Serangan Patogen Dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis
advertisement
1 KARYA TULIS Serangan Patogen Dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon Oleh YUNASFI NIP. 132288490 DEPARTEMEN KEHUTANAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2008 Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 2 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan berkahnya sehingga penulis dapat menyelesaikan tulisan ini. Terjadinya penyakit pada pohon hutan disebabkan ol eh interaksi antara patogen, inang (pohon) dan lingkungan. Penyakit pada pohon hutan a kan me mberikan dampak ya ng merugikan bagi pohon, karena terganggunya pertumbuhan da n perkembanga n pohon. Pe rke mbangan pohon yang tidak norma l akibat seranga n penyakit, menye babkan menurunnya kualitas dan kuantitas produksi kayu yang dihasilkan. Patogen sebagai satu komponen penyebab penyakit pada pohon, da pat berkontribusi terhadap gangguan proses fis iologis pada pohon. Dala m tulisan ini diuraikan pengaruh serangan patoge n terhadap berbagai proses-proses fisiolgis yang terjadi pada pohon. Akibat serangan patogen banyak proses fisiolgis yang terganggu pada pohon diantaranya proses fotosintesis, respirasi dan lainlain. Diharapakn se moga tulisan ini bermanfaat,dalam rangka pengendalian penyakit hutan. Penulis, Yunas fi Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 3 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR i DAFTAR ISI ii DAFTAR GAMBAR iii I. II. III IV PENDAHULUAN 1 1.1. Inokulasi 1 1.2. Penetrasi 1 1.3. Infeksi 2 1.4. Penyerangan (Invasi) 2 1.5. Pertumbuhan dan Reproduksi 3 1.6. Pemencaran 3 TERGANGGUNYA PROSES FOTOSINTESIS DAN RESPIRASI PADA POHON YANG TERSERANG PATOGEN 2.1. Terganggunya proses fotosintesis pada pohon yang terserang patogen 2.2. Terganggunya proses respirasi pada pohon yang terserang patogen HUBUGAN BIOSINTESIS ASAM NUKLEAT, ASAM AMINO DAN PROTEIN ; PERUBAHAN-PERUBAHAN FISIOLOGIS YANG TERJADI PADA POHON YANG SAKIT APABILA METABOLISME N DAN P NYA TERGANGGU 3.1. Perubahan-perubahan fisiologis pada pohon yang sakit apabila metabolisme N dan P nya terganggu MEKANISME PENGGUNAAN ENZIM PEKTINASE DAN SELULASE OLEH PATOGEN DALAM MERUSAK DINDING SEL 5 5 6 10 15 16 4.1. Mekanisme penggunaan enzim pektinase 16 4.2. Mekanisme penggunaan enzim selulase 17 4.3. PERAN ENZIM PROKSIDASE DAN POLIFENOLOKSIDASE PADA INANG SEBAGAI PERTAHANAN TERHADAP PATOGEN PUSTAKA ACUAN 22 Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 25 4 DAFTAR GAMBAR No. Teks 1. Komponen penyusun asam nukleat 2. Sebagian rantai asam nukleat yang menunjukan ikatan antara nukleotida-nukleotida penyusunnya. 3. Ikatan hidrogen yang berperan dalam pembentukan struktur spiral ganda molekul DNA, antara pasangan Thimin-Adenin dan Sitosin-Guanin. 4. Skema yang mewakili struktur dan komposisi dinding sel 5. Perombakan rantai pektin oleh tiga jenis pektinase menjadi molekulmolekul yang dimodifikasi dan lebih sederhana Halaman 11 12 13 16 17 6. Mekanisme Hidrolisis Selulosa secara Enzimatis (Norkrans, 1967) 29 7. Skema tahap-tahap hidrolisis selulosa secara enzimatis (Sasaki, 1982). 21 8. Bentuk-bentuk akohol lignin 23 9. Cara-cara akohol bergabung dalam lignin 24 Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 5 I. PENDAHULUAN Pada suatu penyakit infektif, terjadi keadaan yang sedikit banyaknya dapat dibedakan dalam suatu suksesi dan membawa pada perkembangan dan melestarikan keadaan penyakit dan patogen. Kejadian-kejadian utama yang terjadi dalam satu siklus penyakit adalah inokulasi, penetrasi, pembentukan infeksi, penyerangan (invasi), pertumbuhan dan reproduksi patogen, pemencaran patogen. 1.1. Inokulasi Inokulasi adalah terjadinya kontak antara patogen tumbuhan. Patogen-patogen yang sampai dan menyebabkan terjadinya kontak dengan tumbuhan disebut inokulum. Inokulum adalah bagian patogen yang dapat memulai infeksi. Pada fungi inokulum dapat berupa spora, sklerotium atau bagian-bagian miselium. Pada bakteri dan virus selalu berupa keseluruhan individu bakteri dan virus. 1.2. Penetrasi Patogen mempenetrasi permukaan tumbuhan secara langsung melalui lubanglubang alami, atau melalui luka. Fungi ada yang dapat melakukan penetrasi dengan satu cara dan ada yang dua cara. Bakteri umumnya masuk melalui luka, jarang melalui lubang alami dan tidak pernah secara langsung. Adapun virus dapat masuk melalui luka yang dibuat vektornya dan juga melalui luka-luka mekanik yang disebabkan oleh alat-alat pertanian. Proses penetrasi ini dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu : a. Penetrasi langsung melalui permukaan yang utuh, seperti jamur Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 6 mempenetrasi tumbuhan inangnya dengan menggunakan apresorium. b. Penetrasi melalui luka, seperti semua bakteri, sebagian besar fungi dan beberapa virus. c. Penetrasi melalui lubang-lubang alami, banyak fungi dan bakteri masuk ke dalam tumbuhan melalui stomata, hidatoda, nektartoda dan lentisel. 1.3. Infeksi Infeksi adalah proses saat patogen melakukan kontak dengan sel atau jaringan tumbuhan yang rentan dan mendapatkan makanan dan tumbuhan tersebut. Infeksi yang berhasil akan mengakibatkan timbulnya bagian yang berubah warna, berubah bentuk, atau nekrosis pada tumbuhan inang yang disebut gejala, dan ada yang tidak menghasilkan gejala yang disebut laten dan gejala ini akan kelihatan pada waktu berikutnya di saat kondisi lingkungan lebih menguntungkan. Interval waktu antara inokulasi dengan munculnya gejala penyakit disebut periode inkubasi. Lama periode inkubasi berbagai penyakit bervariasi, khususnya dengan kombinasi inang-patogen, dengan tingkat perkembangan inang, dan dengan suhu lingkungan tumbuhan yang terinfeksi. 1.4. Penyerangan (Invasi) Patogen dengan jenis yang berbeda akan menyerang inang dengan cara yang berbeda pula. Sebagian besar fungi masuk kedalam bagian organ-organ tumbuhan (daun, batang, akar) yang diinfeksinya, baik dengan jalan tumbuh menembus selmiselium, atau dengan jalan tumbuh di antara sel-sel miselium interseluler. Bakteri menyerang jaringan tumbuhan secara interseluler, namun demikian apabila bagian selnya terurai, maka bakteri juga dapat tumbuh secara intraselular. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 7 Virus menyerang jaringan tumbuhan dengan berpindah dari sel ke sel secara intraselular. Banyak infeksi yang disebabkan oleh fungi, bakteri, virus, nematoda dan tumbuhan tingkat tinggi parasit bersifat lokal yaitu patogen melibatkan satu sel, beberapa sel atau sebagian kecil sel tumbuhan. Selain itu ada infeksi alami bersifat sistemik yaitu patogen dan titik awal infeksi menyebar dan menyerang sebagian besar atau seluruh sel atau jaringan yang rentan dan seluruh bagian tumbuhan. 1.5. Pertumbuhan dan Reproduksi Sebagian besar patogen baik yang menghasilkan bercak kecil, bagian yang terinfeksi lebih meluas atau nekrosis umum yang terdapat pada tumbuhan, pertumbuhan dan perkembangannya terus berlanjut terusmenerus di dalam inang yang terinfeksi tanpa henti, sehingga individu patogen terus menyebar. Sedangkan patogen lain - bakteri, virus - ukurannya tidak banyak meningkat, karena bentuk dan ukurannya relatif tidak berubah selama masa hidupnya. Fungi berkembangbiak dengan spora, yang mungkin terjadi secara aseksual ataupun secara seksual. Sebagian besar fungi patogenik tumbuhan menghasilkan miselium hanya dalam tumbuhan yang terinfeksi. Hanya sedikit fungi yang menghasilkan miselium pada permukaan tubuh inangnya. Bakteri berkembangbiak dengan cepat di dalam jaringan yang terinfeksi. Di bawah kondisi makanan dan lingkungan yang optimal bakteri membelah diri setiap 20 sampai 30 merit. Virus berkembangbiak di dalam sel-sel inang yang hidup - partikel virus baru pertama-tama dapat dideteksi beberapa jam setelah infeksi. Setelah itu partikel-partikel virus akan terakumulasi di dalam sel-sel hidup yang terinfeksi hingga dapat mencapai 100.000 sampai 10.000.000 partikel virus dalam satu sel tunggal. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 8 1.6. Pemencaran Hampir semua penyebaran patogen yang bertanggung jawab terhadap ledakan penyakit tumbuhan, dilakukan secara pasif oleh agensia-agensia seperti udara, air, serangga dan hewan-hewan tertentu serta manusia. a. Pemencaran oleh udara Aliran udara melepaskan spora dan biji dan sporofor, atau sewaktu spora dan biji tersebut dikeluarkan secara paksa atau jatuh pada saat matang, dan tergantung pada turbulensi dan kecepatan aliran udara. b. Pemencaran oleh air Air penting bagi penyebaran patogen dalam tiga hal; (1) Bakteri nematoda dan spora, sklerotium dan bagian miselium fungi yang terdapat dalam tanah disebarkan oleh air hujan atau air irigasi, (2) Bakteri dan spora banyak jenis fungi terlarut ke dalam larutan yang dapat melengket dan penyebarannya tergantung kepada air hujan dan air irigasi, (3) Butir-butir hujan yang jatuh atau air irigasi yang disemprot dari atas akan mengambil spora fungi dan bakteri yang terdapat di udara. c. Pemencaran oleh serangga Serangga, khususnya aphid dan wereng, merupakan vektor virus yang paling penting, disamping itu wereng juga vektor utama mikoplasma dan bakteri fastidious. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 9 II. TERGANGGUNYA PROSES FOTOSINTESIS DAN RESPIRASI PADA POHON YANG TERSERANG PATOGEN 2.1. Terganggunya proses fotosintesis pada pohon yang terserang patogen Fotosistesis merupakan proses satu-satunya sumber semua energi yang dapat dimanfaatkan oleh sel tumbuhan dan hewan. Proses fotosintesis adalah proses sintesa senyawa organik dari senyawa-senyawa anorganik biasanya berupa CO2 dan H20 dengan bantuan energi matahari dari sel-sel yang mengandung klorofil, dapat digambarkan sebagai berikut : cahaya 6 CO2 + 6 H2O Karena klorofil pentingnya peranan C6 H12 06 + 6 O 2 fotosintesis dalam kehidupan tumbuhan, maka apabila ada serangan dari patogen pada tumbuhan mengakibatkan terganggunya proses fotosintesis dan tanaman akan menjadi sakit. Gangguan patogen terhadap prses fotosintesis jelas terlihat dari klorosis yang terjadi pada banyak tumbuhan yang terinfeksi, dari luka nekrotik atau nekrotik meluas yang dihasilkan patogen pada bagian tumbuhan hijau dan menurunnya pertumbuhan dan jumlah buah yang dihasilkan pada tumbuhan yang terinfeksi. Perubahan utama akibat terserang patogen pada fotosintesis tumbuhan adalah terjadi perubahan dan fungsi dan kloroplas yang tidak normal, dimana terjadinya degenerasi yang dapat menghambat perkembangan pada jaringan yang muda. Selain itu terjadinya reduksi dan rRNA yang menyebabkan Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 10 terjadinya penurunan dan aktivitas ribosom. Adapun penyebab dan ketidaknormalan kloroplas ini diperkirakan karena adanya toksin yang dikeluarkan oleh patogen, selain itu toksin ini jugs dapat menghambat proses fotofosforilasi dan menekan sintesis klorofil. Pada beberapa penyakit yang disebabkan oleh fungi dan bakteri fotosintesis menurun karena toksin yang dihasilkannya, seperti tentoksin dan tabtoksin yang dapat menghambat enzim yang terlibat baik secara langsung maupun secara tidak langsung dalam proses fotosintesis. Infeksi patogen yang dapat menyebabkan terjadinya perubahan pada lubang stomata yang dapat mempengaruhi laju asimilasi, karena terhambatnya laju aliran CO 2 . Adanya perubahan dalam fiksasi CO 2 akan menyebabkan terjadinya perubahan dalam aktivitas enzim-enzim yang berperanan dalam proses fotosintesis dan menyebabkan terjadinya perubahan dalam metabolisme akumulasi asam amino dan asam organik dalam pelepasan gula dan gula posfat. Pada bercak daun, hawar, dan berbagai jenis penyakit lain yang menyebabkan kerusakan jaringan daun atau defoliasi (pengguguran daun) maka proses fotosintesis akan menurun, karena permukaan yang berfotosintesis pada tumbuhan menjadi berkurang. 2.2. Terganggunya proses respirasi pada pohon yang terserang patogen Respirasi (pernafasan) adalah suatu proses dimana sel melalui oksidasi (pembakaran) yang dikendalikan secara enzimatik terhadap karbohidrat dan asam lemak berenergi tinggi, membebaskan energi dalam bentuk yang dapat digunakan untuk berlangsungnya berbagai proses seluler. Pada dasarnya, sel tumbuhan melaksanakan respirasi dalam dua Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 11 langkah yaitu : 1. Perombakan glukosa menjadi pirufat melalui reaksi glikolisis atau melalui reaksi yang lebih pendek, yaitu rangkaian reaksi pentosa (pentosa pathway). 2. Perombakan pirufat yang menghasilkan CO2 dan air melalui reaksi yang dikenal dengan siklus Kreb, yaitu diiringi dengan oksidasi akhir (terminal oxidation). Di bawah keadaan normal (aerobik), yaitu apabila terdapat oksigen, kedua langkah tersebut dapat berlangsung, dan satu molekul glukosa menghasilkan hasil akhir enam molekul CO2 dan enam molekul air dapat digambarkan sebagai berikut : C6 H12 06 + 6 02 6 CO2 + 6 H2 0 Langkah pertama respirasi memberikan dua molekul ATP per mol glukosa, dan langkah kedua memberikan sisanya. Akan tetapi, di bawah kondisi anaerob (tanpa oksigen) pirufat tidak dapat dioksidasi, tetapi mengalami fermentasi dan menghasilkan asam laktat atau alkohol. Penggandaan oksidasi glukosa dengan penambahan fosfat ke ADP menghasilkan ATP disebut posforilasi oksidatif (oxidative phosphorylation). Aktivitas sel yang membutuhkan energi yang tersimpan pada ATP, secara simultan merombak ATP menjadi ADP dan posfat arorganik. Selanjutnya terdapatnya ADP dan posfat di dalam sel, akan merangsang laju respirasi. Jumlah ADP dan posfat di dalam sel ditentukan oleh laju penggunaan energi, selanjutnya laju tersebut menentukan laju respirasi dalam jaringan tumbuhan. Energi yang dihasilkan melalui respirasi digunakan oleh Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 12 tumbuhan untuk semua jenis kerja seluler, seperti penumpukan dan mobilisasi senyawasenyawa, sintesis protein, mengaktifkan enzim pertumbuhan dan pembelahan sel, reaksi-reaksi pertahanan dan proses-proses inang lainnya. Kekompleskan respirasi, jumlah enzim yang terlibat dalam respirasi, kejadiannya dalam setiap sel, dan pengaruhnya yang luas terhadap fungsi dan keberadaan sel maka respirasi merupakan salah satu fungsi pertama yang dipengaruhi di saat tumbuhan diinfeksi patogen. Pada saat tumbuhan diinfeksi patogen, umumnya laju respirasi meningkat, berarti jaringan terserang patogen menggunakan cadangan karbohidratnya lebih cepat dibanding dengan jaringan yang sehat. Infeksi tumbuhan oleh fungi, bakteri dan virus umumnya menunjukan gejala yang sama yaitu meningkatnya laju respirasi, yang dapat dilihat sebagai fenomena yang umum dalam fisiologi penyakit tanaman. Tapi kondisi ini tidak spesifik disebabkan oleh petogen saja, tapi juga disebabkan oleh beberapa bahan kimia dan gangguan mekanik. Respirasi meningkat lebih cepat pada infeksi yang terjadi varitas tahan, yang dibutuhkan dan digunakan untuk produksi atau mobilitas mekanisme pertahanan sel yang lebih cepat. Hal ini terjadi karena meningkatnya konsumsi 02 yang ditunjukan oleh adanya gejala nekrotik baik itu disebabkan oleh virus, fungsi atau bakteri. Selanjutnya pada fase-fase perkembangan penyakit pada tanaman resisten peningkatan respirasi akan lebih cepat dan akan berkurang secara perlahan-lahan. Pada penghilangan effek Pasteur, jaringan tanaman yang diinfeksi oleh jamur dan bakteri, menunjukan penurunan efisiensi respirasi, hal ini terjadi karena meningkatnya penyerapan O 2 . Di sini dapat dijelaskan bahwa peningkatan respirasi akan mempengaruhi proses sintesis dalam penggunaan ATP atau Uncoupling dan fosforilasi oksidasi. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 13 Peningkatan respirasi kadang-kadang juga diikuti oleh peningkatan fermentasi secara luar biasa dibanding dengan yang terjadi pada tumbuhan sehat, mungkin sebagai akibat meningkatnya kebutuhan energi pada tumbuhan yang sakit karena pada keadaan respirasi aerob yang normal tidak dapat menyediakan energi yang mencukupi. Ada beberapa sebab peningkatan respirasi pada tumbuhan yang terserang patogen antara lain : 1. Tidak berpasangannya fosforilasi oksidatif Pada kondisi ini, energi (ATP) yang tidak dapat digunakan, dihasilkan melalui respirasi yang normal meskipun menggunakan ATP yang ada dan akumulasi ADP, yang merangsang respirasi. 2. Sebagai akibat peningkatan metabolisme Pada banyak penyakit tumbuhan, pertama-tama tumbuhan dirangsang, aliran protoplasmik meningkat, dan bahan-bahan disintesis, ditranslokasikan, dan diakumulasikan pada bagian yang sakit. Energi yang dibutuhkan untuk melaksanakan aktivitasaktivitas tersebut berasal dan ATP yang dihasilkan melalui respirasi. Jika lebih banyak ATP yang digunakan maka lebih banyak pula ADP yang dihasilkan dan selanjutnya merangsang respirasi. Pada proses respirasi juga dapat mengakibatkan terjadinya perubahan katabolisme glukosa. Perubahan pada lintasan EmbdenMeyerhof-Parnas terjadi perubahan lintasan pentosa posfat pada jaringan yang diparasit oleh fungi, virus dan bakteri. Perubahan ini adalah tidak spesifik tergantung pada tipe luka, umur, stress yang mempengaruhi terjadi infeksi. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 14 III. HUBUGAN BIOSINTESIS ASAM NUKLEAT, ASAM AMINO DAN PROTEIN ; PERUBAHAN-PERUBAHAN FISIOLOGIS YANG TERJADI PADA POHON YANG SAKIT APABILA METABOLISME N DAN P NYA TERGANGGU Asam nukleat terdiri atas dua jenis, yakni asam ribonukleat (RNA) dan asam deoksiribonukleat (DAN). Masing-masing tersusun dan molekul yang disebut nukleotida. Nukleotida terbentuk dan asam fosfat, gula pentosa, dan senyawa basa purin (adenin dan guanin) atau basa pirimidin (timin dan sitosin). Nukleotida RNA mengandung gula ribosa, sedangkan nukleotida DNA mengandung gula deoksiribosa yang memiliki kurang satu atom oksigen dibanding ribosa. RNA dijumpai pada seluruh bagian sel, dimana RNA berperan dalam sintesis protein, sedangkan DNA hanya dijumpai pada inti sel. DNA merupakan bagian utama kromosom. Pemecahan asam nukleat menjadi komponen penyusunnya dapat dilihat pada Gambar 1, sedangkan bentuk ikatan dalam penggabungan nukleotida dapat dilihat pada Gambar 2. DNA umumnya berbentuk spiral ganda (Double helix). Bentuk spiral ganda ini terjadi karena adanya ikatan hidrogen antara atom H dan 0 atau N dan basa purin dan pirimidin. Pasangan antara basa purin dan pirimidin yang saling tank menarik oleh ikatan hidrogen dalam struktur spiral ganda adalah sangat spesifik, dimana adenin selalu berpasangan dengan timin, sedangkan guanin selalu berpasangan dengan sitosin dapat dilihat pada Gambar 3. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 15 Gambar 1. Komponen penyusun asam nukleat Penyusun utama protein adalah carbon, hidrogen, oksigen, nitrogen dan sulfur. Adapun monomer dari protein adalah asam amino, yang mana suatu molekul asam amino terdiri atas suatu gugusan karboksil (-COOH) dan gugusan amino (-NH2 ). Sintesis protein merupakan proses perangkaian asam-asam amino sehingga membentuk suatu rantai yang panjang. Rantai asam amino ini disebut polipeptida. Molekul protein dapat terdiri atas satu atau lebih rantai polipeptida dimana masingmasing rantai polipeptida terdiri atas ratusan unit asam amino. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 16 Gambar 2. Sebagian rantai asam nukleat yang menunjukan ikatan antara nukleotida-nukleotida penyusunnya. Pada DNA, selalu terdapat molekul adenin (kelompok nukleotida purin) sebanyak molekul timin (kelompok pirimidin) dan molekul guanin (purin) sebanyak molekul sitosin dan 5 metilsitosin (pirimidin). Nukleotida Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 17 tersebut bersambungan membentuk rantai panjang dan setiap molekul DNA terdiri atas dua rantai yang memilin bersama-sama bagaikan dua pegangan tangga yang berbentuk spiral, sehingga membentuk heliks rangkap. Struktur nukleotida sedemikian rupa sehingga adenin pada rantai yang satu selalu berpasangan dengan timin pada rantai kedua yang berhadapan dan guanin selalu berpasangan dengan sitosin. Gambar 3. Ikatan hidrogen yang berperan dalam pembentukan struktur Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 18 spiral ganda molekul DNA, antara pasangan Thimin-Adenin dan Sitosin-Guanin. Urutan nukleotida pada DNA menentukan urutan komplementer nukleotida pada molekul RNA yang dapat dilihat pada proses transkripsi. Hanya satu dari kedua unting DNA pada gen yang membawa kendali tersandi untuk mensintesis protein kadang disebut unting bermakna. Pada transkripsi, kedua rantai DNA terberai dan terpisah : unting bermakna tersebut berfungsi sebagai tempat untuk sintesis RNA. Pada sintesis protein, urutan nukleotida yang terdiri dari empat macam nukleotida di m RNA melaksanakan translasi untuk urutan asam amino protein. Pada tahap pertama, asam amino berinteraksi dengan ATP dalam reaksi yang dikatalisatori enzim yang melepaskan pirafosfat dari ATP dan menggabungkan asam amino tersebut dengan AMP. Pada tahap kedua, asam amino dipindahkan dari AMP ke molekul RNA pemindah (t RNA) yang tepat, membentuk komplek aminoasil-t RNA, yang terlepas dari pembentukannya. Sebagian besar energi awal ATP dipindahkan ke komplek aminoasil-t RNA jadi ini merupakan pengaktifan asam amino. Bagian dari molekul t RNA yang terdiri dari tiga nukleotida membentuk antikodon. Urutan ini terletak pada molekul t RNA, sehingga terbentuk ikatan komplementer dengan urutan tiga nukleotida yang disebut kodon pada unting m RNA. Pengaturan posisi tersebut membuat molekul t RNA, yang masing-masing membawa asam amino khasnya, dapat sebaris dengan unting m RNA, sehingga asam amino akan berada pada urutan yang tepat. Nitrogen merupakan penyusun asam amino, amida, purin dan protein serta nukleoprotein. Enzim mengandung molekul protein yang berantai panjang dan kompleks serta kelompok reaktif yang bukan protein yang umumnya suatu nutrien makro. Asam amino memiliki N yang melekat pada posisi alfa dan juga Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 19 memiliki N dalam cincinnya seperti pada triptopan. Nitrogen juga merupakan bahan penyusun dari sekumpulan senyawa yang disebut alkaloid dimana senyawa ini diperkirakan sebagai senyawa cadangan N. Fosfor merupakan komponen struktural dan sejumlah senyawa penting, molekul pentransfer energi ADP dan ATP, NAD, NADPH, dan senyawa sistem informasi genetik DNA dan RNA. Fosfor juga merupakan bahan penyusun fosfolipid seperti lesitin dan kolin, yang memegang peranan penting dalam integritas membran. 3.1. Perubahan-perubahan fisiologis pada pohon yang sakit apabila metabolisme N dan P nya terganggu Perubahan-perubahan fisiologis pada pohon apabila metabolisme N terganggu akan menyebabkan terjadinya defisiensi N yang dapat membatasi pembesaran sel dan pembelahan sel, dimana pertumbuhan kerdil, dan kuning, terutama di bagianbagian tanaman yang lebih tua. Gangguan pertumbuhan ini dapat menyebabkan penimbunan gula dan menyebabkan jaringan basal berubah warna menjadi ungu karena pembentukan antosianin. Akibat adanya redistribusi apabila pengambilan N terbatas adalah terjadinya kebakaran (menguning dan menua) daun-daun sebelah bawah. Perubahan-perubahan fisiologis pada pohon apabila metabolisme P terganggu dalam hal ini juga menyebabkan terjadinya defisiensi P yang akan berpengaruh kepada pertumbuhan tanaman seperti daun berwarna hijau gelap atau hijau kebiru-biruan. Tanaman kerdil, jumlah dan panjang akan berkurang, terjadi penimbunan gula yang ditunjukan dalam bentuk pigmentasi antosianin pada bagian dasar batang dan urat daun. Bila asam nukleat tidak terbentuk dengan baik akan menghambat pembelahan sel karena DNA-nya terganggu, menghambat pembentukan jaringan baru, menghambat pembentukan organ dan secara keseluruhan menghambat pembentukan pertumbuhan tanaman. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 dapat 20 IV. MEKANISME PENGGUNAAN ENZIM PEKTINASE DAN SELULASE OLEH PATOGEN DALAM MERUSAK DINDING SEL 4.1. Mekanisme penggunaan enzim pektinase Zat pektik merupakan komponen penyusun utama lamela tengah, yaitu semen interseluler yang menempatkan sel-sel pada jaringan tumbuhan (Gambar 4) Gambar 4. Skema yang mewakili struktur dan komposisi dinding sel Zat pektik adalah polisakarida yang terdiri dari molekul galakturonan yang diselingi dengan sejumlah kecil molekul rhamnosa dan rantai galakturonan samping sedikit dan beberapa gula lainnya. Beberapa enzim telah diketahui sebagai pektinase atau enzim pektolitik yang menguraikan zat pektik. Zat pektik adalah polisakarida yang terdiri dari molekul galakturonan yang diselingi dengan sejumlah kecil molekul rhamnosa dan rantai galakturonan samping sedikit dan beberapa gula lainnya. Beberapa enzim telah diketahui sebagai pektinase atau enzim pektolitik yang menguraikan zat pektik. Beberapa pektin metil esterase membuang cabang-cabang kecil Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 21 rantai pektin dan tidak mempunyai pengaruh terhadap panjang rantai pektin, tetapi enzim tersebut merubah daya larut pektin dan mempengaruhi laju penyerangan yang disebabkan oleh chainsplitting pectinase (enzim yang dapat memotong rantai pektik). Chain-splitting pectinase memotong rantai pektin dan melepaskan bagian rantai yang lebih pendek yang mengandung satu atau beberapa molekul galakturonan. Beberapa chain-splitting pectinase (poligalakturonase) memotong rantai pektik dengan menambah satu molekul air dan memutuskan (menghidrolisis) sambungan antara dua molekul galakturonan enzim yang lain (pektin liase atau transeliminase) memotong rantai tersebut dengan membuang satu molekul air dari sambungan dan dengan demikian memutus rantai pektik yang melepaskan hasil ikatan rangkap yang tidak jenuh (Gambar 5). Gambar 5. Perombakan rantai pektin oleh tiga jenis pektinase menjadi molekul-molekul yang dimodifikasi dan lebih sederhana Masing-masing enzim tersebut terdapat dalam bentuk yang dapat memotong rantai pektik pada sembarang tempat (endopektinase) Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 22 dan melepaskan rantai yang lebih pendek atau hanya dapat memutuskan hubungan ujung rantai (ekso-pektinase) dan melepaskan unit galakturonan tunggal. Patogen menghasilkan enzim pektolitik dalam jumlah yang paling rendah pada tempat yang terdapat pektin, dan dan pektin tersebut dilepaskan sejumlah kecil monomer atau oligomer galakturonan. Molekul-molekul tersebut apabila diserap oleh patogen, berperan sebagai pengimbas (inducer) untuk meningkatkan sintesis dan melepaskan enzim-enzim pektolitik (autocatalytic induction), yang selanjutnya meningkatkan monomer galakturonan. Monomer galakturonan dengan mudah diasimilasi oleh patogen, tetapi pada konsentrasi yang lebih tinggi molekul galakturonan menekan enzim yang sama (catabolite respession). Enzim-enzim menyebabkan yang banyak merombak penyakit, pektin terutama terlibat dalam penyakit-penyakit penyebab jaringan busuk lunak. Perombakan pektin menghasilkan kumpulan cairan zat pektik yang menyatukan sel-sel tumbuhan bersamaan dengan melemahnya dinding sel, mendorong maserasi jaringan (jaringan tumbuhan menjadi lunak dan longgar serta terpisahnya sel-sel, dan akhirnya mati). Melunaknya dinding sel dan terjadinya maserasi jaringan tidak diragukan lagi memberi peluang terjadinya penyerangan secara inter atau intra seluler oleh patogen. Enzim pektik juga menyediakan makanan bagi patogen pada jaringan yang terinfeksi. 4.2. Mekanisme penggunaan enzim selulase Selulosa terdapat pada semua tumbuhan tingkat tinggi sebagai zat rangka (skeletal) dinding sel dalam bentuk mikrofibril. Selulosa merupakan homopolisakarida yang tersusun atas unit-unit Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 23 p-D-glukopiranosa yang terikat satu sama lain dengan ikatan-ikatan glikosida (1 —> 4). Dalam bantuk kayu dan kapas selulosa mengandung nilai makanan sebanyak sukrosa, namun selulosa tidak dapat dicerna oleh manusia karena cairan tubuh hanya dapat menghidrolisis ikatan tipe a. bukan Namun binatang-binatang tertentu (pemamah biak) mampu memanfaatkan selulosa sebagai makanannya karena di dalam saluran pencernaannya terdapat koloni mikroorganisme yang menghasilkan enzim yang dikenal dengan nama selulase. Perombakan selulosa secara enzimatik menghasilkan hasil akhir berupa molekul-molekul glokosa. Glukosa tersebut dihasilkan dengan serangkaian reaksi enzimatik yang dilakukan oleh sejumlah selulase dan enzim-enzim lain. Selulase dihasilkan secara ekstraseluler oleh berbagai cendawan dan bakteri. Kemampuan masing-masing mikroba untuk menghasilkan selulase tidak sama. Ada yang mampu menghasilkan enzim dalam jumlah besar dengan semua enzim penyusun yang lengkap, sebaliknya ada mikroba yang hanya mampu menghasilkan enzim dalam jumlah sedikit dan tidak lengkap enzim penyusunnya (Enari, 1983 dalam Ahmad, 1992). Selulase merupakan enzim yang komplek yang terdiri dan beberapa enzim yang bekerja secara bertahap atau bersama-sama menguraikan selulosa menjadi glukosa (Norkrans, 1967 dalam Ahmad, 1992). Enari (1983 diacu oleh Ahmad 1992) terdapat empat kelompok enzim utama sebagai komponen penyusun selulase berdasarkan spesifikasi substrat masing-masing enzim yaitu : a. Endo-β-1.4-glukanase (3-1-4-glukan-4-glukanohidrolase, EC.3.2.1.4), menghidrolisis ikatan glikosida β -1.4, secara acak. Enzim ini tidak menyerang selabiosa tetapi menghidrolisis selodekstrin, selulosa yang telah dilonggarkan oleh asam fosfat Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 24 dan selulosa yang telah disubstitusi seperti CMC dan HES (Hydroxy Ethyl Cellulose). b. β-1.4-D-glukan selobichidrolase (EC.3.2.1.91), menyerang ujung rantai selulose non pereduksi dan menghasilkan selobiosa. Enzim ini dapat menyerang selodekstrin tetapi tidak menyerang selulosa yang telah disubstitusi serta tidak dapat menghidrolisis selubiosa. c. β -1.4-D-glukan glukohidrolase (EC.3.2.1.74), menyerang ujung rantai selulosa non pereduksi dan menghasilkan glukosa. Enzim ini menyerang selulosa yang telah dilonggarkan dengan asam fosfat, selo-oligosakarida dan CMC. d. β -1.4-D-glukosidase (β -1.4-D-glukosida glukohidrolase, EC.3.2.1.21), menghidrolisis selobiosa dan Selo-oligosakarida rantai pendek serta menghasilkan glukosa. Enzim ini tidak menyerang selulosa atau selodekstrin. Selulase dalam melakukan hidrolisis berlangsung dalam dua tahap proses, yaitu aktifasi sebagai tahap awal yang diikuti dengan reaksi hidrolisis (Norkans, 1967). Adapun mekanismenya dapat dilihat pada Gambar 6. C1 selulosa Cx selulosa reaktif β selobiosa -glukosidase glukosa Gambar 6. Mekanisme Hidrolisis Selulosa secara Enzimatis (Norkrans, 1967) Secara rinci konsep mekanisme hidrolisis selulosa secara enzimatis dapat dilihat pada Gambar 7. Endoglukonase (EG=Cx ) menyerang daerah "amorfous" serat selulosa, membuka jalan bagi kerja enzim selobiohidrolase (CBB=Ci ). Selanjutnya Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 25 kedua enzim tersebut bekerja bahu membahu membebaskan selobiosa dari serat selulosa. Baik selobiohidrolase maupun endoglukanase tidak mampu memecah selobiosa, sehingga diperlukan enzim lain yaitu β -glukosidase yang menguraikan selobiosa menjadi glukosa. Gambar 7. Skema tahap-tahap hidrolisis selulosa secara enzimatis (Sasaki, 1982). Enzim selulotik yang disekresikan oleh patogen memainkan peranan penting dalam melunakan dan menguraikan bahan penyusun dinding sel. Enzimenzim tersebut memudahkan penetrasi dan penyebaran patogen di dalam inang dan menyebabkan pecah (kolapse) dan terurainya struktur seluler, dengan demikian membantu patogen menimbulkan penyakit. Enzim selulolitik Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 26 mungkin berpartisipasi secara tidak langsung dalam perkembangan penyakit dengan melepaskan, dari rantai selulosa, gula yang dapat larut, yang berperan sebagai makanan patogen. 4.3. PERAN ENZIM PROKSIDASE DAN POLIFENOLOKSIDASE PADA INANG SEBAGAI PERTAHANAN TERHADAP PATOGEN Aktivitas enzim phenol-oxidazing (enzim pengoksidasi-fenol) (polifenoloksidase) lebih tinggi pada jaringan varitas tahan yang terinfeksi dibanding dengan jaringan varietas rentan yang terfinfeksi. Peranan aktivitas enzim polifenoloksidase dalam ketahanan penyakit mungkin berasal dan sifatnya yang dapat mengoksidasi senyawa fenol menjadi kinon, yang sering lebih beracun bagi mikroorganisme dibanding dengan fenolnya sendiri. Maka patut diasumsikan bahwa peningkatan aktivitas polifenol oksidase akan menghasilkan produk toksin yang lebih tinggi dari basil oksidasi dan oleh karena itu menghasilkan tingkat ketahanan lebih tinggi terhadap infeksi. Enzim peroksidase, tidak hanya mengoksidasi fenolik tetapi juga meningkatkan laju polimerisasi senyawa-senyawa fenolik menjadi senyawa-senyawa seperti lignin, yang terdeposit dalam dinding sel dan papila yang selanjutnya menggangu pertumbuhan dan perkembangan patogen . Secara umum aktivitas peroksidase pada ekstrak daun yang diinfeksi adanya peningkatan aktivitas dan konsentrasi dan enzim pada jaringan yang tidak terinfeksi. Peningkatan ini dipengaruhi oleh denovo syntesis yang mana aktivitas enzim lebih baik dan sebelumnya. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 27 Disini diperkirakan adanya isozim barn sebagai akibat infeksi virus pada sitoplasma. Peroksidase berperanan dalam degradasi H 2 0 2 yang berhubungan dengan bertambahnya respirasi pada produksi etilen. Peroksidase keberadaannya berkaitan dengan lignin, pada umumnya lignin engandung tiga alkohol aromatik yaitu alkohol koniferil, yang banyak terdapat pada kayu lunak, alkohol sinapil, dan alkohol pkumarin, dapat dilihat pada Gambar 8. Beberapa kemungkinan cara alkohol tersebut berhubungan dalam lignin disajikan pada Gambar 9. Semua alkohol aromatik dalam lignin berasal dari lintasan asam sikimat. Fenilalanin diubah menjadi asam aromatik seperti kumarat dan ferulat, kemudian diubah menjadi ester CoA. Ester ini direduksi menjadi alkohol aromatik oleh NADPH, dan alkohol tersebut kemudian dipolimerisasi menjadi lignin oleh mekanisme radikal bebas. Enzim mengkatalis dua mengandung reaksi besi terpisah yang yang dinamakan peroksidase kemudian polimerisasi. Gambar 8 . Bentuk-bentuk akohol lignin Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 menyebabkan 28 Peroksidase terdapat dalam bentuk isozim, sedikit diantaranya terdapat di dinding sel. Isozim mula-mula berfungsi dengan membentuk H202 dari NADH dan 0 2 . Kemudian, isozim mengambil atom hidrogen masing-masing satu dari kedua alkohol aromatik, dan menggabungkan kedua atom hidrogen itu dengan satu H202 untuk melepaskan dua molekul H20 sebagai produk samping. Gambar 9. Cara-cara akohol bergabung dalam lignin Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008 29 PUSTAKA ACUAN Achmad. 1992. Cendawan Selulolitik. Kursus Singkat Pemanfaatan Limbah Lignoselulolitik untuk Media Semai Tanaman Kehutanan. Pusat Antar Universitas Institut Pertanian Bogor. Bogor. Agrios. 1996. Ilmu Penyakit Tumbuhan (Terjemahan Munzir Busnia). Gadjah Mada University Press. Yogyakarta. Bidwek. R.G.S. 1979. Plant Physiology. Macmillan Publishing Co. Inc. New York. Coller Macmillan Publisher London. London. Dwijoseputro, D. 1980. Pengantar Fisiologi Tumbuhan. PT. Gramedia Jakarta. Friend. J, D.R. Threlfall. 1976. Bichemical Aspects of Plant-Parasite Relationships. Department of Plant Biology. University of Hull, England. Academic Press London. New York. San Francisco. Gardner, F.P., R.B. Pearce, R.L. Mitchell. 1991. Fisiologi Tanaman Budidaya (Terjemahan Herawati Susilo). Universitas Indonesia. Jakarta. Goodman, R.N., Z. Kiraly, K.R. Wood. 1989. The Biochemistry and Phyisiology of Plant Disease. University of Missouri Press. Columbia. Lakitan, B. 1993 Dasar-dasar Fisiologi Tumbuhan. PT. Raja Grafindo Persada Jakarta. Jakarta. Salisbury, F.B., C.W. Ross. 1992. Fisiologi Tumbuhan (Terjemahan Diah R Lukman). ITB Bandung. Bandung. Yunasfi : Serangan Patogen dan Gangguan Terhadap Proses Fisiologis Pohon, 2008 USU Repository © 2008
