mekanisme fiksasi nitrogen pada kacang – kacangan.

MEKANISME FIKSASI NITROGEN
PADA KACANG – KACANGAN.
Faktor-faktor yang mempengaruhi
keberadaan bakteri bintil akar:
Sumber makanan (BO dan perakaran)
untuk bertahan sebelum menginfeksi tanaman.
2.
Mikroorganisme lain (sbg kompetitor di rizosfir)
terutama yang antagonis, karena dapat menghalangi infeksi
3.
Lingkungan
yang mempengaruhi kegiatan fotosintesis untuk menyediakan
kebutuhan energi bakteri (cahaya, luas daun, CO2,
pembentukan biji/ fase generatif)
4.
pH
yang dikehendaki netral – agak basa,
5. Suhu
yang disukai 20-28oC, masing-masing jenis isolat berbeda
tanggapnya terhadap suhu
1.
Faktor-faktor yang mempengaruhi
keberadaan bakteri bintil akar:
6. Ketersediaan air dan hara untuk fotosintesis
karena fotosintesis yang dihasilkan tanaman dimanfaatkan oleh
bakteri
7. Senyawa racun
yang berasal dari herbisida, fungisida di tanah tidak disukai
bakteri bintil, dapat berpengaruh terhadap keberadaan bakteri,
salinitas
8. Ketersediaan nutrisi
seperti N yang bisa menghambat bintil; P untuk supali energi;
Mo untuk kerja nitrogenase, Fe dan Co utk laghemoglobin dan
transfer elektron
9. Kesesuian genetik antara bakteri dgn tan (utk
keperluan infeksi)
Mekanisme Infeksi Bakteri Rhizobium pada Akar

Sebagian besar dari N2 dihasilkan oleh simbiosis
Rhizobium. Ada hubungan antara bintil-bintil Leguminose
dengan senyawa N2. Tanaman kacang-kacangan akan tetap
tumbuh walaupun tidak ada Nitrogen kalau akarnya
terdapat bintil-bintil ini, bintil-bintil ini timbul karena
infeksi rambut akarnya dengan bakteri dari dalam tanah.
Bintil- bintil Akar pada Tanaman Leguminosa (1)


Bakteri-bakteri yang menimbulkan bintil tanaman Leguminosa,
yaitu bakteri bintil, dikelompokkan dalam genus Rhizobium.
Batang-batang Gram-negatif ini yang hidup bebas dalam tanah,
tumbuh secara anaerob ketat dengan senyawa organic sebagai
nutrein.
Infeksi tumbuh-tumbuhan terjadi hanya pada rambut akar muda.
Bakteri menerobos masuk pada / ketat pada ujung rambut akar
dan tumbuh sebagai benang infeksi sampai ke dasarnya. Benang
infeksi ini yang diliputi oleh membran selulosa kemudian
menerobos dinding sel muda dari epidermis dan kulit akar. Kalau
bakteri ini berjumpa dengan sebuah sel tetraploid dan jaringan
kulit, maka sel ini dan sel-sel diplois yang ada di sekelilingnya
terangsang untuk membelah, benang infwekinya bercabang dan
membagi diri pada sel tetraplois.
Bintil- bintil Akar pada Tanaman Leguminosa(2)

Percabangan ini menyebabkan jaringan kortek membesar
yang dapat dilihat sebagai bintil. Bintil-bintil ini merupakan
hasil poliferasi jaringan yang terangsang oleh Rhizobium
dengan perantara sesuatu faktor pertumbuhan. Bakteribakteri ini amat cepat memperbanyak diri, tumbuh
menjadi sel dengan bentuk tidak teratur ( bakterod ),
dengan volume 10-12 kali lipat dari Rhizobium yang dapat
bebas, dan akhirnya terletak dalam sitoplasma sel-sel
tumbuh-tumbuhan sebagai sel-sel individual/dalam
kelompok yang diselubungi oleh sebuah membrane.
Bintil- bintil Akar pada Tanaman Leguminosa(3)


Tipe bintil akar :
1. Globus
Ciri: berbentuk bulat, gampang lepas dari akar
2. Peanut
Ciri: berbentuk agak bulat, letaknya terbenam
3. Semi Globus
Ciri: bentuknya tidak beraturan, permukaannya ada yang
kasar dan licin.
4. Memanjang
5. Koral
Seringkali bintil akar terdapat pada tanaman legum yang
tumbuh pada tanah berpasir yang kurang subur seperti tanah
jenis PMK. Bintil akar tidak selalu tumbuh di pangkal akar, ada
juga yang tumbuh di ujung-ujung akar. Tidak selalu bintil akar
dihuni oleh bakteri rhizobium yang tepat dan efektif.
Gambar Pembentukan Bintil - Bintil Akar
Mekanisme terbentuknya bintil akar pada
tanaman legume. (1)

Pembentukan bintil akar dimulai dengan sekresi produk
metabolism tanaman ke daerah perakaran yang menstimulasi
pertumbuhan bakteri. Terjadi interaksi antara akar tanaman
dengan bakteri Rhizobia. Akar tanaman mengeluarkan sinyal
yang akan mengaktifkan ekspresi gen dari bakteri yang
berperan pada nodulasi. Bakteri Rhizobia akan mensintesis
sinyal berupa asam amino termodifikasi (homoserin lakton)
yang membawa subtituen rantai asil yang bervariasi yang
disebut asil homoserin lakton (AHL), yang menginduksi
pembentukan meristem nodul dan memungkinkan bakteri
untuk masuk ke dalam meristem tersebut melalui proses
infeksi. Interaksi secara simbiosis terjadi karena adanya
pertukaran sinyal antara tumbuhan dan bakteri (Rhizobia).
(2)

Tanaman mensekresikan senyawa‐senyawa flavonoid
yang gugus fenolnya bersama dengan NodD (protein
penggerak) dari bakteri menginduksi ekspresi dari gen
pembentukan nodul dari Rhizobia (nod). Sebagai
hasilnya, Rhizobia memproduksi Nod factors. Induksi
Nod factors direspon oleh tanaman (yang salah
satunya) dengan pembentukan nodul.

(3)

Gen yang berperan dalam pembentukkan bintil akar
oleh Rhizobium disebut dengan gen nod. Gen nod
yang berperan dalam menginduksi terjadinya
pembengkokan akar rambut dan pembelahan sel
tanaman adalah gen nod ABC yang disebut sebagai
faktor Nods.

Proses selanjutnya terjadi kolonisasi bakteri Rhizobia
dan lalu menempel pada rambut akar yang dilanjutkan
dengan deformasi (perubahan bentuk) bulu akar yaitu
membelok atau bercabang, sebagai respon terhadap
etilen, yang dirangsang oleh IAA.
(4)

Kemudian Rhizobia terjebak di dalam lekukan lipatan
rambut akar yang kemudian mengakibatkan Rhizobia
mencoba masuk melalui dinding sel dengan menyusup
dengan membentuk infeksi (luka).

Di dalam bintil akar, bakteri akan membentuk struktur
yang menggembung serta dapat mengikat nitrogen
dari udara yang dikenal dengan nama bakteroid. Bintil
akar yang aktif menambat nitrogen umumnya besar
dan berwarna merah muda yang dikarenakan oleh
leghemoglobin
(5)

Pembentukan benang infeksi untuk mentransfer sel-sel
bakteri ke dalam korteks akar. Bakteri menembus dan
masuk ke dalam sel-sel korteks. Selanjutnya terjadi
pembentukan meristem nodul dan perluasan nodul
dengan pembelahan sel-sel korteks.

Pembesaran sel-sel korteks yang terinfeksi di bagian dalam
nodul. Sel kortikoid tertentu dari tanaman membelah
untuk membentuk primordial nodul dan melalui
primordial ini penyusupan sel secara infeksi tumbuh.
Pertumbuhan tersebut lebih lanjut akan membentuk suatu
tumor. Di dalam daerah infeksi tersebut bakteri membelah
diri sebelum akhirnya terbentuk nodul dan bakteri
tersebut terdiferensiasi menjadi bakteroid dan mulai
mengikat nitrogen.
Faktor- faktor yang Mempengaruhi
Pembentukan Bintil Akar (1)

Temperatur dan Cahaya dapat mempengaruhi
pertumbuhan tanaman, bintil akar dan penambatan N.
Pengaruh suhu terhadap tanaman legum bervariasi
tergantung kepada jenis legumnya. Sistem simbiotik lebih
sensitif terhadap suhu dibandingkan dengan pertumbuhan
tanaman. Pada suhu yang rendah (<10 0C) proses
pembelahan sel dari bakteri pada rizosfer akan terhambat
sehingga menyebabkan terhambatnya proses infeksi dan
menurunnya berat bintil, sedangkan pada suhu >24 0C
merangsang infeksi rambut akar oleh Rhizobium. Rentang
temperatur
yang
paling
menguntungkan
untuk
pembentukan jaringan bakteroid di dalam bintil adalah
20-30 0C .
(2)

Kelembaban
Tanah
sangat
berperan
dalam
pembentukan bintil akar. Terjadi penurunan infeksi akar
dan nodulasi seiring dengan penurunan kelembaban tanah
(kekeringan), bahkan tidak terbentuk bintil akar pada
tanah yang mengalami kekeringan. Hal ini disebabkan oleh
kegagalan proses infeksi rambut akar. Keadaan yang
demikian juga dapat menekan proses fiksasi nitrogen dan
menurunkan fotosintesis. Defisiensi kelembaban tanah
sangat mempengaruhi fiksasi N2 sebab pembentukan
bintil awal, perkembangan bintil dan aktifitas nitrogenase
lebih sensitif terhadap stress kelembaban tanah daripada
sistem metabolisme akar dan pucuk. Stress yang ringan
atau berat menurunkan baik jumlah maupun ukuran bintil
akar tanaman.
(3)


Zat Pengatur Tumbuh berupa asam indol asetat (IAA)
dan giberelin telah dapat dideteksi dalam bintil akar. Bintil
akar mengandung lebih banyak IAA daripada perakaran
yang bersebelahan dengannya. Beberapa zat tumbuh
merangsang pembentukan bintil sedangkan yang lainnya
menghambat, tergantung pada konsentrasi zat kimia yang
digunakan.
Kemasaman
tanah
berpengaruh
terhadap
perkembangan akar tanaman dan ketersediaan hara tanah.
Pada pH yang rendah, beberapa jenis legum tidak dapat
berkembang walaupun Rhizobium cukup toleran, sehingga
proses pembentukan bintil terhambat. Jumlah dan ukuran
bintil mungkin dipengaruhi oleh reaksi substrat tempat
tumbuh legum. Kondisi masam dan defisiensi kalsium
berpengaruh langsung terhadap pembentukan simbiosis
(4)

Faktor ekologis Penggunaan pestisida merupakan usaha
yang dilakukan untuk mengendalikan hama dan penyakit
tanaman dan beberapa senyawa kimia ini mungkin
mempengaruhi proses mikrobiologis dalam tanah. Tetapi
dengan dosis yang direkomendasikan pestisida tidak
mempengaruhi
nodulasi.
Sebaliknya,
herbisida
mempengaruhi proses pembentukan bintil dan fiksasi
nitrogen pada legum. Pada percobaan menunjukkan
bahwa
penggunaan
Dalapon
dapat
mengurangi
pembentukkan bintil dan cenderung mengurangi efisiensi
fiksasi nitrogen. Hal ini terlihat dari autoradiograf
herbisida ditranslokasikan dengan cepat dan dapat
dideteksi dalam daun dan bintil
(5)

Ketersediaan Hara Lainnya

Ketersediaan fosfor (P) merupakan faktor penting dalam
pembentukkan bintil dan pertumbuhan tanaman terutama
pada tanah-tanah masam. Kandungan P dalam bintil 2-3
kali lebih besar daripada kandungan P pada akar .Bahwa
aplikasi KH2PO4 25 ppm di tanah-tanah masam
meningkatkan dengan signifikan persentase pembentukkan
bintil pada Trifolium subterraneum yang diinokulasikan
Rhizobium leguminosarum bv. Trifolii. Hal yang sama,
pembentukkan bintil dan fiksasi N2 (aktivitas nitrogenase)
pada Trifolium vesiculosum akan meningkat secara
signifikan setelah ditambahkan P (100 ppm) dan K (300
ppm) sedangkan aktivitas nitrogenase meningkat dua kali
pada saat konsentrasi P dinaikkan menjadi 400 ppm.
(6)

Kandungan N dalam tanah (khususnya dalam bentuk
NO3-) dapat menghambat proses nodulasi dan fiksasi
N2 oleh bakteri rhizobia yang bersimbiosis dengan
tanaman legum. Selain itu Molibdenum merupakan
unsur mikro yang sangat esensial untuk semua
tanaman dan sangat dibutuhkan untuk pembentukkan
bintil akar dan fungsi enzim kompleks nitrogenase dari
bakteri rhizobia. Tanah yang kekurangan Mo akan
menurunkan populasi rhizobia sehingga tanaman yang
terinfeksi tidak ternodulasi efektif Interaksi
Mikroorganisme
(7)
Interaksi Mikroorganisme Setiap inokulasi strain
Rhizobium ke media tanah akan mengalami beberapa
kendala untuk mencapai keberhasilan nodulasi akar.
Tiga kendala utama yaitu : (1) rhizobia tidak berhasil
bertahan hidup di daerah rhizosfer maupun membentuk
bintil akar tanaman inang. (2) Inokulan Rhizobium berhasil
bertahan hidup di daerah rhizosfer dan menghasilkan
bintil akar yang baik tetapi gagal bertahan hidup di media
tanah sekitarnya. (3) Inokulan Rhizobium gagal bersaing
dengan rhizobia asli untuk membentuk bintil akar. Indikasi
kemampuan kompetitif dan daya efektivitas strain rhizobia
tergantung dari karakter strain itu sendiri, namun tanaman
inang lebih menyeleksi beberapa strain yang terbaik dari
campuran populasi strain efektif dan strain tidak efektif .

(8)

Ada beberapa jenis fungi terutama Penicillium dan
Aspergillus bersifat antagonis terhadap R. trifoli atau
R. lupini. Fungi tersebut membentuk koloni pada tanah
atau daerah sekitar rhizosfer yang mengakibatkan
berkurangnya daya simbiosis yaitu berkurangnya
pembentukkan bintil, leghaemoglobin bintil, kandungan
nitrogen dan pertumbuhan tanaman inang
Reaksi pada proses penambatan nitrogen:
N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP 2NH3 + 16 ADP + 16Pj +
H2
Untuk mereduksi 1 molekul N2 diperlukan 15 – 30 ATP
yang 30 – 60 % dari energi ATP ini terbuang dalam bentuk
gas H2
Rumus Pemanfaatan Nitrogen bagi Tanaman:
N2 + H2 → NH4 + O2 → NO3 + O2→ NO2