EKSPRESI GEN SELAMA DEFISIT AIR Nurhayati, Rizwan, Hanifah Staf Pengajar Fakultas Pertanian UISU ABSTRAK Air merupakan sumber daya alam yang sangat penting bagi pertumbuhan tanaman. Pada kondisi tertentu tanaman dapat mengalami defisit air, akibat transpirasi yang berlebihan atau kurangnya ketersediaan air di daerah perakaran. Untuk mempertahankan diri terhadap kondisi defisit air tersebut tanaman memiliki berbagai mekanisme, salah satu adalah mekanisme secara fisiologi. Tanaman yang mengalami defisit air akan menghasilkan produk-produk yang merupakan respons tanaman terhadap kondisi stress tersebut. Produk yang dihasilkan merupakan hasil dari ekspresi gen yang mengalami induksi sebagai respons terhadap signal defisit air yang diterimanya. Produk yang dihasilkan gen diklasifikasikan ke dalam 2 grup yaitu: grup protein yang berfungsi dalam toleransi terhadap stress dan grup protein yang berhubungan dengan pengaturan transduksi signal dan ekspresi gen sebagai respons terhadap stress. Kata kunci: Ekspresi gen, Defisit air PENDAHULUAN Selama siklus hidup tanaman mulai dari berkecambah sampai panen tanaman membutuhkan air. Proses-proses dalam tubuh tanaman membutuhkan air. Besarnya kebutuhan air setiap fase pertumbuhan selama siklus hidupnya tidak sama. Hal ini berhubungan dengan proses fisiologi dan morfologi tanaman (Kramer, 1983). Defisit air menimbulkan pengaruh yang kompleks terhadap tanaman. Secara morfologi dan fisiologi pengaruh defisit air dapat dilihat dari penampilan luas daun individu, kecepatan muncul daun, aktivitas asimilasi CO2, membuka menutup stomata, kecepatan pertumbuhan biji dan pengisian biji (Sinclair, Russel, dan Muschow, 2001). Stress air menurunkan luas daun, menurunkan kecepatan proses fotosintesis dan alokasi asimilat dari tajuk ke akar (Earl dan Davis, 2003). Pada kondisi stress berat, berat kering akar meningkat 20 % sehingga terjadi penurunan produksi biji (Tourchi dan Shasidar, 2003). Penurunan kecepatan fotosintesis akibat stress air ditunjukkan beberapa tanaman yang berhubungan dengan penurunan ketahanan daun (Lu dan Neuman, 1999). Menurunnya laju fotosintesis secara langsung pada tanaman yang mengalami cekaman air juga akibat protoplasma dan atau kloroplas yang mengalami dehidrasi sehingga mempunyai kapasitas yang rendah untuk fotosintesis (Riccardi et al., 1998). Mekanisme yang mendasari penurunan produksi pada kondisi stress adalah produksi spesies oxygen reaktif (ROS) yang dapat merusak lemak, asam nukleat, dan protein sehingga menyebabkan gangguan proses fisiologis (Yan et al., 2003). Berbagai respons yang timbul terhadap defisit air tergantung pada tingkat dan lama stress, genotipe tanaman, tahap pertumbuhan, dan faktor lingkungan yang mempengaruhi stress. Pada tingkat sel, gen yang mengalami stress air akan terinduksi. Dengan melakukan isolasi terhadap gen yang terinduksi tersebut dapat dipelajari fungsi produk gen tersebut dan lintasan yang menyebabkan gen mengalami induksi. Induksi mengkibatkan perubahan ekspresi gen yang merupakan hal yang mendasar untuk menunjukkan berbagai respons yang terjadi selama stress dan mengontrol panjang dan pendeknya respons. Respons tanaman terhadap defisit air diawali dengan lintasan transduksi signal dan dimanifestasikan dalam perubahan tingkat sel, fisiologis, dan tingkat pertumbuhan (Bray, 1993). Ekspresi gen selama stress diantisipasi untuk mendukung toleransi sel terhadap dehidrasi melalui proteksi fungsi sitoplasma, perubahan potensial air sel untuk mendukung pengambilan air, mengontrol akumulasi ion, dan lebih lanjut mengatur ekspresi gen. Ekspresi gen selama stress dapat dikelompokkan menjadi gen yang menunjukkan toleransi dan ada pula yang merupakan gen yang peka terhadap stress. Gen menunjukkan toleransi terhadap stress dan akumulasi produk gen tersebut JURNAL PENELITIAN BIDANG ILMU PERTANIAN Volume 4, Nomor 1, April 2006: 18-23 19 merupakan suatu respons adaptasi terhadap kekeringan (Bray, 1997). EKSPRESI GEN SELAMA PERIODE DEFISIT AIR Sejumlah respons terhadap defisit air dikontrol oleh gen dengan berbagai fungsi yang berbeda. Ketika air hilang dari sel, proses pengaturan dimulai dari metabolisme sel ke kondisi seluler baru. Pada waktu yang bersamaan, penghambatan pertumbuhan, dan perubahan lintasan perkembangan yang akan menghasilkan perubahan ekspresi gen. Beberapa gen yang diinduksi oleh defisit air mengkode produk gen yang diduga berfungsi untuk melindungi fungsi sel (Gambar 1). Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa stress air mengakibatkan munculnya suatu suatu signal. Signal tersebut diterima oleh suatu penerima signal (signal perception) yang selanjutnya ditransduksi oleh berbagai faktor seperti ABA, Ca2+ dan IP3. Signal yang ditransduksikan tersebut diterima oleh gen sehingga gen terinduksi dan menghasilkan berbagai produk. Produk yang dihasilkan gen diklasifikasikan ke dalam 2 grup yaitu: I. Grup Protein yang Berfungsi dalam Toleransi terhadap Stress Yaitu: - Protein yang memiliki celah saluran air yang berhubungan dengan perpindahan air melalui membran - Enzim yang dibutuhkan dalam biosintesis osmolit (prolin, betain, dan sukrosa). - Protein yang berfungsi melindungi makro molekul dan membran (LEA protein, osmotin, chaperon, dan protein pengikat mRNA). - Protease untuk perombakan protein (thiol proteases, clp proteases, ubiquitin). - Detoxifikasi enzim (glutathione Stransferase, epoxide hydrolase, catalase, superoxide desmutase, ascorbat peroksidase) (Shinozaki dan Shinozaki, 1997). WATER STRESS SIGNAL PERCEPTIO N SIGNAL TRANSDUCTIO N GENE EXPRESSIO N GENE PRO DUCTS FUNCTIONAL PROTEINS REGULATORY PROTEINS Water channel proteins Transcription factors MYB, MYC, bZIP Key enzymes for osmolyte biosynthesis (proline, betaine, sugars) Protein kinases MAPK, MAPKKK, S6K, CDPK, SNF1 Chaperones Phospholipase C LEA proteins 14 – 3 – 3 proteins Proteinases Detoxicating enzymes STRESS TO LERAN CE, STRESS RESPO NSE Gambar 1. Fungsi Produk yang Dihasilkan oleh Gen yang Terinduksi oleh Stress Air, yaitu sebagai Toleransi dan Respons terhadap Stress. Fungsi Produk Gen Terbagi dalam Dua Kelompok Yaitu: 1. Berhubungan dengan Toleransi dan Adaptasi terhadap Stress dan 2. Pengaturan Protein yang Berfungsi dalam Ekspresi Gen dan Transduksi Signal sebagai Respons terhadap Stress (Shinozaki dan Shinozaki, 1997). 20 Ekspresi Gen Selama Defisit Air (Nurhayati, Rizwan, Hanifah) Membrane Protection Or Water Replacement Ion Sequestration Na+ PO4+ Na+ PO4+ Na+ PO4+ Na+ PO4+ Chaperone Water-Channel Protein H20 Ubiquitin Water Deficl t tonoplast + ubiquitin Protease Substrate proline, betaine sucrose, pinisol aldose, etc. Osmolyte Syinthesis Protease Inhibitor Gambar 2. Fungsi Produk Gen yang Diinduksi oleh Defisit Air untuk Mempertahankan Fungsi Sel Selama Periode Kehilangan Air yang Meliputi Perlindungan terhadap Struktur Sel dan Pengaturan Osmosis (Bray, 1993). Beberapa gen yang diinduksi oleh stress mengkode protein, contohnya enzim untuk biosintesis prolin diekspresikan tanaman transgenik yang menunjukkan toleransi terhadap stress (Kavi Kishor et al., 1995). II. Grup Protein yang Berhubungan dengan Pengaturan Transduksi Signal dan Ekspresi Gen sebagai Respons terhadap Stress Yaitu: Protein Kinases, Faktor Trasnkripsi, PLC, dan protein 14-3-3 Beberapa gen yang diinduksi oleh defisit air mengkode produk gen yang diduga berfungsi untuk melindungi fungsi sel. Secara garis besar ada dua fungsi grup protein yang berfungsi dalam toleransi terhadap stress yaitu: 1. Proteksi Struktur Sel Sejumlah produk gen yang dihasilkan diduga untuk melindungi struktur sel dari efek kehilangan air. Gen-gen ini sering disebut lea yang merupakan gen yang pertama kali diekspresikan selama pematangan dan fase pengeringan dalam perkembangan biji (Barker et al., 1988). Gen-gen ini diekspresikan pada jaringan vegetatif selama periode kehilangan air akibat defisit air, stress osmotik, dan stress suhu rendah. Paling sedikit ada 6 kelompok gen lea yang telah teridentifikasi, berdasarkan rangkaian asam amino yang mirip pada beberapa spesies (Dure, 1993b). Mayoritas produk lea gen adalah hidropilik predominan, komposisi asam amino umumnya tidak terdapat Cys dan Trp dan terdapat di sitoplasma. Rangkaian asam amino individual dan protein struktur pada masing-masing grup LEA protein diduga mempunyai fungsi Fungsi yang spesifik (Dure, 1993b). diperkirakan termasuk mengendalikan ion asing, proteksi protein, proteksi membran, dan renaturasi protein (Gambar 2). JURNAL PENELITIAN BIDANG ILMU PERTANIAN Volume 4, Nomor 1, April 2006: 18-23 21 Satu dari grup protein LEA (famili D-7, atau grup 3) diduga mempunyai peranan dalam mengendalikan ion yang terkonsentrasi selama dehidrasi sel. Protein ini memiliki pola 11-mer asam amino dengan rangkaian umum TAQAAKEKAGE yang diulang sebanyak 13 kali (Dure, 1993a). Pola ini diduga membentuk amphiphilic α-helix. Permukaan hidrofobik penting dalam pembentukan homodimer dan permukaan luar yang mengendalikan ion yang konsentrasinya meningkat selama defisit air (Dure, 1993a). Grup LEA protein yang lain (family D-29 atau grup 5) juga diduga mengendalikan ion selama kehilangan air. Grup ini juga memiliki 11-mer yang diulang dalam masing-masing asam amino dalam pola kimia yang mirip grup 3. Grup protein LEA lain (family D-19 family atau grup 1) diduga meningkatkan kapasitas mengikat air. Protein-protein ini memiliki persentase asam amino Gly. Satu dari anggota group ini, Em, yang diduga memiliki kapasitas yang tinggi untuk pengikatan air. Grup 4 protein LEA (family D-113) berfungsi untuk memelihara struktur membran. Paling sedikit terdapat 30 gen yang berbeda diidentifikasi sebagai anggota grup gen lea 2 (family D-11). Fungsi lain yang mungkin termasuk adalah sebagai struktur protein cadangan (Dure, 1993b). Stress air menginduksi aktivitas gen yang berguna untuk melindungi struktur sel. Protein-protein yang disintesis sebagai akibat ekspresi gen mempunyai fungsi penting pada kondisi defisit tersebut ekspresi gen yang berbeda akan menyebabkan perbedaan toleransi dalam spesies. Fungsi produk gen ini akan dibutuhkan selama stress berat, karena bila air yang cukup tersedia hilang mengakibatkan kerusakan struktur sel (Bray, 1993). 2. Penyesuaian Osmotis (Osmotic Adjustment) Mempertahankan potensial air total selama defisit air dapat dicapai melalui osmotic adjustment (penyesuaian osmotis). Reduksi potensial air sel di bawah potensial air eksternal dihasilkan dari penurunan potensial osmotis, menyebabkan air pindah ke dalam sel. Potensial osmosis di dalam sel 22 lebih rendah dengan cara mengakumulasi osmolit (solut yang cocok) dalam sitoplasma. Gen-gen yang mengkode enzim untuk tahap-tahap ini untuk pembentukan osmolit telah diidentifikasi dalam beberapa kasus menunjukkan bahwa gen-gen tersebut diinduksi oleh defisit air (Bray, 1997). Gen mempunyai peranan dalam proteksi dan osmotic-adjustment. Begitupun gen yang diisolasi tersebut mempunyai fungsi-fungsi lain yang bermacam-macam selama stress air. Gen yang berhubungan dalam 2 tipe mekanisme degradasi protein yaitu protease dan ubiquitin, dirangsang oleh stress air. Produk gen ini berhubungan dengan degradasi protein yang mengalami denaturasi selama sel kehilangan air. Peniadaan mekanisme degradasi adalah inhibitor protein yang juga dirangsang oleh stress air. Sebagai tambahan gen yang berpotensial dalam mengatur dan memberi signal selama periode stress air seperti protein kinase, protein inti dan protein pengikat RNA telah diidentifikasi (Cellier et al., 1998). Penyesuaian metabolisme tingkat sel yang disebut osmoregulasi. Tanaman yang toleran kekeringan memiliki produktivitas yang tinggi pada potensial air rendah karena memiliki kemampuan osmoregulasi yaitu kemampuan penyesuaian osmosis. Osmoregulasi dilakukan dengan cara akumulasi solut sebagai respons terhadap stress air. Kemampuan tersebut berbeda di antara kultivar tanaman (Angadi dan Entz, 2002). Tanaman yang memiliki osmoregulasi tinggi dapat mempercepat pembungaan yang berhubungan dengan peningkatan produksi (Sinclair dan Muchow, 2001). Tanaman tersebut mampu secara aktif mengakumulasi solut dalam sel dan mempertahankan turgor dalam kondisi defisit air. Tekanan turgor merupakan tenaga untuk perluasan sel. Selanjutnya dari segi produksi dapat menghasilkan biji yang lebih banyak akibat tingginya fertilitas dan kurangnya aborsi bunga (Karyudi dan Fletcher, 2002). Osmoregulasi berhubungan dengan akumulasi solut pada sel untuk mempertahankan tekanan turgor. Solut yang diakumulasi berbeda antar-jenis tanaman. Pada tanaman Phalaris tuberosa Ekspresi Gen Selama Defisit Air (Nurhayati, Rizwan, Hanifah) terjadi akumulasi alkaloid bila terjadi peningkatan stress kelembaban (Williiam, 2002). Pada tanaman Coleus blume kandungan stachytose, galactinol, glukosa, raffinosa, sukrosa, fruktosa, pati, dan omethyl-inositol akan meningkat pada jam 10 - 12 siang dan menurun pada sore hari, hal ini berhubungan dengan meningkatnya suhu yang berhubungan dengan transpirasi dan defisit air. Tanaman yang mengalami kekeringan memiliki kandungan karbohidrat yang lebih rendah daripada tanaman kontrol namun untuk Omethyl-inositol justru lebih tinggi pada tanaman yang mengalami kekeringan tersebut (Pattanagul dan Madore, 1999). Pada tanaman tembakau transgenik (Nicotiana tobacco) dalam kondisi kering senyawa pengikat protein (binding-protein) meningkat untuk mempertahankan turgiditas pucuk dan kandungan air. Ekspresi binding-protein tersebut untuk mencegah dehidrasi sel, daya hantar stomata, dan kecepatan transpirasi dalam daun yang mengalami kekeringan. Defisit air tidak mempengaruhi kecepatan fotosintesis, mungkin disebabkan tingkat penyesuaian osmosis yang besar dalam daun. Meskipun fotosintesis dapat dipertahankan dalam daun yang mengalami stress air tersebut namun pertumbuhan daun terhambat. Asimilat yang tidak digunakan untuk pertumbuhan daun kemudian digunakan tanaman untuk meningkatkan akumulasi solut dalam jaringan daun. Dengan demikian tekanan turgor dalam daun dapat dipertahankan. Fotosintesis merupakan sumber utama larutan organik yang terakumulasi dalam kondisi stress air dalam usaha mempertahankan turgor sel (Alvim et al., 2001). Untuk memberi respons terhadap tekanan osmotis internal yang tinggi maka sel mengakumulasi gliserol untuk mengkompensasi perbedaan potensial air antar-dalam dan luar sel pada Sacenaromyces cerevisiae. Osmoregulasi tinggi merupakan signal oleh 2 membran osmosensors. Signal dikirim melalui MAP – kinase cassade (HOG), yang meningkatkan ekspresi lintasan biosintetis gliserol. Gliserol – 3 – P – dehidrogenase di kode oleh dua gen GDP yang mengkatalisator reaksi pertama dari dihidroksiaseton – p menjadi gliserol – 3 – p, yang mengkonversi gliserol menjadi gliserol – 3 – phosphatase (GPP), yang dikodekan oleh GPP gen. Peningkatan produksi gliserol menyebabkan peningkatan konsentrasi gliserol antar-sel, karena meningkatnya permeabilitas membran terhadap gliserol pada kondisi stress osmotis (Shen et al., 1999) . Tanaman jagung yang mengalami stress air selama 10 hari menunjukkan perubahan protein dalam daun, yaitu 78 protein dari 413 protein menunjukkan variasi kuantitatif yang nyata (meningkat atau menurun), dengan 38 jenis menunjukkan ekspresi yang berbeda dalam 2 genotipe, 11 protein meningkat 1.3 – 5 x pada tanaman stress, dan 8 protein ditemui hanya pada tanaman stress. Protein diketahui berhubungan dengan stress air, sebagai respons terhadap ABA, beberapa enzim berhubungan dengan lintasan metabolis seluler seperti glikolisis dan siklus kreb. Lenolase dan triose phosphate (somerase) teridentifikasi, beberapa yang lain, termasuk caffeate O-methyl transferase, yang menginduksi lignifikasi (Ricarcdi et al., 1998). Tanaman tembakau transgenik meningkatkan akumulasi manitol untuk meningkatkan toleransi terhadap stress. Gen asing diintroduksi dari Escherichia coli, meningkatkan akumulasi manitol dalam daun tembakau. Sesudah 30 hari diberi perlakuan salinitas, tanaman transgenik tersebut yang memproduksi manitol memiliki panjang pucuk yang lebih besar dan menurunkan kehilangan berat dibandingkan tanaman yang dikontrol oleh stress. Introduksi gen asing ke dalam tembakau digunakan untuk menegaskan pentingnya akumulasi osmolite selama stress (Bray, 1993). DAFTAR PUSTAKA Alvim, F. C., S. M. B. Carolino., J. C. M. Cascardo., C. C. Nunes., C. A. Martinez., W. C. Otani and E. P. B. Fontes. 2001. Enhanced Accumulaions of BIP in Transgenic Plants Confers Tolerance to Water JURNAL PENELITIAN BIDANG ILMU PERTANIAN Volume 4, Nomor 1, April 2006: 18-23 23 Stress. Plant Physiology, July 2001, Vol. 126, pp.1042 - 1054. Angadi, S. V. and M. H. Entz. 2002. Water Relations of Standard Height and Dwarf Sunflower Cultivars. Crop Science 42:152-159. Baker J, Steele, C and Dure I, III. 1988. Sequence and Characterization of 6 Lea Proteins and Their Genes from Cotton. Plant Mol Biol 11:277-291. Bray E. A. 1993. Molecular Responses to Water Deficit. Plant Physiol 103: 10351040. Bray E. A. 1997. Plant Responses to Water Deficit. Trends Plant Sci 2: 48-54. Cellier, F., G. Conejero., J. C. Breitler and F. Casse. 1998. Molecular and Physiological Responses to Water Deficit in Drought-Tolerant and Drought-Sensitive Lines of Sunflower. Plant Physiol 116:319-328. Dure L. III. 1993a. A Repeating ii-mer Amino Acid Motif and Plant Desiccation. Plant J 3: 363-369. Dure L. III. 1993b. Structural Motifs in Lea Proteins. In TJ Close, EA Bray, eds, Plant Responses to Cellular Dehydration during Environmental Stress. Current Topics in Plant Physiology, Vol. 10. American Society of Plant Physiologist, Rockville, MD, pp 91-103. Earl, H. J and R. F. Davis. 2003. Effect of Drought Stress on Leaf and Whole Canopy Radiation Use Efficiency and Yield of Maize. Agronomy Journal 95:688-696. American Society of Agronomy. Karyudi dan R. J. Fletcher. 2002. Osmoregulations Capacity in Bird Seed Millet Under Conditions of Water Stress. I. Variation in Setaria and Panicum Miliaceum. Euphytica 125: 337 - 348. Kavi Kishor PB, Hong Z, Miao G-H, Hu CAA, Verma DPS. 1995. Overexpression of 5-carboxylate Δ1-pyrroline Synthetase Increases Proline 24 Production and Confers Osmotolerance in Transgenic Plants. Plant Physiol 108: 1387-1394. Klusener, B., J. J. Young., Y. Murata, G. J. Allen., I. C. Mori, V. Hugouvieux and J. I. Schroeder. 2002. Convergence of Calcium Signal g Pathways of Pathogenic Elicitors and Abcisic Acid in Arabidopsis Guard Cells. Plant Physiol, December 2002, Vol. 130, pp 2152-2163. Kramer, P. J. 1983. Water Relations of Plants. Academic Press, London. Lu, C and P. M. Neumann. 1999. Inhibits Hydraulic Conductance and Leaf Growth in Rice Seedlings but Not the Transport of Water via MercurySensitive Water Channels in the Root. Plant Physiology 120 (1):143. Pattanagul, W and M. A. Madore. 1999. Water Deficit Effect’s on Raffinose Family Oligosacc Haride Metabolism In Coleus. Plant Physiology, November 1999, Vol. 121, pp. 987 993. Riccardi, F., P. Gazeau, D. De Vienne and M. Zivy. 1998. Protein Changes in Response to Progresive Water Deficit in Maize. Plant Physiol. 117: 1253 1263. Shen, B., S. Hohmann., R. G. Jensen and H. J. Bohnert. 1999. Roles of Sugar Alcohols in Osmotic Stress Adaptation. Replacement of Glycerol by Mannitol and Sarbitol in Yeast. Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K. 1997. Molecular Responses to Drought and Cold Stress. Curr Opin Biotechnol 7: 161-167. Sinclair, R. R and Russell C. Muchow. 2001. System Analysis of Plant Traits to Increase Grain Yield on Limited Water Supplies. Agronomy Journal 93:263-270. American Society of Agronomy. Ekspresi Gen Selama Defisit Air (Nurhayati, Rizwan, Hanifah) Tourchi, M., H. E. Shashidhar., T. M. G. S. Hittalmani. 2003. Performance of Backcrosses Involving Transgressant Doubled Haploid Lines in Rice under Contrasting Moisture Regimes. Crop Science 43:1448:1456. William. 2002. Stress Protection of Transgenic Tobacco by Production of the Osmolyte Mannitol. Science 259: 508-510. Yan, J., Jing Wang, D. Tissue, A. S. Holaday, R. Aven and Hong Zhang. 2003. Photosynthesis and Seed Production Under Water-Deficit Conditions in Transgenic Tobacco Plants That Overexpress an Arabidopsis Ascorbate Peroxidase Gene. Crop Science 43 (4) : 1477. JURNAL PENELITIAN BIDANG ILMU PERTANIAN Volume 4, Nomor 1, April 2006: 18-23 25