfungsi sebagai ensim atau komponen structural menjadi terbuka lipatannya atau terlipat salah , dengan demikian menyebabkan hilangnya struktur dan aktivitas ensim yang benar.
Protein yang salah lipatannya demikian ini sering beragregasi dan mengendap membentuk masalah serius dalam sel. HSPs berlaku sebagai pendamping molekul dan memberikan layanan untuk mencapai lipatan yang benar dari protein yang teragregasi, salah lipatan tadi dan untuk mencegah melipatan yang salah dari protein. Ini semua memfasilitasi fungsi sel yang benar pada suhu yang tinggi dan cenderung menyebabkan cekaman.
Protein kejutan panas ditemukan pada lalat buah (Drosophila melanogaster) dan sejak itu telah diindentifikasi pada hewan lain, pada manusia, serta pada tumbuhan, fungi, dan mikroorganisme. Misalnya, ketika kecambah kedelai tiba-tiba dipindahkan dari suhu 25 ke 400C ( sedikit dibawah suhu letal), sintesis dari seperangkat mRNA dan protein yang biasanya ditemukan pada sel tertekan, sementara transkripsi dan translasi dari seperangkat 30 dan 50 protein lainnya (HSPs) diperkuat. Transkripsi mRNA baru untuk HSPs dapat dideteksi 3 -5 menit setelah kejutan panas.
Walaupun HSPs tumbuhan pertama diidentifikasi sebagai respon terhadap perubahan yang mendadak dari suhu (25 ke 400C) yang jarang sekali terjadi di alam, HSPs juga diinduksi oleh kenaikan suhu yang lebih gradual yang representative dari lingkungan alam, dan mereka terdapat pada tumbuhan dibawah keadaan lapang. Beberapa HSPs ditemukan pada sel normal tidak tercekam dan beberapa protein sel penting homologus dengan HSPs, tetapi tidak naik sebagai respon terhadap cekaman suhu.
Tumbuhan dan sebagian besar organisme lainnya membuat HSPs dengan ukuran berbeda-beda sebagai respon terhadap kenaikan suhu. (Tabel 3).
Tabel 3. Lima
Kelas HSP | Ukuran (kDa) | Contoh (Arabidopsis/prokariot) | Lokasi dalam sel |
HSP 100 HSP 90 HSP 70 HSP 60 smHSP | 100 – 114 80 – 94 69 – 71 57 – 60 15 – 30 | AtHSP101 / ClpB, ClpA/C AtHSP90 / HtpG AtHSP70 / DnaK AtTCP-1 / GroEL, GroES Berbagai macam AtHSP22, AtHSP20, AtHSP18.2, AtHSP17.6 / IBPA/B | Sitosol, mitochondria, khloroplas Sitosol, endoplsmic reticulum Sitosol/inti, mitochondria, khloroplas Mitokhondria, khloroplas Sitosol, mitochondria, khloroplas, endoplasmic reticulum |
HSPs dengan bobot molekul rendah (15– 30 kDa) lebih melimpah pada tumbuhan tinggi daripada pada organisme lainnya. Sementara tumbuhan mengandung 5-6 kelas dari HSP bobot molekul rendah, lain eukariot memperlihatkan hanya satu kelas . Kelas berbeda dari HSP bobot molekul rendah (15– 30 kDa) pada tumbuhan didistribusikan dalam sitosol, khloroplas, ER dan mitokhondria. Fungsi dari HSP kecil ini tidak difahami.
Sel yang diinduksi untuk mensintesis HSP memperlihatkan toleransi suhu yang lebih baik dan dapat mentolerir paparan suhu yang kalau tidak bersifat letal. Beberapa HSP tidak unik untuk cekaman suhu tinggi. Mereka juga diinduksi oleh cekaman atau kondisi lingkungan yang sangat berbeda, meliputi kekurangan air, perlakuan ABA, pelukaan, suhu rendah, dan salinitas. Jadi, sel yang sebelumnya terpaparkan pada satu cekaman mungkin memperoleh proteksi silang terhadap cekaman lainnya. Demikian ini adalah kasus pada buah tomat, dimana kejutan panas (48 jam pada suhu 380C) diobservasi menunjang akumulasi HSP dan melindungi sel untuk 21 hari dari pendinginan pada suhu 20C.
Faktor Transkripsi Memediasi Akumulasi HSP dalam Respon terhadap Kejutan Panas.
Semua sel tampak mengandung pendamping molekul yang terekspresikan secara konsitutif dan berfungsi seperti HSPs. Pendamping ini disebut protein pengenal kejutan panas (heat shock cognate proteins). Akan tetapi ketika sel dipaparkan pada episode panas yang mencekam tetapi tidak letal. Sintesis HSPs secara dramatis naik sementara keterlajutan translasi dari protein lain secara dramatis diturunkan atau berhenti samasekali.Respon terhadap kejutan panas ini kelihatnnya dimediasi oleh faktor transkripsi spesifik (HSF) yang beraksi pada transkripsi mRNA dari HSP.
Ketika tidak ada cekaman panas HSF berada sebagai monomer yang tidak mampu mengikat DNA dan mengarahkan transkripsi. Cekaman menyebabkan monomer HSF berasosiasi menjadi trimer yang kemudian mampu mengikat elemen sekuen spesifik pada DNA yang disebut sebagai elemen kejutan panas ( HSEs).Begitu terikat pada HSE trimerrik HSF difosforilisasi dan mendorong transkripsi mRNA HSP. HSP70 kemudian mengikat HSF menyebabkan disosiasi kompleks HSF/HSE 
dan HSF kemudian didaur ulangkan menjadi bentuk monomer HSF. Dengan demikian dengan aksi HSF,HSP terakumulasi sampai mereka menjadi cukup melimpah untuk mengikat HSF yang mengarah pada pemberhentian produksi mRNA dari HSP.
dan HSF kemudian didaur ulangkan menjadi bentuk monomer HSF. Dengan demikian dengan aksi HSF,HSP terakumulasi sampai mereka menjadi cukup melimpah untuk mengikat HSF yang mengarah pada pemberhentian produksi mRNA dari HSP.HSPs memediasi termotoleran
Kondisi yang mengindus toleransi suhu pada tumbuhan cocok sekali dengan yang mengindus akumulasi HSP, tetapi korelasi itu sendiri tidak membuktikan bahwa HSPs memainkan peran penting dalam aklimasi terhadap cekaman panas. Percobaan yang lebih konklusif memperlihatkan bahwa ekspresi dari HSF teraktivasi mengindus sintesis HSPs yang konstitutif dan menaikkan termotoleran dari Arabidopsis. Studi dengan tumbuhan Arabidopsis yang mengandung antisense sekuen DNA yang menurunkan sintesis HSP70 memperlihatkan bahwa ekstrem suhu tinggi pada mana tumbuhan dapat survive diturunkan 20C dibandingkan dengan kontrol, walaupun tumbuhan mutant tumbuh secara normal pada suhu optimal.
Mungkin kegagalan untuk mensintesis keseluruhan bentuk dari HSPs yang biasanya diindus pada tumbuhan akan mengarah pada kehilangan yang lebih dramatic. Lain studi dengan mutan Arabidopsis maupun tumbuhan transgenic mendemonstrasikan bahwa setidaknya HSP101 adalah komponen kritis dari keduanya termotoleran terindus maupun konstitutif pada tumbuhan.
Adaptasi pada Cekaman Panas dimediasi oleh Calsium sitosol.
Ensim yang berpartisipasi dalam lintasan metabolik dapat mempunyai respon suhu yang berbeda, dan termostabilitas yang berbeda demikian ini dapat mempengaruhi langkah dalam metabolisme sebelum HSPs dapat mengembalikan aktivitas dengan kapasitas pendampingan molekul mereka. Oleh karena itu, cekaman panas dapat menyebabkan perubahan metabolisme yang menjurus pada akumulasi beberapa metabolites dan pengurangan lainnya. Perubahan demikian ini dapat merubah fungsi dari lintasan metabilik secara dramatis dan menjurus pada ketidakseimbangan yang dapat sukar untuk dikoreksi.
Disamping itu, cekaman panas dapat merubah laju rekasi metabolisme yang mengkonsumsi atau menghasilkan proton, dan itu dapat mempengaruhi aktivitas pompa proton ATP-ase yang memompa proton dari sitosol kedalam apoplas atau vakuola. Ini mungkin dapat mengarah pada asidifikasi dari sitosol, yang dapat menyebabkan gangguan metabolik tambahan pada saat cekaman. Sel dapat mempunyai mekanisme aklimasi metabolik yang memperbaiki pengaruh dari cekaman panas pada metabolime.
Satu dari aklimasi metabolik pada cekaman panas adalah akumulasi dari asam amino nonprotein g-amino asam butirat (g-aminobutyric acid –GABA). Dalam episode cekaman panas, GABA terakumulasi sampai pada level 6-10 kali lipat lebih tinggi daripada tumbuhan yang tidak kena cekaman. GABA disitesis dari asam amino L-glutamat, dalam reaksi tunggal yang dikataliser oleh enzim glutamat dekarboksilase (GAD). GAD adalah satu dari beberapa ensim yang aktivitasnya dimodulasi oleh calmodulin, regulatory protein yang diaktivasi oleh Calcium.
Calmodulin yang diaktivasi oleh Ca, mengaktivasi GAD dan menaikkan laju biosintesis GABA. Pada tumbuhan transgenik yang mengekspresikan aquaporin, protein yang men-sense calcium, diperlihatkan bahwa cekaman suhu tinggi menaikkan level Calsium sitosol dan kenaikkan ini menyebabkan aktivasi GAD yang dimediasi calmodulin dan akumulasi GABA yang diinduksi oleh suhu tinggi.
Walaupun GABA adalah molekul signal yang penting pada jaringan otak mamalia, tidak ada bukti bahwa ini berfungsi sebagai molekul signal pada tumbuhan. Fungsi yang mungkin dari GABA pada resitensi cekaman panas masih dalam penelitian.
PENDINGINAN DAN PEMBEKUAN
Suhu yang mendinginkan adalah suhu yang terlalu rendah untuk pertumbuhan normal tetapi tidak cukup rendah bagi es untuk terbentuk. Secara tipikal, jenis tropis dan subtropis rentan terhadap cedera dingin. Diantara tanaman budidaya, jagung, kacang Phaseolus, padi, tomat, mentimun, ubi jalar, dan kapas adalah sensitif terhadap pendinginan. Passiflora, Coleus, dan Gloxinia adalah contoh tanaman ornamental yang rentan.
Ketika tumbuhan tumbuh pada suhu yang relatih hangat (25 – 350C) adalah dingin pada suhu 10 – 150C, cedera pendinginan terjadi; pertumbuhan melambat, perubahan warna atau bercak kerusakan terlihat pada daun, dan tajuk kelihatan rebah lembek basah seperti kalau direndam dalam air untuk waktu yang lama. Kalau akar juga kedinginan, tumbuhan mungkin layu.
Jenis yang umumnya sensitif terhadap pendinginan dapat memperlihatkan variasi yang cukup besar dalam responnya terhadap suhu yang mendinginkan. Adaptasi genetik pada suhu yang lebih dingin terkait dengan elevasi tinggi memperbaiki resistensi terhadap pendinginan. Disamping itu resistensi sering bertambah apabila tumbuhan itu dikeraskan dulu ( diaklimasi) dengan memaparkan pada suhu dingin, tetapi tidak mencederai. Kerusakan karena pendinginan dengan demikian dapat diminimumkan apabila pemaparannya lambat dan gradual. Pemaparan yang tiba-tiba pada suhu dekat 00C, disebut kejutan dingin, menaikkan peluang cedera besar sekali.
Cedera beku, sebaliknya terjadi pada suhu dibawah titik beku air. Induksi penuh agar toleran terhadap pembekuan, seperti terhadap dingin, memerlukan periode aklimasi pada suhu dingin.
Pada diskusi dibawah ini kita akan mengkaji bagaimana cedera dingin merubah sifat membran, bagaimana kristal es merusak jaringan dan sel, dan bagaiaman ABA, ekspresi gen, sintesis protein dapat memediasi aklimasi dari pembekuan.
Sifat Membran Berubah dalam Merespon Cedera dingin.
Daun tumbuhan yang cedera karena kedinginan memperlihatkan penghambatan fotosintesis, translokasi karbohidrat yang lebih lambat, laju respirasi yang lebih rendah, penghambatan sintesis protein, dan meningkatnya degradasi protein. Semua respon ini terlihat tergantung pada mekanisme primer yang sama terkait dengan kehilangan fungsi membran selama pendinginan.
Misalnya solut bocor dari daun Passiflora maliformis yang peka terhadap kedinginan, yang ditaruh pada air pada suhu 00C , tetapi tidak dari daun Passiflora caerulea yang resistan terhadap kedinginan. Kehilangan solut kedalam air merefleksikan kerusakan pada membran plasma dan mungkin juga pada tonoplas. Pada gilirannya hambatan pada fotosintesis dan respirasi merefleksikan cedera pada membran khloroplas dan mitokhondria.
Kenapa membran dipengaruhi oleh pendinginan. Membran tumbuhan terdiri dari lapisan rangkap lipid yang diselingi dengan protein dan sterol. Sifat fisik dari lipid sangat mempengaruhi aktivitas dari protein membran integral , meliputi H+-ATPases, carriers dan protein pembentuk channel yang meregulatsi transport dari ion dan solut lainnya, juga transport ensim pada mana metabolisme tergantung.
Tumbuhan yang sensitif terhadap kedinginan, lipid dari lapisan rangkap mempunyai persentase yang tinggi dari rantai asam lemak jenuh, dan membran dengan komposisi seperti ini cenderung untuk membentuk solid mendekati status kristalin pada suhu jauh diatas 00C. Ingat bahwa asam lemak jenuh yang tidak mempunyai ikatan rangkap dan lipid yang mengandung trans- monounsaturated asam lemak membeku pada suhu lebih tinggi daripada membran yang terdiri dari lipid yang mengandung asam lemak tidak jenuh.
Begitu membran menjadi kurang fluid, komponen proteinnya tidak dapat lagi berfungsi normal. Akibatnya adalah penghambatan aktivitas H+-ATPase, penghambatan transport solut kedalam dan keluar sel, penghambatan energi transduksi, dan penghambatan metabolisme yang tergantung pada ensim. Disamping itu daun yang peka terhadap kedinginan yang dipaparkan pada aliran photon yang tinggi dan suhu yang mendinginkan mengalami fotoinhibisi yang menyebabkan kerusakan akut pada mesin fotosintesis.
Lipid membran dari tumbuhan yang resistan kedinginan sering mempunyai proporsi lebih besar dari asam lemak tidak jenuh daripada asam lemak dari tumbuhan yang sensitif kedinginan, dan dalam aklimasi pada suhu yang dingin aktivitas dari ensim desaturase naik dan proporsi dari lipid yang tidak jenuh meningkat. Modifikasi menurunkan suhu dimana lipid mebran mulai perubahan fase gradual dari fluid ke semikristalin dan memungkinkan membran tetap fluid pada suhu yang lebih rendah. Jadi desaturasi dari asam lemak pemberikan beberapa proteksi terhadap kerusakan dari kedinginan.
Pentingnya lipid membran untuk toleran terhadap suhu rendah didemonstrasikan oleh penelitian dengan tanaman mutan dan transgenik , dimana aktivitas suatu ensim tertentu mengarah pada perubahan spesifik dari komposisi lipid membran independen dari aklimasi terhadap suhu rendah. Misalnya, Arabidopsis ditransform dengan gen dari Escherichia coli yang meningkatkan proporsi lipid membran dengan titik leleh yang tinggi (jenuh) . Gen ini dengan luar biasa meningkatkan sensivitas kedinginan dari tanaman yang tertransfom ini.
Mirip seperti itu, mutan fab1 dari Arabidopsis telah meningkatkan level dari asam lemak jenuh, terutama 16:0. Lihat Tabel 4.
Tabel 4. Komposisi asam lemak dari mitokhondria diisolasi dari jenis yang resisten dan peka terhadap kedinginan
Asam lemak utama | Persen kandungan bobot total asam lemak | |||||
Jenis resisten kedinginan | Jenis peka kedinginan | |||||
Tunas Cauliflower | Akar turnip | Tajuk pea | Tajuk bean | Ubu jalar | Tajuk jagung | |
Palmitat (16:0) Stearat (18:0) Oleat (!8:0) Linoleat (18:2) Linolenat (18:3) | 12.3 1.9 7.0 16.4 49.4 | 19.0 1.1 12.2 20.6 44.9 | 12.8 2.9 3.1 61.9 13.2 | 24.0 2.2 3.8 43.6 24.3 | 24.9 2.6 0.6 50.8 10.6 | 28.3 1.6 4.6 54.6 6.8 |
Ratio antara asam lemak tidak jenuh : jenuh | 3.2 | 3.9 | 3.8 | 2.8 | 1.7 | 2.1 |
Selama periode 3-4 minggu pada suhu mendinginkan, fotosintesis dan pertumbuhan secara gradual terhambat, dan pemaparan pada suhu mendinginkan akhirnya menghancurkan khloroplas dari mutan ini. Pada suhu yang tidak mendinginkan, mutan ini tumbuh sebagus seperti control tipe liar .
Pembentukan Kristal Es dan Dehidrasi Protoplas Membunuh Sel.
Kemampuan untuk mentoleransi suhu beku dibawah kondisi alam sangat bervariasi diantara jaringan. Biji, jaringan lain yang terdehidrasi sebagian, dan spora fungi dapat disimpan tanpa batas pada suhu dekat nol absolute (00K atau -2730C), mengindikasikan bahwa suhu yang begini rendah secara intrinsic tidak merugikan
Sel vegetatif, yang terhidrasi penuh dapat juga menjaga viabilitas kalau mereka didinginkan dengan sangat cepat untuk menghindari pembentukan kristal es besar yang tumbuh lambat.yang akan merobek dan menghancurkan struktur subseluler. Krista les yang terbentuk dalam pembekuan yang sangat cepat adalah terlalu kecil untuk menyebabkan kerusakan mekanis. Sebaliknya, pemanasan yang cepat dari jaringan yang beku diperlukan untuk menghindari pertumbuhan kristal es kecil menjadi kristal dari ukuran yang merusak, atau untuk menjaga kehilangan uap air dengan sublimasi, keduanya itu terjadi pada suhu intermediate.
Dibawah kondisi alam, pendinginan organ tumbuhan multiseluler, utuh tidak pernah cukup cepat untuk membatasi pembentukan kristal pada sel yang terhidrasi penuh pada hanya kristal kecil tidak membahayakan. Es biasanya terbentuk pertama dalam ruang intersel dan dalam vessel xylem, sepanjang mana es dapat dengan cepat bertambah. Pembentukan es ini tidak letal pada tumbuhan yang keras, dan jaringan akan sembuh sempurna kalau dihangatkan. Akan tetatpi, ketika tumbuhan dipaparpan pada suhu beku untuk periode yang lama, pertumbuhan kristal es estraseluler mengakibatkan pergerakan dari liquid air dari protoplast ke es extraseluler, yang menyebabkan dehidrasi berlebihan.
Dalam pembekuan yang cepat , protoplas, meliputi vakuola, mengalami pedinginan super (supercools) ; yaitu air sel tetap liquid bahkan pada suhu beberapa derajad dibawah titik bekunya teoritis. Beberapa ratus molekul diperlukan untuk suatu kristal es agar mulai terbentuk. Proses dengan mana ratusan molekul air mulai membentuk kristal es yang stabi; disebut nukleasi es ( ice nucleation), dan ini sangat tergantung pada sifat dari permukaan terkait. Beberapa polisakarida besar dan protein memfasilitasi pembentukan kristal es dan disebut nukleator es.
Beberapa protein nukleasi es yang dibuat oleh bakteri nampak memfasilitasi nukleasi es dengan menjajarkan molekul air sepanjang domain asam amino terulang dalam protein. Pada sel tumbuhan, kristal es mulai tumbuh dari nukleator es endogenus , dan es kristal intraseluler yang relatif besar, yang terjadi , menyebabkan kerusakan yang intensif pada sel dan biasanya letal (mematikan).
Pembatasan Pembentukan Es berkontribusi pada toleransi terhadap pembekuan
Beberapa protein tumbuhan terspesialisasi dapat membantu membatasi pertumbuhan kristal es dengan mekanisme nonkoligatif – yaitu suatu pengaruh yang tidak tergantung pada penurunan titik beku air oleh adanya solute. Protein antibeku ini diindus oleh suhu dingin, dan mereka menempel pada permukaan kristal es mencegah atau memperlambat pertumbuhan kristal selanjutnya.
Pada daun rye protein antibeku ditempatkan pada sel sel epidermis dan sel sekitar ruang antarsel , dimana mereka dapat menghambat pertumbuhan dari es ekstraseluler. Tumbuhan dan hewan mungkin memakai mekanisme yang mirip untuk membatasi kristal es. Gen yang dapat diinduksi dingin (cold) diindentifikasi pada Arabidopsis mempunyai homolog DNA pada gen yang mensandi protein antibeku pada ikan seperti ikan winter flounder. Protein antibeku akan diulas lebih detail pada bab berikutnya.
Gula dan beberapa protein yang dapat diinduksi dingin (cold) diduga mempunyai pengaruh cryoprotective (cryo=”cold” dingin); mereka menstabilasi protein dan membrane selama dehidrasi yang diinduksi oleh suhu rendah. Pada gandum musim dingin, makin besar konsentrasi sukrosa makin besar pula toleransi terhadap suhu beku. Sukrosa mempredominasi gula terlarut terkait dengan toleransi suhu beku yang berfungsi secara coligatif, tetapi pada beberapa species tumbuhan, rafinosa, fruktan, sorbitol, atau mannitol mempunyai fungsi yang sama.
Dalam aklimasi dingin dari serelaia musim dingin , gula terlarut terakumulasi didalam dinding sel, dimana mereka mungkin membantu membatasi pertumbuhan es. Suatu glukoprotrin yang cryoprotective sudah diisolasi dari daun kobis (Brassica oleraceae) .In vitro, protein melindungi thylokoid yang diisolasi dari bayam yang tidak teraklimasi terhadap kerusakan dari pembekuan dan pencairan kembali.
Beberapa Tumbuhan Berkayu dapat beraklimasi terhadap Suhu Amat Rendah.
Ketika dalam status dorman, beberapa tumbuhan berkayu sangat resistan terhadap suhu rendah. Resistansi ditentukan sebagian oleh aklimasi pada dingin sebelumnya, tetapi genetic memainkan peran penting dalam menentukan derajad toleransi terhadao suhu rendah. Jenis natif Prunus ( Cherry, plump, dll.) dari daerah lebih dingin bagian utara dari Amerika Utara lebih keras setelah aklimasi daripada mereka dari daerah dengan iklim lebih ringan. Ketika species itu diuji bersama dalam laboratorium , mereka dengan distribusi geografik bagian utara memperlihatkan kemampuan yang lebih besar untuk menghindari pembentukan es intraseluler , yang menggarisbawahi perbedaan genetic yang distinct.
Dibawah kondisi alam, species berkayu beraklimasi terhadap dingin dalam 2 tingkat yang berbeda :
- Pada tingkat pertama, pengerasan diinduksi pada awal musim gugur dengan pemaparan pada hari pendek dan suhu dingin non beku, keduanya berkombinasi untuk menghentikan pertumbuhan. Faktor yang dapat berdifusi yang mendorong aklimasi (mungkin
- Pada tingat kedua pemaparan langsung pada pembekuan adalah stimulus ; tidak diketahui adanya factor yang translocatable dapat menjelaskan pengerasan akibat dari pemaparan pada pembekuan. Ketika mengeras penuh, sel dapat mentolerir pepamaran pada suhu -50 sampai -1000C.
Resistan terhadap Suhu Beku terkait dengan Supercooling dan Dehidrasi Lambat.
Pada banyak jenis dari hutan kayu keras dari selatan Canada Rocky Mountain Colorado
Resistansi terhadap pembekuan dengan cepat melemah begitu pertumbuhan mulai lagi pada musim semi. Jaringan batang dari A.lasiocarpa yang mengalami supercooling dalam (deep supercooling) dan tetap viable dibawah – 350C pada bulan Mei, kehilangan kemampuannya untuk menekan pembentukan es pada bulan Juni dan dapat mati pada suhu – 100C.
Sel dapat ber–supercool hanya sampai kira-kira – 400C, pada suhu mana es terbentuk secara spontan. Pembentukan es secara spontan menentukan batas suhu rendah pada mana banyak species alpine dan subartic yang menjalani deep supercooling dapat survive. Ini juga menjelaskan mengapa ketinggian dari timberline pada pegunugan ada pada atau dekat dengan isoterm minimum – 400C.
Protoplasma sel menghalangi nukleasi es ketika menjalani deep supercooling. Disamping itu dinding sel berperan sebagai batas keduanya yaitu terhadap pertumbuhan es dari ruang intraseluler kedalam dinding sel, dan terhadap kehilangan liquid air dari protoplasma ke es extraseluler, yang didorong oleh gadrien tekanan uap yang tajam.
Banyak kuncup bunga ( misalnya anggur, blueberry, peach, azalea, dll) survive musim dingin dengan deep supercooling , dan kerugian ekonomis serius terutama peach dapat terjadi dari penurunan toleransi terhadap pembekuan dari kuncup bunga pada musim semi. Sel pada saat ini tidak lagi supercool dan kristal es yang terbentuk secara extraseluler pada kuncup daun menarik air dari meristem apikal, mematikan pucuk bunga dengan dehidrasi.
Pucuk bunga dari apel dan pear, kuncup vegetatif dari pohon buah2an daerah temperet dan sel yang hidup pada kulit pohon tidak supercool, tetapi mereka menahan dehidrasi dari pembentukan es extraseluler. Resistensi terhadap dehidrasi seluler dikembangkan hebat pada species berkayu yang terpaparkan pada suhu minimum tahunan rata rata dibawah – 400C, terutama species yang ditemukan di utara Canada, Alaska, utara Eropa dan Asia.
Pembentukan es mulai pada -3 ke -50C pada ruang interseluler, dimana kristal akan terus tumbuh, disuplai oleh penarikan air secara pelan dari protoplasma, yang tetap tidak membeku. Resistan terhadap suhu beku tergantung kepada kapasitas ruang extraseluler untuk mengakomodasi volume kristal es yang tumbuh dan pada kemampuan protoplas untuk bertahan dehidrasi.
Pembatasan pembentukan kristal es pada ruang extraseluler diikuti oleh dehidrasi protoplas secara gradual, mungkin menerangkan mengapa beberapa species berkayu yang resisten terhadap pembekuan juga resisten terhadap kekurangan air pada musim pertumbuhan. Misalnya species willow (Salyx), Betula papyrifera, Populus tremuloides, Prunus pensylvanica, Prunus virginianan dan Pinus contorta mentolerer suhu yang amat rendah dengan membatasi pembentukan kristal es pada ruang extrasel. Akan tetapi, perolehan resistensi tergantung pada pendinginan yang lambat dan pembentukan kristal es dan dehidrasi. protoplas yang gradual. Pemaparan yang tiba-tiba pada suhu yang amat rendah sebelum aklimasi penuh menyebabkan pembekuan intraseluler dan kematian sel.
Beberapa bacteria yang Hidup pada Permukaan Daun meningkatkan kerusakan frost
Ketika daun didinginkan pada suhu dalam sebaran -3 ke -50C , pembentukan kristal es pada permukaan daun (frost) dipercepat oleh bacteria tertentu yang secara natural mendiami permukaan daun, seperti Pseudomonas syringae dan Erwinia herbicola, yang berperan sebagai nukleator es. Ketika secara artifisial diinokulasikan dengan kultur dari bacteria ini, daun dari species yang frost sensitive membeku pada suhu yang lebih hangat daripada daun yang bebas bakteri.Es permukaan dengan cepat menyebar keruang interseluler dalam daun, yang menjurus pada dehidrasi seluler.
Strain bakteri dapat secara genetika dimodifikasi sehingga mereka kehilangan karakternya membuat nukeus es. Strain yang demikian sudah dipakai secra komersial pada semprotan daun dari tanaman budidaya yang mahal peka terhadap frost, seperti strawberry untuk berkompetisi dengan strain bakteri natif dan dengan demikian meminimkan angka dari titik potensial nukleasi es.
Pada kecambah alfalfa (Medicago sativa L.) yang toleran terhadap pembekuan pada suhu – 100C sangat meningkat oleh pemaparan sebelumnya pada suhu dingin ( 40C) atau oleh perlakuan dengan ABA ABA ), tetapi beberapa protein yang baru disintesis yang diinduksi oleh suhu dingin nampak mirip seperti yang diinduksi oleh ABA
Sintesis protein adalah penting untuk perkembangan toleransi terhadap beku, dan beberapa protein berbeda terakumulasi selama aklimasi terhadap dingin, sebagai akibat perubahan ekspresi gen. Isolasi gen untuk protein ini mengungkapkan bahwa beberapa protein yang diinduksi oleh suhu rendah berbagai homologi dengan keluarga protein RAB/LEA/DHN (responsif terhadap masing-masing ABA, Late Embryo Abundant dan dehydrin). Seperti digambarkan sebelumnya pada bab regulasi gen oleh cekaman osmosis, protein protein ini berakumulasi pada jaringan yang terpaparkan pada cekaman yang berbeda seperti cekaman osmotik. Fungsi mereka sedang dalam investigasi.
ABA nampaknya mempunyai peran dalam menginduksi toleransi terhadap pembekuan. Gandum musim dingin, rye, bayam dan Arabidopsis theliana semuanya jenis yang toleran dingin, toleransinya terhadap pembekuan juga meningkat.Toleransi terhadap pembekuan ini meningkat pada suhu non aklimasi oleh kekurangan air ringan, atau pada suhu rendah, yang manapun dari keduanya ini meningkatkan konsentrasi ABA endogenus pada daun.
Tumbuhan mengembangkan toleransi terhadap pembekuan pada suhu nonaklimasi ketika diperlakukan dengan ABA ABA ABA
Mutan dari Arabidopsis yang tidak sensitive pada ABA (abi1) atau defisien ABA ABA ABA dependen, dan belum jelas apakah ekspresi gen yang diinduksi oleh ABA ABA
Jelas bahwa ABA ABA : sementara control ditumbuhkan pada 250C dapat survive pada –90C, 7 hari pemaparan pada ABA
Secara tipikal, minimum beberapa hari pemaparan pada suhu rendah diperlukan untuk resistensi pembekuan untuk diinduksi secara penuh. Kentang memerlukan 15 hari pemaparan pada suhu dingin. Sebaliknya ketika dihangatkan tanaman kehilangan toleransinya terhadap pembekuan dengan cepat, dan mereka dapat menjadi rentan terhadap pembekuan lagi dalam waktu 24 jam.
Keperluan suhu rendah untuk menginduksi aklimasi terhadap pendinginan (chilling) atau pembekuan (freezing) dan kehilangan yang cepat dari aklimasi pada penghangatan , menerangkan kerentanan tanaman diselatan Amerika Serikat ( dan zona iklim yang sama dengan musim dingin yang sangat bervariasi) terhadap ekstrem dari suhu pada bulan bulan musim dingin, ketika suhu udara dapat anjlok dari 20-250C menjadi 00C dalam beberapa jam saja.
Banyak gen diinduksi ketika aklimasi dingin
Ekspresi gen tertentu dan sintesis protein yang spesifik adalah sama bagi cekaman panas maupun dingin, tetapi beberapa aspek dari ekspresi gen yang diinduksi dingin berbeda dari yang dihasilkan oleh cekaman panas. Ketika selama episode dingin sintesis dari protein “penjaga rumah” (protein yang dibuat ketika tidak ada cekaman) tidak diregulat turun secara substansial, selama cekaman panas sintesis protein penjaga rumah secara esensial berhenti.
Sebaliknya sintesis dari beberapa protein kejutan panas yang dapat berperan sebagai molekul chaperon diregulat naik dibawah cekaman dingin dengan jalan yang sama seperti pada cekaman panas. Ini menyarankan bahwa destabilisasi protein menyertai keduanya cekaman panas dan cekaman dingin dan bahwa mekanisme untuk menstabilkan struktur protein selama kedua episode panas dan dingin adalah penting untuk survival.
Kelas protein lainnya yang penting yang ekspresi adalah regulat-naik oleh cekaman dingin adalah protein antibeku ( Antifreeze proteins). Protein antibeku pertama ditemukan pada ikan yang hidup dalam air dibawah gunung es kutub. Seperti telah diulas sebelumnya, protein ini mempunyai kemampuan untuk menghambat pertumbuhan kristal es dengan cara nonkoligatif, jadi mencegah kerusakan beku pada suhu intermediate beku.
Protein antibeku menjelaskan pada larutan cair sifat dari histeresis suhu, thermal hysteresis (transisi dari liquid ke solid didorong pada suhu rendah daripada transisi dari solid ke liquid), dan demikian mereka kadang disebut sebagai Protein histeresis suhu ( thermal hysteresis proteins) -THPs
Beberapa tipe protein antibeku yang diinduksi dingin, telah ditemukan pada monocot yang mengeras pada musim dingin yang diaklimasi dingin. Ketika gen spesifik yang mensandi protein ini diklon dan disekuen, ditemukan bahwa semua protein antibeku termasuk dalam kelas protein seperti endochitanses dan endoglucanases, yang diinduksi pada infeksi pathogen yang berbeda-beda. Protein ini disebut protein terkait patogenesis ( pathogenesis related (PR) proteins) diduga untuk melindungi tumbuhan dari patogens. Jadi nampak bahwa setidaknya pada monocot peran ganda dari protein sebagai antibeku dan protein terkait patogenesis yang mungkin melindungi sel tumbuhan dari keduanya cekaman dingin dan serangan pathogen.
Grup protein lainnya yang ditemukan terkait dengan cekaman osmosis juga diregulat naik selama cekaman dingin. Grup ini meliputi protein yang terkait dalam sintesis osmolytes, protein untuk stabilisasi membrane , dan protein LEA. Karena pembentukan kristal es extraselular menimbulkan cekaman osmotik yang signifikan dalam sel , mengatasi cekaman pembekuan juga memerlukan cara untuk mengatasi cekaman osmotik.
Faktor Transkripsi meregulasi Ekspresi Gen yang diinduksi oleh dingin.
Lebih dari 100 gen diregulasi-naik oleh cekaman dingin. Olehkarena cekaman dingin jelas terkait dengan respon ABA dan dengan cekaman osmosis, tidak semua gen diregulasi naik oleh cekaman dingin perlu dikaitkan dengan toleransi dingin, tetapi paling mungkin memang banyak dari mereka adalah demikian. Banyak dari gen yang diinduksi cekaman dingin diaktivasi oleh factor transkripsi yang disebut C-repeat binding factor (CBF1, CBF2, CBF3, juga disebut masing-masing DREB1b, DREB1c, DREB1a).
Faktor transkripsi tipe CBF/DREB1 melekat pada elemen CRT/DRE ( C- repeat/dehydration responsive, ABA- dependent sequence elements)pada sekuen promoter gen. CBF/DREB1 terlibat dalam respon transkripti koordinatif dari banyak gen yang diinduksi oleh cekaman dingin dan osmotic, yang semuanya mengandung elemen CRT/DRE pada promoternya. CBF1/DREB1b adalah unik dimana dia ini diindus terutama oleh cekaman dingin dan tidak oleh cekaman osmotic atau cekaman salinitas, sedangkan elemen pengikat DRE dari tipe DREB2 diinduksi hanya oleh cekaman osmotic dan salinitas dan tidak oleh cekaman dingin.
Ekspresi dari CBF1/DREB1b dikendalikan oleh factor transkripsi terpisah, disebut ICE (Inducer of CBF Expression). Faktor trsankripsi ICE tidak nampak dikendalikan oleh dingin, dan diperkirakan bahwa ICE atau protein terkait adalah diaktivasi setelah transkripsi ( posttranscriptionally) , yang memungkinkan aktivasi dari CBF1/DREB1b, tetapi jalur isyarat yang persis dari persepsi dingin, isyarat calsium dan aktivasi ICE sedang dalam investigasi.
Tanaman transgenic yang mengekspresikan CBF1 secara konstitutif mempunyai lebih banyak transkrip gen yang diregulat naik oleh dingin daripada tanaman tipe liar, mengindikasikan bahwa banyak protein yang diregulat naik oleh dingin yang mungkin terkait dengan aklimasi dingin diproduksi ketika tidak ada dingin pada tanaman transgenic CBF1 ini. Disamping itu, tanaman transgenic CBF1 lebih toleran dingin daripada tanaman kontrol.
CEKAMAN GARAM
Dibawah kondisi alamiah, tumbuhan tinggi daratan mendapati konsentrasi garam tinggi dekat dengan pantai dan estuari dimana air laut dan air tawar bercampur atau saling menggantikan sesuai pasang surut air laut. Jauh kedarat, rembesan garam alamiah dari deposit marin geologi dapat mengalir ke daerah didekatnya yang menjadikan daerah itu tidak dapat dipakai untuk pertanian. Akan tetapi suatu masalah yang jauh lebih ekstensif pada pertanian adalah akumulasi garam dari air irigasi.
Evaporasi dan transpirasi memindahkan air murni ( sebagai uap) dari tanah, dan kehilangan air ini mengkonsentrasian solute dalam tanah. Ketika air irigasi mengandung konsentrasi solute yang tinggi dan ketika tidak ada peluang untuk membilas keluar garam yang terakumulasi kepada suatu system drainase, maka garam dapat dengan cepat mencapai tingkat mencederai pada jenis yang sensitif. Diperkirakan sepertiga dari tanah irigasi di dunia terpengaruh oeh garam.
Dalam seksi ini kita diskusikan bagaimana fungsi tumbuhan dipengaruhi oleh salinitas air dan tanah, dan kita bahas proses yang membantu tumbuhan menghindari cekaman salinitas.
Akumulasi Garam di Tanah Menganggu Fungsi Tumbuhan dan Struktur Tanah
Dalam mendiskusikan pengaruh garam di tanah, kita membedakan antara konsentrasi yang tinggi dari Na+, yang disebut sebagai sodisitas, dan konsentrasi yang tinggi dari garam total, yang disebut sebagai salinitas. Dua konsep ini sering berkaitan tetapi pada beberapa daerah Ca2+, Mg2+, dan SO42- , begitu juga NaCl dapat memberikan kontribusi substansial pada salinitas. Konsentrasi Na+ yang tinggi dari tanah yang sodik dapat bukan saja mencederai tumbuhan secara langsung tetapi juga mendegradasikan struktur tanah, menurun porositas, dan permeabilitas air. Tanah liat sodik yang diketahui sebagai caliche begitu keras dan tidak permiabel sehingga dinamit kadang2 diperlukan untuk menggali tanah ini.
Di lapangan salinitas air tanah atau air irigasi diukur dlm konduktivitas listriknya atau dalam potensi osmosisnya. Air murni adalah konduktor arus listrik yang buruk; konduktivitas dari suatu sampel air disebabkan karena ion ion yang terlarut didalamnya. Makin tinggi konsentrasi garam dalam air, makin besar konduktan listriknya dan makin rendah potensi osmosis ( maki tinggi tekanan osmosisnya).
Tabel 1. Sifat air laut dan air irigasi yang baik
Sifat | Air Laut | Air Irigasi |
Konsentrasi ion (mM) Na+ K+ Ca++ Mg++ Cl- SO42- HCO3- Potensi osmotik (MPa) Garam total terlarut (mg l-1 atau ppm) | 457 9.7 10 56 536 28 2.3 -2.4 32,000 | ‹2.0 ‹1.0 0.5 – 2.5 0.25 – 1.0 ‹2.0 0.25 – 2.5 ‹1.5 -0.039 500 |
Kualitas air irigasi di daerah semiarid dan arid sering buruk. Di Amerika Serikat kandungan garam pada ujung alir sungai Colorado hanya 50 mgL-1, tetapi kira2 2000 km kearah hilir , di California Selatan, kandungan garam dari sungai yang sama mencapai kira2 900 mgL-1, cukup untuk menghambat pertumbuhan beberapa tanaman yang sensitif garam; seperti jagung. Air dari beberapa sumur yang dipakai untuk irigasi di Texas
Salinitas Menekan Pertumbuhan dan Fotosintesis pada Jenis yang Sensitif.
Tumbuhan dapat dibagi dalam 2 kelompok besar berdasarkan responnya pada konsentrasi tinggi garam. Halofita (Halophytes) adalah tumbuhan yang asli pada tanah2 salin dan menyelesaikan siklus hidupnya pada lingkungan yang demikian ini. Glikofita ( Glycophytes- secara leterlek ”tumbuhan manis”) atau non halofita yang tidak mampu untuk menahan garam sederajat halofita. Biasanya ada ambang konsentrasi dari garam garam diatas tadi dimana glikofita mulai menampakkan tanda hambatan pertumbuhan, perubahan warna daun, dan kehilangan bobot kering.
Diantara tanaman budidaya jagung, bawang merah, jeruk, pekan, selada, dan buncis adalah sangat sensitif terhadap garam, kapas dan barley toleran moderat; dan gula bit, kurma, adalah sangat toleran. Beberapa jenis yang sangat toleran terhadap garam seperti Suaela maritima (tumbuhan pada air asin), dan Atriplex nummularia (semak garam), mmperlihatkan stimulasi pertumbuhan pada konsentrasi Cl-beberapa kali lebih besar dari tingkat letal bagi tanaman yang sensitif.
Cedera Garam Melibatkan kedua Pengaruh Osmosis dan Ion Spesifik.
Solut terlarut pada zona perakaran menimbulkan potensi osmosis yang rendah (lebih negatif) yang menurunkan potensi air tanah. Keseimbangan air secara umum dari tumbuhan dengan demikian terpengaruh sebab daun perlu untuk mengembangkan potensi air yang bahkan lebih rendah untuk menjaga gradien yang menurun dari potensi air antara tanah dan daun. Pengaruh dari solut terlarut ini mirip dengan pengaruh dari defisit air tanah, dan sebagian besar tumbuhan merespon tingkat berlebihan dari salinitas tanah ini dengan jalan yang sama seperti digambarkan sebelumnya pada defisit air.
Suatu perbedaan besar antara lingkungan–potensi-air-rendah yang disebabkan oleh salinitas versus desikasi tanah adalah jumlah air yang tersedia. Dalam desikasi tanah sejumlah air tertentu dapat diperoleh dari profil tanah oleh tumbuhan yang menyebabkan penurunan yang terus menerus dari potensi air. Pada sebagian besar lingkungan yang salin sejumlah besar air tersedia pada potensi air yang konstan dan rendah.
Yang sangat penting disini adalah fakta bahwa sebagian besar tumbuhan dapat mengatur secara osmosis ketika tumbuh pada tanah salin. Pengaturan yang demikian mencegah hilangnya turgor (yang akan memperlambat pertumbuhan sel) sementara menghasilkan potensi air yang lebih rendah, tetapi tumbuhan2 ini sering berlanjut tumbuh lebih lambat setelah pengaturan ini untuk alasan yang tidak diketahui, yang sangat mengusik karena tidak terkait dengan turgor yang tidak cukup.
Gambar 6. Pertumbuhan beberapa species dengan perlakuan salinitas relatif terhadap kontrol yang tidak diperlakukan dengan salinitas. Kurva yang membagi wilayah itu didasarkan pada data dari species berbeda. Tumbuhan ditumbuhkan selama 1- 6 bulan
Disamping respon tumbuhan terhadap potensi air rendah, pengaruh toksisitas ion spesifik juga terjadi ketika konsentrasi cedera dari ion ion terutama Na+, Cl-, atau SO42-, terakumulasi dalam sel. Dibawah kondisi non-salin sitosol dari sel tumbuhan tinggi mengandung 100 samai 200 mM K+ dan 1 sampai 10 mM Na+, suatu lingkungan ionik dimana banyak ensim berfungsi optimal. Suatu rasio tinggi abnormal dari Na+ dan K+ dan konsentrasi yang tinggi dari total garam menginaktivasi ensim dan menhambat sintesis protein. Pada konsentrasi yang tinggi Na+ dapat mengganti Ca++ dari membran plasma rambut akar kapas , yang mengkibatkan suatu perubahan permiabilitas membran plasma yang dapat dideteksi sebagai kebocoran K+ dari sel.
Fotosintesis terhambat ketika konsentrasi tinggi Na+ dan/atau Cl- terakumulasi dalam kholoplast. Karena transpor elektron fotosintesis nampaknya relatif tidak sensitif terhadap garam, metabolisme karbon atau fosforilisasi mungkin yang terpengaruh. Ensim yang diekstrak dari jenis yang tahan garam, adalah sensitif pada adanya NaCl seperti ensim dari glikofita yang sensitif terhadap garam. Olehkarena itu resistensi halofita pada garam bukan sebagai konsekuensi dari metabolisme resisten garam. Sebaliknya ada mekanisme lain yang berperan penting menghindari cedera garam.
Tumbuhan menggunakan Strategi berbeda untuk Menghindari Cedera Garam
Tumbuhan meminimalkan cedera garam dengan mengeluarkan garam dari meristem, terutama pada tajuk, dan dari daun yang secara aktif berekspansi dan berfotosintesis. Pada tumbuhan yang sensitif terhadap garam, resistensi terhadap level moderat dari salinitas pada tanah tergantung sebagian pada kemampuan akar untuk mencegah ion yang secara potensial merusak itu untuk tidak sampai tajuk.
Ingat bahwa pita Caspari memberikan suatu hambatan pada gerakan ion kedalam xylem. Untuk menghindari pita Caspari ion ion itu perlu bergerak dari jalur apoplast kedalam jalur simpalst menyeberangi membran sel. Transisi ini memberikan pada tumbuhan yang resisten terhadap garam suatu mekanisme untuk secara parsial menolak ion ion yang dapat merusak.
Ion sodium masuk kedalam akar secara pasif (bergerak kearah yang lebih rendah mengikuti gradien potensi elektrokimia ) sehingga sel akar harus menggunakan energi untuk mengeluarkan Na+ secara aktif kembali kedalam larutan diluar sel. Sebaliknya, Cl- dicegah masuk dengan potensi listrik negatif dari membran sel, dan permeabilitas yang rendah dari membran plasma akar terhadap ion ini. Grakan ion Na+ kedalam daun lebih lanjut diminimalkan oleh absorpsi Na+ aliran transpirasi (cairan xylem) dalam gerakannya dari akar ke tajuk dan daun.
Beberapa tumbuhan resiten garam, seperti cedar garam (Tamarix sp.), dan semak garam (Atriplex sp.) tidak mencegah masuk ion di akar, tetapi sebaliknya mempunyai kelenjar garam pada permukaan daunnya. Ion itu ditransportasikan kekelenjar, dimana garam itu mengkristal dan tidak berbahaya lagi. Umumnya halofita mempunyai kapasitas yang lebih besar daripada glikofita untuk akumulasi ion pada sel tajuk.
Meskipun beberapa tumbuhan, seperti bakau, tumbuh pada lingkungan salin dengan suplai air berlimpah kemampuan untuk memperoleh air demikian itu memerlukan bahwa mereka membuat penyesuaian osmosis untuk memperoleh air dari lingkungan eksternal dengan potensi air yang rendah. Seperti telah dikupas sebelumnya dalam kaitannya dengan kekurangan air ( water deficit), sel tumbuhan menyesuaikan potensi airnya (Ψw) sebagai respon terhadap cekaman osmosis dengan menurunkan potensi solutnya (Ψs). Dua proses interseluler memberikan kontribusi pada penurunan Ψs : akumulasi ion dalam vakuola dan sintesis solut kompatibel dalam sitosol.
Seperti telah disebutkan sebelumnya solut kompatibel meliputi glisin betain ( Glycine Betaine), prolin, sorbitol, mannitol, pinitol, dan sukrosa. Famili tumbuhan tertentu cenderung memakai satu atau dua senyawa tersebut dalam preferensinya daripada yang lain. Jumlah karbon yang dipakai untuk sintesis dari solut organik ini dapat cukup besar ( kira2 10%dari bobot tumbuhan). Pada vegetasi natural diversi karbon untuk menyesuaikan potensi air tidak mempengaruhi survival, tetapi pada tanaman pertanian, ini dapat menurunkan pertumbuhan dan karena itu biomassa total serta hasil yang dapat dipanen.
Banyak halofita menunjukkan pertumbuhan optimum pada tingkat salinitas yang moderat, dan optimum ini berkorelasi dengan kapasitas untuk mengakumulasi ion dalam vakuola, dimana mereka dapat memberikan kontribusi pada potensi osmosis sel tanpa merusak ensim yang sensitif terhadap garam. Dalam derajat yang lebih kecil proses ini juga terjadi pada glikofita yang lebih sensitif terhadap garam, tetapi penyesuaian mungkin lebih lambat.
Disamping membuat penyesuaian pada potensi air, tumbuhan yang menyesuaikan pada cekaman garam mengalami aklimasi terkait dengan cekaman osmotik yang digambarkan sebelumnya untuk kekurangan air (water deficit). Cotohnya, tumbuhan yang diperlakukan pada cekaman garam dapat mengurangi luas permukaan daun dan/atau meluruhkan daun melalui absisi daun seperti episode cekaman osmotik. Disamping itu perubahan pada ekspresi gen yang berhubungan dengan cekaman osmotik adalah sama terkait dengan cekaman salinitas. Tetapi harus diingat, bahwa disamping aklimasi pada lingkungan dengan potensi air rendah, tumbuhan yang mengalami cekaman salinitas harus mengatasi toksisitas dari konsentrasi ion tinggi terkait dengan cekaman salinitas.
Eksklusi Ion adalah Kritikal untuk Aklimasi dan Adaptasi terhadap Cekaman Salinitas
Dalam istilah energi metabolik, pemakaian ion untuk mengimbangi potensi air jaringan pada lingkungan salin jelas mempunyai biaya energi yang lebih rendah untuk tumbuhan daripada pemakaian karbohidrat atau asam amino, produksi mana mempunyai biaya energi yang lebih tinggi secara signifikan. Pada sisi yang lain, konsentrasi ion yang tinggi adalah toksik untuk banyak ensim sitosol, sehingga ion2 itu harus diakumulasi didalam vakuola untuk meminimalkan konsentrasi toksik dalam sitosol.
Olehkarena NaCl adalah garam yang paling melimpah yang ditemui oleh tumbuhan dibawah cekaman garam, sistem transport yang memfasilitasi kompartemenasi dari Na+ kedalam vakuola adalah kritikal. Keduanya Ca2+ maupun K+ mempengaruhi konsentrasi Na+ intraseluler. Pada konsentrasi yang tinggi dari Na+, K+ absorpsi melalui transporter afinitas tinggi Na+- K+ , HKTI, dihambat dan transporter beroperasi seperti sistem absorpsi Na+. Sebaliknya kalsium memperkuat selektivitas K+/ Na+ dan dengan demikian menambah toleransi garam
Gambar 7.Protein transpor pada membran memediasi transpor Na, K, dan Ca selama cekaman salinitas. SOS1, antiport Na+/H+ membran plasma; ACA, Ca++/ATPase membran plasma/tonoplas; KUP1/TRH1, Co-transporter afinitas tinggi K+-H+; at HKT1, transporter masuk Na+ ; AKT1, Channel K+ masuk; NSCC, non selective cation channel; CAX1 atau 2, antiporter Ca++/H+; at NHX1,2 atau 5 antiporter Na+/H+ endomembran. Dalam gambar diperlihatkan juga protein yang diimplikasikan dalam homeostasis ion, tetapi identitas molekulnya belum diketahui atau belum dikonfirmasi. Ini meliputi protein channel Ca pada membran plasma maupun pada tonoplas, Pompa proton ATPase vakuola, dan pyrophosphatase. Perbedaan potensi membran pada membran plasma adalah tipial antara 120 -200 mV, negatif didalam sedang pada tnoplas 0-20 mV positif dalam vakuola.
Sodium Ditransportasikan Melewati Membran Plasma dan Tonoplas
Seperti telah didiskusikan pada bab transpor solut, pompa H+ pada membran plasma dan tonoplas menjadikan daya pendorong (H+ potensi elektrokimia) untuk transpor sekunder dari ion. ATPase terutama bertanggung jawab pada ∆ pH yang besar dan gradien potensi membran pada membran plasma. H+-ATPase vakuola menimbulkan ∆ pH dan potensi membran pada tonoplas.
Aktivitas dari pompa pompa ini diperlukan untuk transpor sekunder dari kelebihan ion terkait dengan respon tumbuhan terhadap cekaman salinitas. Hal ini ditunjukkan oleh penemuan bahwa aktivitas pompa H+ naik dengan salinitas dan ekspresi gen yang diindus (induced) merupakan sebagian dari regulasi naik.
Transport (keluar) Na+ yang energy dependent dari sitosol sel tumbuhan melewati membran plasma dimediasikan oleh produk gen SOS1 (Salt Overly Sensitive 1) yang berfungsi sebagai Na+- H+ antiporter. Antiporter SOS1 diregulat (regulated) oleh produk gen dari setidaknya dua gen lainnya, yang disebut sebagai SOS2 dan SOS3. SOS2 adalah serine/threonie kinase yang nampaknya diaktivasi oleh kalsium melalui fungsi SOS3 , sebuah phosphatase protein yang Ca-regulaed.
Kompartemenasi vakuola dari Na+ akibat sebagian dari aktivitas keluarga antiporter Na+-H+, seperti AtNHX1 Arabidobsis. Arabidopsis transgenik dan tanaman tomat yang mengekspresikan gen yang mensandi AtNHX1 memperlihatkan toleransi garam yang diperkuat. Penemuan molekuler ini contoh lain dari begitu banyak informasi yang timbul dari studi tumbuhan trasgenik, pengurutan (sequencing) gen, dan karakterisasi protein.
Gambar 8. Regulasi homeostasis ion dengan lintasan transduksi signal SOS, cekaman garam, dan level kalsium. Garis panah merah menunjukkan regulasi positif dari protein transpor yang terpengaruh, sedang panah biru mengindikasikan regulasi negatif. Protein yang diperlihatkan dalam warna kuning diaktivasi oleh cekaman salinitas. SOS1, antiporter Na+/H+ pada membran plasma; SOS2, serine/threonine kinase; SOS3, protein pengikat Ca++ ; HKTI, transporter Na kedalam; AKTI, channel K+ masuk; NSCC, Non selestive cation channel; NHX1,2 atau 5.transporter Na+/H+ endomembran; diperlihatkan dalam wrna orange adalah protein channel Ca yang belum dideterminasi; Cekaman salinitas mengaktivasi channels kalsium yang menyebabkan kenaikkan kalsium sitosol yang mengaktivasi rangkaian SOS melaluli SOS3. Rangkaian SOS harus meregulat negatif KHTI yang berikutnya meregulat AKTI secara sekunder. Pada saat yang sama rangkaian SOS menaikkan aktivitas SOS1 dan AKTI. Bekerja melalui faktor transkripsi yang belum diketahui rangkaian SOS menaikkan trnskripsi gen SOS1 sementara menurunkan transkripsi gen NHX. Pada level kalsium rendah NSCC dapat berfungsi sebagai sistem masuk alternatif dari sodium, tetapi transporter ini dihambat pada level kalsium tinggi. Perbedaan potensi membran pada membran plasma tipikal 120 – 200 mV, didalam negatif, sedang tonoplast adalah 0 – 20 mV didalam positif.
DEFISIENSI OKSIGEN
Akar biasanya memperoleh cukup oksigen (O2) untuk respirasi aerobik langsung dari pori udara dalam tanah. Pori yang dipenuhi gas pada tanah yang terturas baik dan berstruktur baik memungkinkan dengan cepat difusi gas O2 ke kedalaman beberapa meter. Konsekuensinya konsentrasi O2 didalam tanah mirip dengan konsentrasi pada udara yang lembab. Tetapi tanah dapat kebanjiran atau terendam air ketika penurasan buruk, atau ketika hujan atau irigasi berlebihan. Kemudian air mengisi pori pori tanah dan menghalangi difusi O2 pada fase gas. Oksigen terlarut berdifusi lambat sekali pada air yang stagnan yang hanya beberapa sentimeter dari tanah dekat permukaan yang masih teroksigenasi.
Ketika suhu rendah dan tumbuhan dorman penurunan oksigen lambat sekali, karena itu relatif tidak membahayakan. Akan tetapi ketika suhu tinggi (lebih besar dari 200C), konsumsi oksigen oleh akar tumbuhan dan fauna tanah serta mikroorganisme , dapat secara total menghabiskan oksigen dari keseluruhan air tanah dalam waktu sependek 24 am saja.
Tumbuhan yang sensitif terhadap penggenangan akan sangat menderita dalam 24 jam anoksia. Pertumbuhn dan suvival dari banyak jenis tumbuhan sangat tertekan dibawah kondisi demikian, dan hasil tanaman budidaya dapat sangat menurun. Misalnya, hasil buncis ( Pisum sativum) dapat tinggal separuh oleh 24 jam penggengan, yang menjadikan buncis ini contoh dari tumbuhan yang sensitif terhadap penggenangan. Tumbuhan lain, terutama jenis yang tidak teradaptasi untuk tumbuh pada kondisi yang terus menerus basah dan banyak tanaman budidaya dipengaruhi oleh penggenangan secara ringan dan dikatakan sebagai resistan terhadap penggengan. Tumbuhan yang toleran penggenangan dapat bertahan terhadap anoksia ( tidak ada oksigen) untuk sementara, tetapi tidak untuk periode berkepanjangan lebih dari beberapa hari.
Pada sisi yang lain, vegetasi alam terspesialisasi yang ditemukan pada lahan basah seperti marsh dan rawa , dan tanaman budidaya seperti padi, teradaptasi untuk menahan defisiensi oksigen pada lingkungan perakarannya. Tumbuhan pada lahan basah (wetlands) dapat menahan anoksia , dan mereka tumbuh dan survive untuk periode yang lama sampai beberapa bulan dengan lingkungan akarnya dalam keadaan anoksia. Sebagian besar dari tumbuhan ini mempunyai adaptasi khusus, yang memungkinkan oksigen tersedia pada lingkungan sekitar dapat mencapai jaringan yang berada dalam kondisi anoksia. Secara praktis semua tumbuhan memerlukan oksigen ketika mereka terlibat dalam aktivitas metabolisme yang cepat dan tumbuhan dapat diklasifikasi menurut waktu mereka dapat tahan terhadap kondisi anoksia pada lingkungan akarnya tanpa memeprlihatkan kerusakan yang substansial.
Pada bab berikut ini akan dibahas kerusakan yang disebaan oleh anaerobiosis pada akar dan tajuk, bagaimana tumbuhan lahan basah mengatasi dengan tekanan oksigen yang rendah , dan aklimasi berbeda terhadap cekaman anoksiayang membedakan antara jenis toleran penggenagan dan jenis rentan terhadap penggenagan.
Mikroorganisme Anaerobik aktif pada Tanah yang Jenuh Air.
Ketika tanah kehabisan molekul oksigen secara total, fungsi dari mikroba tanah menjadi signifikan untuk kehidupan dan pertumbuhan tumbuhan. Mikroorganisme tanah anaerobik ( anaerob) memeproleh energi dari reduksi nitrat (NO3-) ke nitrit (NO2-) atau ke dinitrogen oksida ( N2O)dan notrogen molekul (N2). Gas gas ini ( N2O dan N2) hilang ke atmosfir dalam suatu proses yang disebut denitrifikasi. Begitu keadaan menjadi lebih reduktif, mikroorganisme anaerob mereduksi Fe3+ menjadi Fe2+, dan karena solubi litasnya yang lebih besar Fe2+ dapat naik mencapai konsentrasi beracun ketika tanah menjadi anaerobik untuk beberapa minggu. Mikroorganisme anaerob yang lain mengkin mereduksi sulfat (SO42-) menjadi hidrogen sulfida (H2S) yang merupakan racun respirasi.
Ketika mikroorganisme anaerob mempunyai suplai melimpah substrat organik, hasil metabolisme bakteri seperti asam asetat, dan asam butirat dilepas ke air tanah .dan asam ini bersma dengan senyawa sulfur tereduksi menjadi sebab dari bau tidak sedap dari tanah yng tergenang air. Semua substansi yang dibuat oleh mikroorganisme dibawah keadaan anaerob adalah toksik bagitumbuhan pada konsentrasi tinggi.
Akar rusak dalam lingkunan anoksik
Laju respirasi dan metabolisme akar dipengaruhi bahkan sebelum O2 habis total dari lingkungan akar. Tekanan Oksigen kritis (critical xygen pressure- COP) adalah tekanan oksigen dimana laju respirasi pertama diperlambat oleh kekurangan oksigen. COP untuk ujung akar jagung yang tumbuh pada larutan nutrient yang teraduk baik pada suhu 250C , adalah 0.20 atmosfir (20kPa, atau 20% O2 terhadap volume), hampir sama dengan konsentrasi oksigen pada udara ambien. Pada tekanan parsial oksigen ini, laju difusi dari oksigen terlarut dari larutan kedalam jaringan dan dari sel ke sel sukar sekali menyesuaikan dengan laju pemakaian oksigen. Akan tetapi, pucuk akar secara metabolik adalah aktif sekali, dengan laju respirasi dan hasil ATP sebanding dengan nilai dari jaringan mamalia.
Di zona lebih tua dari akar, dimana sel telah menua, bervakuola penuh dan laju respirasi lebih rendah, COP sering berada pada sebaran 0.1-0.05 atm. Ketika konsentrasi O2 dibawah COP, pusat akar menjadi anoksik (tidak ada oksigen samasekali) atau hipoksik (kekurangan oksigen secara parsial)
COP lebih rendah ketika respirasi melambat pada suhu lebih dingin, ini juga tergantung pada berapa bulky organ tersebut dan bagaimana rapat sel sel diatur.Buah yang besar dan bulky mampu untuk tetap aerobik penuh karena ruang antar sel yang besar yang mudah memungkinkankan terjadinya difusi gas. Untuk sek tunggal tekanan parsial oksigen serendah 0.01 atm (1% dalam fase gas) cukup memadai sebab difusi pada jarak pendek memastikan suplai O2 yang cukup bagi mitokhondria. Tekanan parsial yang sangat rendah dari O2 pada mitokhondria adalah cukup untuk menjaga fosforilasi oksidatif
Nilai Km ( Kosntanta Michaelis Menten) untuk sitokrom oksidase adalah 0.1 – 1.0 μM O2 terlarut , sebagian kecil dari konsentrasi oksigen terlarut berada dalam keadaan seimbangan dengan udara ( 277 μM pada 200C). Perbedaan yang besar antara nilai COP untuk organ atau jaringan dan keperluan O2 dari mitokhondria dijelaskan oleh difusi yang lambat dari oksigen terlarut dalam media cair.
Dalam keadaan tidak ada O2 , trannspor elektron dan fosforilisasi oksidatif dalam mitokhondri berhenti, siklus asam trikarboksilat tidak dapat beroperasi, dan ATP dapat diproduksi hanya dengan fermentasi. Dengan demikian ketika suplai oksigen tidak cukup untuk respirasi aerobik , akar pertama mulai memfermentasikan asam piruvat ( terbentuk dalam glikolisis) menjadi asam lakat, melalui aksi dari ensim lactate dehydrogenase (LDH). Pada ujung akar jagung, fermentasi laktat adalah sementara karena pH intraseluler yang rendah dengan cepat mendorong untuk merubah dari fermentasi lakat menjadi fermentasi alkohol. Perubahan ini terjadi karena terkait dengan perbedaan pH optimum dari ensim dalam sitosol.
Pada nilai pH yang masam LDH terhambat dan piruvat dekarboksilase diaktivasi. Hasil bersih ATP dari fermentasi hanya 2 mol ATP per mol gula heksosa yang direspirasikan (bandingkan dengan 36 mol ATP per mol heksose yang direspirasikab pada respirasi aerobik). Dengan demikian kerusakan metabolisme akar oleh defisiensi oksigen berasal sebagian dari krtidakadaan ATP untuk menunjang proses metabolisme penting.
Spktroskopi Nuclear Magnetic Resonance (NMR) digunakan untuk mengukur nilai pH dalam sel dari ujung akar jagung yang masih hidup dalam keadaan nondestruktif. Pada sel yang sehat, isi vakuol lebih masam (pH 5,8) daripada sitolasma ( pH 7,4). Tetapi dibawah keadaan defisiensi oksigen yang ekstrem, proton secara pelan2 bocor dari vakuola kedalam sitoplasma menambah keasaman yang terjadi dari limpahan awal fermentasi asam laktat. Perubahan ph ini ( asidosis sitosol) terkait dengan awal dari kematian sel.
Kelihatannya , transpor aktif H+ kedalam vakuola oleh ATPase pada tonoplas diperlambat oleh ketidakadaan ATP , dan tanpa altivitas ATPase perbedaan PH yang normal antara sitosol dan vakuola tidak dapat dipertahankan. Asidosis sitosol atau pemasaman sitosol secara permanen merusak metabolisme dalam sitoplasma sel tumbuhan tinggi, sama seperti anoksia yang terjadi pada sel hewan. Ini pada dasarnya adalah bahwa asidosis sitosol inilah yang menyebabkan kerusakan, dan waktu serta derajatnya pada mana ini dapat dibatasi adalah faktor utama yang membedakan species yang rentan dari yang tahan terhadap penggenangan.
 | |||||||
 |  | | |||||
Gambar 9. Dalam episode anoksia, piruvat yang diproduksi oleh glikolisis awalnya difermentasi menjadi laktat. Produksi proton oleh glikolisis dan lintas metabolisme lainnya, dan translokasi proton lewat mebran dan tonoplas juga menurun , menyebabkan penurunan pH sitosol. Pada pH yang lebih rendah aktivitas lactate dehydrogenase terhambat, dan pyruvat decarboxylase diaktivasi. Ini menyebabkan meningkatnya fermentasi etanol dan penurunan fermentasi laktat pada pH lebih rendah.
Lintasan fermenatsi etanol mengkonsumsi lebih banyak proton daripada lintasan fermentasi laktat. Ini meningkatkan pH sitosol dan menunjang kemampuan tumbuhan untuk survive terhadap episode anoksia.
Akar Rusak karena Kahat O2 Mencederai Tajuk.
Akar yang mengalami anoksia atau hipoksia tidak cukup energi untuk menunjang proses fisiologis pada mana tajuk tergantung. Penelitian telah menunjukkan bahwa kegagalan akar gandum atau barley untuk mengabsorbsi ion nutrisi dan mentransportnya kedalam xylem ( dan dari sana ketajuk) dengan cepat menyebabkan kekurangan ion dalam jaringan yang sedang berkembang dan tumbuh. Daun tua senes secara prematur, sebab realokasi elemen yang mobil dalam phloem (N,P,K) kepada daun yang lebih muda. Permiabilitas yang lebih rendah dari akar terhadap air sering menyebabkan penurunan potensi air daun dan daun menjadi layu, walaupun penurunan ini hanya sementara kalau stomata menutup yang mencegah kehilangan air lebih lanjut karena transpirasi.
Hipoksia juga mempercepat produksi prekursor dari etilen ACC ( 1-amino cyclopropane-1-carboxylic acid) pada akar. Pada tomat, ACC berjalan lewat cairan xylem ke tajuk, dimana, ketika bersentuhan dengan oksigen, dikonversikan oleh ACC oxidase menjadi eyilen. Permukaan atas (adaxial) dari tangkai daun tomat dan bunga matahari mempunyai sel yang responsif terhadap etilen yang (berekspansi) membesar lebih cepat ketika konsentrasi etilen tinggi. Jadi ekspansi mengakibatkan epinasti, pertumbuhan kebawah dari daun sedemikian rupa sehingga daun daun itu kelihatannya menggantung. Tidak seperti layu, epinasti tidak terkait dengan kehilangan turgor.
Pada beberapa spesies (misalnya buncis atau tomat) penggenangan menginduksi penutupan stomata dan kelihatannya tanpa adanya perubahan potensi air daun yang dapat dideteksi. Kekurangan oksigen pada akar seperti kekurangan air atau konsentrasi tinggi garam, dapat memacu produksi asam absisat (ABA) dan pergerakan ABA kedaun. Akantetapi, penutupan stomata dalam kondisi seperti ini disebabkan sebagian besar karena produksi ABA yang lebih oleh daun yang lebih tua dan lebih bawah. Daun2 demikian layu, dan mengekspor ABA nya kepada daun yang lebih muda yang lebih turgit dan menyebabkan penutupan stomata.
Organ yang terendam air dapat memperoleh oksigen melalui struktur khusus
Berbeda dengan species yang rentan penggenangan ataupun toleran terhadap penggenangan, vegetasi lahan basah (wetland vegetations) teradaptasi untuk tumbuh untuk periode yang panang pada tanah yang jenuh air. Bahkan ketika sebagian tajuk terendam air mereka tumbuh dengan jagurnya dan tidak memperlihatkan adanya cekaman.
Pada beberapa jenis tumbuhan lahan basah, seperti teratai (Nymphoides peltata) kondisi terendam air itu memerangkap etilen engogen, dan hormon itu memacu perpanjangan tangkai daun yang membawanya dengan cepat kepermukaan air sehingga daun dapat mencapai udara. Ruas batang padi air- dalam ( floating rice) merespon sama terhadap etilen yang terperangkap, sehingga daun selalu berada diatas permukaan air walaupun kedalaman air selalu bertambah. Dalam kasus gulma air Potamogeton pectinatus, satu jenis tumbuhan air monokotil, perpanjangan batang sendiri tidak sensitif terhadap etilen, tetapi perpanjangan itu ditunjang walaupun dalam keadaan anaerob oleh asidifikasi air disekelilingnya yang disebabkan oleh akumulasi CO2 dari respirasi.
Pada sebagian besar tumbuhan lahan basah, dan pada banyak tumbuhan yang beraklimasi dng baik pada kondisi basah, batang dan akar mengembangkan jaringan saluran udara yang terinterkoneksi secara longitudinal yang menyediakan lintasan dengan resistensi rendah bagi pergerakan oksigen dan gas lainnya. Udara masuk melalui stomata atau melalui lentisel batang atau akar dan berjalan secara difusi atau konveksi karena adanya perbedaan tekanan udara walaupun kecil.
Pada banyak tumbuhan lahan basah, dicontohkan oleh padi, sel sel dipisahkan oleh ruang antar sel yang dipenuhi oleh udara, yang membentuk jaringan diebut aerenkima, yang terbentuk pada akar independen dari ada stimuli lingkungan. Walaupun, pada beberapa jenis tumbuhan bukan lahan basah ( non-wetland plants) baik yang dikotil maupun monokotil kahat oksigen menginduksi pembentukan aerenkima pada dasar batang dan pada akar yang sedang tumbuh.
Pada ujung akar jagung, hipoksia memacu aktivitas ACC sintase dan ACC oksidase dengan demikian menyebabkan ACC dan etilen diproduksi lebih cepat. Etilen menyebabkan kematian dan disintegrasi sel kortek akar. Ruang yang tadinya ditempati sel-sel tadi menjadi kosong yang diisi udara yang akan memfasilitasi gerakan oksigen.
Kematian sel dengan isyarat etilen sangat selektif; sel yang tidak bernasib untuk mati tidak akan terpengaruh. Kenaikan konsentrasi Ca2+ didalam sitosol, diduga merupakan bagian dari lintasan transduksi isyarat etilen yang menuju kepada kematian sel. Bahan kimia yang menaikkan konsentrasi Ca2+ sitosol mendorong kematian sel dalam kondisi non induksi. Sebaliknya bahan kimia yang menurunkan konsentrasi Ca2+ sitosol menahan kematian sel pada akar yang mengalami hipoksia yang biasanya membentuk aerenkima. Kematian sel yang tergantng pada etilen sebagai respon terhadap hipoksia adalah contoh dari kematian sel terprogram.
Beberapa tumbuhan (atau bagian dari tumbuhan) dapat mentoleransi paparan pada kondisi anaerob untuk periode yang lama ( minggu atau bulan) sebelum mengembangkan aerenkima. Mereka ini meliputi embrio dan koleotil dari padi dan Echinochloa crussgalli var.oryzicola (rumput jajagoan) dan rizoma ( batang bawah tanah) dari Schoenoplectus lacustris, Scirpus maritimus dan Thypa ngustifolia . Rizoma ini dapat tahan hidup beberapa bulan dan mengembangkan daunnya dalam atmosfir yang anaerob.
Di alam dengan empat musim, rizoma bertahan dalam musim dingin (winter) dalam lumpur anaerob dipinggiran danau. Pada usim semi begitu daun berkembang diatas lumpur atau diatas permukaan air, O2 berdifusi melalui aerenkima kebawah menuju rizoma. Metabolisme kemudian berubah dari cara anaerob (fermentasi) menjadi cara aerob, dan akar mulai tumbuh dengan memanfaatkan oksigen yang ada. Begitu juga dalam perkecambahan biji padi dan biji jajagoan, koleoptil menyibak permukaan air dan menjadi lintasan difusi untuk O2 (snorkel) keseluruh bagian tumbuhan. (walaupun padi adalah jenis tumbuhan lahan basah, akarnya tidak toleran anoksia seperti akar jagung )
Begitu akar memanjang mencapai tanah yang kahat oksigen, pembentukan arenkima yang berkesinambungan dibelakang pucuk akar memungkinan gerakan oksigen dalam akar untuk mensuplai zona apikal. Pada akar padi dan tumbuhan spesifik lahan basah lainnya pembatas struktural dari sel sel bersuberin dan berlignin mencegah difusi oksigen keluar kedalam tanah. Dengan oksigen yang dijaga demikian ini mensuplai meristem pucuk dan memungkinkan pertumbuhan berlangsung 50 cm atau lebih kedalam tanah anaerob.
Sebaliknya akar dari species yang bukan lahan basah, seperti, misalnya jagung oksigen bocor, dan gagal mengkonservasinya seefisien pada jenis lahan basah. Dengan demikian pada pucuk akar dari tumbuhan ini, oksigen internal dalam akar tidak cukup untuk respirasi aerob, dan kekurangan oksigen ini sangat membatasi kedalaman pada mana akar demikian dapat memanjang kedalam tanah anaerob.
Segaian besar jaringan tumbuhan tidak dapat mentolerir kondisi anaerob
Sebagian besar jaringan tumbuhan tinggi tidak dapat bertahan hidup pada kondisi anaerob yang lama. Pucuk akar jagung misalnya, tetap vaibel (hidup) hanya untuk 20 – 24 jam ketika dengan tiba2 diputus suplai oksigennya. Dibawah anoksia, beberapa ATP dihasilkan dengan lambat melalui fermentasi, tetapi status energi dari sel dengan perlahan menurun dalam asidosis sitoplasma. Kombinasi yang tepat dari karakter biokimia yang memungkinkan beberapa sel mentolerir anoksia untuk periode yang panjang belum difahami dengan sempurna. Ujung akar jagung dan serealia lainnya menunjukkan suatu tingkat aklimasi sedang apabila mereka dibuat hipoksia dulu, dengan demikian mereka dapat tahan hidup sampai 4 hari anoksia.
Aklimasi terhadap kondisi anaerobik diasosiasikan dengan ekspresi gen yang mengkode banyak protein cekaman anaerob. Setelah aklimasi kemampuan untuk melaksanakan fermentasi etanolik dibawah kondisi anoksi ( dengan dmikian memproduksi ATP untuk menjaga metabolisme tetap berlangsung) menjadi lebih baik, dan perbaikan ini disertai dengan kemampuan mentransportasikan asam laktat keluar dari sitosol kedalam medium external, dengan demikian meminimkan asidosis sitosol.
Kemampuan organ dari tumbuhan lahan basah untuk mentolerir anoksia kronis mungkin tergantung pada strategi yang mirip dengan yang diuraikan diatas, tetapi mereka jelas memakainya dengan dampak yang lebih besar: masalah yang kritis kelihatannya pengendalian pH sitosol, pembentukan ATP secara kontinyu oleh glikolisis dan fermentasi dan penyediaan bahan bakar yang cukup untuk respirasi anaerob untuk periode yang lama. Telah difikirkan bahwa sintesis alanin, suksina dan asam γ-amino butarat dalam keadaan anoksia mengkonsumsi proton dan meminimkan asdosis sitosol. Bukti pada pengaruh ini ditemukan pada tajuk padi dan jajagoan yang toleran terhadap anoksia, tetapi tidak pada tajuk gandum dan jelai yang peka terhadap anoksia.
Organ dari species yang bergantian antara metabolisme anaerob dan aerob memerlukan untuk urusan dengan konsekuensi masuknya O2 mengikuti anoksia. Jenis oksigen yang sangat reaktif dihasilkan dalam metabolisme aerob dan ini biasanya didetoksifikasi oleh mekanisme pertahanan sel yang melibatkan superoksida dismutase. (SOD). Ensim ini merubah radikal superoksida menjadi hidrogen peroksida yang kemudian dirubah menjadi air oleh ensim peroksidase.
Pada rizoma yang toleran terhadap anoksia dari Iris pseudacarus, aktivitas SOD naik 13x lipad selama 28 hari anoksia. Kenaikan ini tidak terlihat pada rizoma Iris lain species yang tidak toleran terhadap anoksia. Pada species yang toleran , SOD mungkin tersedia untuk mengatasi masalah masuknya O2 yang terjadi ketika daun muncul kedalam udara dari air atau lumpur, sehingga ia mungkin membantu mengatasi cekaman pasca anoksia.
Aklimasi pada kekahatan O2 melibatkan sintesis protein cekaman anaerob
Ketika akar jagung dibuat anoksia, sintesis protein berhenti kecuali prouksi yang terus berlanjut bagi kira2 20 polipeptida. Sebagian besar dari protein cekaman anaerob ini diidentifikasi sebagai ensim dari lintasan glikolisis dan fermentasi.
Mekanisme untuk merasakan tingkat oksigen yang berkurang dibawah kondisi hipoksia atau anoksia belum jelas benar. Tetapi, satu peristiwa terawal yang terjadi yang mengikuti turunnya tingkat konsentrasi oksigen adalah naiknya konsentrasi Ca2+ dalam sel. Peristiwa itu menunjukkan bawa isyarat calsium ini terkait dengan transduksi isyarat dari anoksia. Dalam beberapa menit setelah terjadinya anoksia, kenaikan konsentrasi Ca2+ sitosol berperan sebagai isyarat yang menuju pada meningkatnya tingkat mRNA dari alkohol dehidrogenase (ADH) dan sukrosa sintase pada sel jagung dalam kultur sel.
Bahan kimia yang memblokir kenaikan konsentrasi Ca2+ sel juga mencegah ekspresi gen ADH dan sukrosa sintase dari induksi oleh anoksia, dan mereka itu juga menambah kepekaan kecambah jagung terhadap anoksia. Penelitian lajutan kiranya masih diperlukan untuk menuntaskan mekanisme dan menerangkan bagaimana konsentrasi Ca2+ memberikan isyarat survival awal dari sel dibawah anoksia, dan juga induksi kematian sel dan pembentukan aerenkima dalam hipoksia yang berkepanjangan.
Akumulasi mRNA dari gen cekaman anaerob adalah akibat dari perubahan laju transkripsi dari gen itu. Analisis dari elemen sekuen umum dalam promoter dari gen ADH jagung dan Arabidopsis dan gen cekaman anaerob lainnya mengakibatkan identifikasi elemen cekaman anaerob dan elemen kotak-G yang mengikat faktor transkripsi cis-acting yang mengakibatkan aktivitas transkripsi dari egn ini. Akan tetapi detail rinci dari bagaimana kahat oksigen dirasakan, bagaimana isyarat ditransduksikan melalui peningkatan Ca2+ sitosol yang mengakibatkan perubahan dalam transkripsi gen tertentu , masih harus dijelaskan.
Perhatikan juga bahwa ada bukti kuat bahwa beberapa tipe pengendalian translasi dari gen cekaman anaerob juga terjadi. Efisiensi dengan mana mRNA untuk gen yang diregulasi oleh cekaman bukan anaerob ditranslasikan mengikuti cekaman hipoksia adalah sangat lebih rendah dari gen yang diregulasikan oleh cekaman seperti ADH.
Posted in: Artikel
3 komentar:
tq banget gan...................
ok...u r wlcome gan
Bagus banget isinya, lumayan lengkap walaupun agak kurang mendalam. Namun ada nama latin yang salah itu buncis nama latinnya Phaseolus vulgaris, sedang Pisum sativum itu nama latin untuk kacang kapri.
Posting Komentar