Penapisan Galur Kedelai Toleran Aluminium

BAB I1
TINJAUAN PUSTAKA
Pertumbuhan dan Morfogenesis dalam Kultur Jaringan
Kultur jaringan tanaman dapat digunakan untuk cakupan kultur protoplasma,
sel, jaringan dan kultur organ pada kondisi aseptik (Bhojwani dan Razdan, 1983)
Menurut Bhojwani dan Razdan (1983), pertumbuhan dan perkembangan suatu
tanaman secara m vztro ditentukan oleh beberapa faktor kompleks di ataranya: (1)
susunan genetik dari spesies tanaman; (2) hara; (3) faktor-faktor pertumbuhan fisik;
(4) beberapa senyawa organik seperti zat pengatur tumbuh, vitamin dan sebagainya.
Gunawan (1992) menyatakan bahwa keberhasifan dalam penggunaan metode
M t u r jaringan sangat bergantung pada media yang digunakan. Media kultur dapat
tersusun dari: Hara rnakro clan mikro, vitamin, gula, asam amino dan N organik.
persenyawaan kompleks alamiah (misalnya air kelapa, juice tomat), buffer organik,
arang aktii, zat pengatur pertumbuhan clan bahan pemadat media.
Pengaruh komposisi media dapat disebabkan oleh keseimbangan komponen yang
rnenyusun media di antaranya zat pengatur tumbuh
Salah satu mekanisme yang
mengatur organogenesis adalah taraf relatif auksin (misalnya N
a 2.4-D dan IBA)
dan sitokinin (misalnya BAP dan Thidiazuron/TDZ) dalam media. Sebagai contoh,
pada tembakau dengan nisbah auksin terhadap sitokinin dalam media (IAA/Kinetin)
tinggi, maka akan terbentuk akar dan apabia sebaliknya terbentuk tunas, sedangkan
apabila nisbah auksin/sitokinin sama maka akan terbentuk kalus (Bhojwani dan
Razdan, 1983). George dan Sherrington (1983) juga menyatakan bahwa pertumbuhan
dan morfogenesis in vzfro diatur oleh interaksi dan keseimbangan antara suplai zat
pengatur tumbuh dalam media dan yang diproduksi secara endogen oleh sel-sel yang
diMtur.
Pertumbuhan dimanifestasikan sebagai peningkatan permanen ddam ha1 ukuran,
atau bobot.
Ukuran tidak hanya kriteria yang digunakan untuk mengukur
pertumbuhan,
misalnya, pertumbuhan sei dalam kultur suspensi dapat dinilai dengan
rnengukur bobot segar jaringan yang hidup.
Pertumbuhan dari zigot akan
menyebabkan terjadinya pertambahan volume, bobot, jumlah sel, jumlah protoplasma
dm juga kompleksitas. Pengukuran pertumbuhan dapat dilakukan terhadap faktorfaktor tersebut walaupun yang banyak digunakan adalah pengukuran pertambahan
bobot kering (Salisbury dan Ross, 1985; Taiz dan Zeiger, 1991)
Pengaruh Keracunan Al
Kendala utama peningkatan produksi pangan pada lahan kering atau lahan
marginal antara lain rendahnya ketersediaan hara N, P, K , Ca, Mg dan Mo (Raper dan
Kramer, 1987; Marschner, 1995). Pada lahan dengan tingkat kernasaman yang tinggi,
pertumbuhan tanaman dihambat oleh ion-ion logam seperti Al, Fe dm hrln. Namun di
antara ion-ion tersebut A1 merupakan perhatian penting karena merupakan faktor
utama dalam penghambatan pertumbuhan dan bersifat racun bagi tanaman. Bahkan
menurut Marschner (1995) lebih dari 70 persen tanah masam tropis mengalami
defisiensi Ca dan Mg serta memiliki kapasitas fiksasi P yang amat tinggi.
Marschner (1995) juga mengemukakan tidak ada bukti Al merupakan unsur
mineral esensial meskipun untuk spesies yang bersifat akumulator. Beberapa peneliti
seperti Aniol(1990) melaporkan bahwa pada tanaman gandum, pewarisan sifat toleran
Al merupakan sesuatu yang kompleks sedang menurut Delhaize, Ryan dan Randall
(1993) toleransi terhadap Al dikendalikan oleh gen dominan tunggal.
Pada tanaman jagung,
peningkatan konsentrasi kalsium eksternal akan
mengurangi pengamh Al yang menghambat perpanjangan akar terutama pada kultivar
yang amat peka. Salah satu penyebab kerusakan pada akar oleh ion polimer Al adalah
terbentuknya ikatan antar polimer Al dengan membran plasma akar yang menyebabkan
kerusakan pada membran dan kebocoran K' dari sel akar (Matsumoto, Yamamoto dan
Kasai, 1992).
Pengaruh m e ~ s a kAl pada tanaman diawdi dengan gangguan terhadap tudung
a
.yang di dalamnya mempunyai sinyal sekaligus merupakan detektor gaya gravitasi
sehingga akan mengurangi sekresi berlendir sel tudung akar. Sel tersebut merupakan
sumber pengatur endogen pertumbuhan. Pada tingkat molekder, Al berhubungan
dengan DNA sehingga interaksi Al dengan DNA akan mempengaruhi sifat-sifat
fisikokimia dan hngsi biologis seperti menghentikan pembelahan sel pada meristem
akar, perpanjangan sel, sintesis DNA dan RNA. Hal ini juga didukung oleh hasil
penelitian Matsumoto (1991) yang menyatakan bahwa At menghambat pembelahan sel
dengan mengganggu penggandaan DNA.
Pada dinding sel, penghambatan terjadi karena Al menggantikan kedudukan ca2'
pada Lamela tengah. ca2+mempunyai peranan pentiny dalam transpor ion melewati
membran plasma sebab ca2' merupakan "second messenger" dalam aktivitas H'ATPase dengan bantuan kalmodulin. Dalam hal ini dengan digantikannya caZ' yang
melekat pada kalmodulin akan terjadi perubahan aktifitas enzim. Ikatan Al dengan
karboksil (RC00-) membentuk ikatan kuat sehingga sel tidak mampu membesar.
Selain itu, Al juga berhubungan dengan membran lipida bilayer pada sel sehingga dapat
menyebabkan kemsakan struktur membran karena ca2' digantikan oleh A13' yang
akhimya mempengaruhi penyerapan hara (Marschner, 1995).
Mekanisme Toleransi Al
Menurut Taylor (1991) dan Marschner (1995), ada dua mekanisme toleransi
tanaman terhadap A1 yaitu mekanisme eksklusi dan mekanisme toleransi intend.
Dalam hal ini mekanisme eksklusi terdiri dari: immobilisasi pada dinding sel;
permeabiiitas selektif dari membran plasma, meningkatnya pH dalam rizosfir atau
apoplas akar; eksudasi asam organik pengkelat; eksudasi fosfat dan aliran keluar Al
sedang mekanisme toleransi internal termasuk kelatisasi Al oleh asam organik (asam
malat) pada sitoplasma, kompartementasi Al dalam vakuola, isoenzim toleran, sintesis
protein spesifik pengikat Al yang akan menwnkan serapan Al ataupun peningkatan
pengaliran keluar A.
Pembentukan komplek Al dengan asam organik merupakan salah satu
mekanisme toleransi tanaman terhadap Al. Asam organik berperan dalam ekslusi Al
melalui pelepasannya dari akar dan menawar-racun Al ddam simpias tempat asam
organik tersebut dapat mengkelat A1 dan mereduksi atau mencegah pengaruh racun
'41.
Taylor (1991) juga rnengemukakan bahwa tanaman yang toleran Al cenderung
meningkatkan pH di daerah rizosfir
Perubahan pH pada daerah rizosfir ini
berhubungan dengan kemampuan tanaman dalam penyerapan N O < dan N
'
dan Yahya. 1988)
(Hajadi
Bila N O i lebih banyak diserap maka pH sitosol akan twun
sehingga menyebabkan meningkatnya aktifitas enzim malat untuk menstimulir
terjadinya dekarboksilasi malat menjadi piruvat. Penyerapan NOa- yang lebih besar
juga menyebabkan terjadinya penglepasan ion hidroksil ( O K ) atau ion b i b o n a t
(HC033 ke arah perakaran sehingga sekaligus juga meningkatkan pH, yang pada
gilirannya akan mengurangi kelarutan Al.
Selanjutnya dari studi pada tingkat molekuler yang dilakukan oleh
terbukti bahwa ada empat gen
Richards et a1.(1998) pada bibit Arabidopss f h u l ~ a m
yang terekspresi yang sifatnya transient menginduksi peroksidase, glutathionestransferase, protein yang mengikat tembaga biru, protein homolog pada retikulin dan
enzim oksidoreduktase
Hasil ekspresi gen tersebut tersimpul bahwa perlakuan A1
pada A r a b ~ d o p s ~menginduksi
s
cekaman oksidatif. Dalam ha1 ini, cekaman oksidatif
merupakan reaksi tanaman terhadap taraf racun Al.
Uji Toleransi Al
Ada berbagai teknik yang dapat digunakan untuk menentukan toleransi terhadap
Al pada tanaman kedelai, di antaranya melalui pendekatan morfologi-anaxtomi,
biokimia dan molekuler
Pada metode biokimia didasarkan pada penggunaan protein
atau isoenzim, yang nlerupakan produk dari gen.
Isoenzirn terdiri dari rantai
polipeptida sehingga mempedihatkan sifat umum seperti protein. Di dalam larutan,
asam amino akan terionisasi dan dapat bersifat asam atau basa. Melalui eiektroforesis
gel, molekul protein akan terpisah berdasarkan ukuran, bentuk dan muatan listriknya.
Menurut Taylor et al. (1997), pada keadaan cekarnan Al, ujung akar gandum
kultivar PT 741 (toleran Al), men-sintesis protein 51 KD, sedang pada Neepawa yang
peka Al tidak terjadi sintesis protein tersebut.
Sel tanaman memiliki sistem pertahanan yang kompleks terhadap Al (Atkinson,
Midland, Sims dan Keen, 1996).
Pada analisis molekuler, hasilnya lebih dipercaya dalam mendeteksi tanaman
yang toleran terhadap Al dan lebih ideal jika didasarkan pada perbedaan serta
persamaan tingkat gen. Akan tetapi, analisis pada tingkat gen memerlukan banyak
biaya dan waktu serta merniliki tingkat kesulitan yang relatif lebih tinggi. Menurut
Aniol (1990). pada tanaman gandum, pewarisan sifat toleran terhadap
AJ pada
generasi berikutnya merupakan suatu yang kompleks, sedang menurut Ryan, Kinraide
dan Kochin &lam
Delhaize, Ryan dan Randall (1995) toleransi terhadap A1
dikendalikan oleh suatu gen mayor tunggal.
Penapisan In Vitro
Akhir-akhir ini, penelitian toieransi Al mulai difokuskan pada bidang fisiologi,
molekuler dan genetika (Van Sint Jan ef al., 1997). Van !jint Jan et al. (1997) juga
mengernukakan bahwa sudah menjadi konsensus bahwa tanaman toleran AL juga
dimediasi pada tingkat seluler
Pendekatan sistem m v ~ t r omerupakan yang paling banyak digunalrmrn unhrk
penapisan ketahanan (Rath, 19%), misalnya, karena interaksi antara tanaman dewan
patogen sangat kompleks, fitotoksm terbukti dapat digunakan sebagai agen untuk
penaplsan secara rn vrtro
Regenerasi tanaman tembakau dari kultur suspensi dapat
rneningkat toleransinya terhadap aluminium pada kultur media yang.i-t
Menurut Rath (1996), hanya sel-sel yang toleranlah yang akan 'survive' pada
kultur sel yang diinkubasi dengan 'selective agents'
Penjelasan yang mungkin untuk
peningkatan ketahanan terhadap suatu 'toxic agent' &ah
serapan lebii rendah,
perubahan target atau situs reseptor, degradasi serta kompartementasi atau iconjugasi
Beberapa peranan lain penapisan m vrtro dl antaranya dapat dilalrukan untuk
penapisan terhadap penyakit, cekaman lingkungan (misalnya ion aluminium, garam,
logam berat clan kekeringan)
Kasai, Sasaki dan Tmakamam (1993) melaporkan bahwa pada tanaman barley,
cekaman Al dengan kultur air meningkatkan kandungan asam absisik (ABA) akar
Menurut Jones dm Kochian (1995) pemberian Al selama satu jam sudah dapat
menghambat perpanjangan a k a , secara visual terlihat adanya pembengkakan apeks
akar karena terjadi pemblokiran pembelahan sel dan perpanjangan sel