struktur dan fungsi eksopolisakarida dalam

Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
STRUKTUR DAN FUNGSI
EKSOPOLISAKARIDA DALAM SIMBIOSIS
LEGUM-RHIZOBIUM
Cecep Hidayat
Jurusan Agroteknologi, Fakultas Sains dan Teknologi, UIN Sunan Gunung
Djati Bandung
[email protected]
Abstrak
Rhizobia memproduksi eksopolisakarida (EPS) untuk pembentukan nodul
pemfiksasi nitrogen pada tipe nodul-legum indeterminate. EPS berperan dalam
invasi dan perkembangan nodul, pelepasan bakteri dari benang infeksi,
perkembangan bakteroid, dan penekanan terhadap respons pertahanan tanaman
dan perlindungan terhadap senyawa anti microbial tanaman. Sintesis dikontrol
oleh gen-gen exo, exs, exp, atau pss yang terdapat pada megaplasmid rhizobia
atau
kromosom
Eksopolisakarida
rhizobia
merupakan
heteropolisakarida spesifik spesies yang mengandung
polimer
gula yang dapat
disubstitusi dengan sisa non-karbohidrat dan terdiri dari unit ulangan tujuh
sampai sembilan sisa heksosa. Succinoglycan (EPS I) dan galactoglucan (EPS
II) merupakan EPS rhizobia yang memiliki struktur dan sintesis berbeda.
Succinoglycan tersusun dari unit berulang octasaccharida yang berisi satu
galaktosa dan sisa tujuh glukosa dan digabungkan oleh ikatan β-1,3, β-1,4 dan
18
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
β-1, 6 glycosidic dan . Galactoglucan merupakan polimer unit berulang
disakarida dengan ikatan α-1,3 dan β-1,3 glycosidic EPS I disintesis pada
kondisi normal, sedangkan EPS II disintesis pada saat kekurangan P atau terjadi
mutasi pengatur gen mucR atau expR. EPS I dan II disekresikan kedalam fraksi
utama dengan dua sub unit polimerisasi berbeda, yaitu : 1) yang memiliki berat
molekul tinggi (HMW) dan 2) yang memiliki berat molekul rendah (LMW).
Pada mutan defisien EPS pembengkokan rambut akar dan pembentukan benang
infeksi dapat terus berjalan dengan bantuan penambahan LMW EPS dan
koinokulasi.
Keberhasilan koinokulasi bergantung pada kemampuan strain
rhizobia dalam menghasilkan EPS identik dan struktur kimia yang sama, serta
memiliki jumlah pasangan EPS- Nod+ dan EPS+Nod- sama.
Kata kunci : EPS, succinoglycan, galactoglucan, koinokulasi, rhizobium
19
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
tropis seperti kedelai dan kacang-
Pendahuluan
Pada
terbatas,
kondisi
bakteri
nitrogen
gram-negative
kacangan lain membentuk nodul
determinate
berbentuk bola dan
tanah Rhizobium, Bradyrhizobium,
mersitem
Sinorhizobium, Mesorhizobium, dan
Perkembangan nodul memerlukan
Azorhizobium membentuk simbiosis
sintesis dan persepsi sinyal molekul
dengan tanaman leguminosae dalam
seperti lipochito oligosakarida yang
bentuk
disebut faktor Nod yang berperan
nodul akar . Nodul akar
adalah organ
yang
berisi sel tanaman
terinfeksi
bakteroid
yang
tidak
persisten.
dalam induksi pembentukan nodul.
Faktor
Nod
berperan
dalam
menyumbang tanaman dengan N-
deformasi akar rambut (Had+, Hac+),
terfiksasi. Nodul yang terbentuk
pembentukan benang infeksi ( Thr+)
pada tanaman inang terdiri dari dua
dan aktivasi pembelahan sel korteks.
tipe,
Polisakarida permukaan dari bakteri
yaitu
indeterminate.
determinate
Tanaman
dan
legum
beriklim sedang seperti semanggi,
juga
krusial
bagi
keberhasilan
simbiosis dengan tanaman legume.
pea, atau alfalfa membentuk nodul
Kebanyakan
rhizobia
indeterminate dengan ciri nodul
memproduksi beragam polisakarida,
silindris
yang
dan
mersistem
bertanggung
terdapat
persisten
jawab
apical
diduga
berperan
dalam
yang
interaksi tanaman-bakteri (Gonzalez
terhadap
dan Marketon, 2003). Biosintesis
pertumbuhan nodul. Tanaman legum
eksopolisakarida
(EPS)
oleh
20
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
rhizobia
ISSN 1979-8911
diperlukan
untuk
sekelompok gen-gen yang disebut
pemfiksasi
exo, exs, exp, atau pss yang terdapat
nodul-legum
pada megaplasmid rhizobia atau
Leucaena,
kromosom. Sementara produksi EPS
Medicago, Pisum, Trifolium, dan
dipengaruhi oleh sejumlah faktor-
Vicia spp. EPS terlibat dalam invasi
faktor
dan perkembangan nodul, pelepasan
nitrogen, dan sulfur.
pembentukan
nodul
nitrogen pada
tipe
indeterminate
sperti
bakteri
dari
benang
perkembangan
penekanan
sperti
fosfat,
infeksi,
bakteroid,
terhadap
pertahanan
lingkungan
dan
respons
tanaman
dan
Struktur dan Fungsi
Eksopolisakarida Rhizobia
perlindungan terhadap senyawa anti
microbial tanaman.
Rhizobia
adalah
bacteria
gram-negatif dengan cytoplasmic
Eksopolisakarida
rhizobia
dan membrane luar yang melingkuni
polimer
ruang
merupakan
periplasmic.
Komposisi
heteropolisakarida spesifik spesies
permukaan luar ini tersusun dari
yang mengandung gula yang dapat
polisakarida, yang terbagi dalam tiga
disubstitusi
non-
kelompok, yaitu : 1) lipopolisakarida
karbohidrat. Sintesis unit ulangan
(LPS), polisakarida kapsul (CPS),
eksopolisakarida,
dan
polimerisasi
permukaan
dengan
dan
sel
sisa
modifikasi,
ekspor
dikontrol
ke
polisakarida
Polisakarida
acidic
permukaan
(EPS).
rhizobia
oleh
21
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
mengikat lektin yang dikeluarkan
dan
tanaman inang (Hirsch, 1999).
karbohidrat
Eksopolisakarida
umumnya
bahan
seperti
non
succinate,
rhizoba
pyruvate atau acetate dan acidic
merupakan heteropolisakarida yang
alami yang terkait dengan kehadiran
terdiri
asam uronic, pyruvate ketals dan
dari
Senyawa
unit-unit
ini
berulang.
disekresikan
ke
lingkungan (EPS) atau tinggal pada
permukaan
polisakarida
Keragaman
succinate.
EPS rhizobia yang banyak
bakteri
sebagai
dikenal adalah succinoglycan (EPS
kapsul
(CPS).
I) yang dihasilkan oleh beberapa
EPS
strain S. meliloti. Succinoglycan
struktur
kimia
dalam hal komposisi gula dan
tersusun
keterkaitan dengan sub unit tunggal,
octasaccharida
ukuran unit
ulangan dan tingkat
galaktosa dan sisa tujuh glukosa dan
polimerisasi
ditemukan
digabungkan oleh ikatan β-1,3, β-1,4
diantara
unit
yang
dan β-1, 6 glycosidic.
rhizobia.
EPS
dari
berulang
berisi
satu
S meliloti
merupakan
juga menghasilkan eksopolisakarida
heteropolimer komplek dengan berat
lain yaitu galactoglucan (EPS II).
molekul tinggi dan unit ulangan
EPS II hanya disintesis di bawah
berkisar dari tujuh sampai sembilan
kondisi
sisa heksosa. Pengikat glycosidic
apabila terjadi mutasi salah satu
dapat berupa alpha, beta linear, atau
pengatur gen mucR atau expR
percabangan dengan rantai samping
(Skorupska
kekurangan
et
al
fosfat
,
atau
2006).
22
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
Strukturnya berbeda dengan EPS I,
berfungsi sebagai sinyal spesifik
yaitu
unit
sebagaimana sinyal pembentukan
berulang disakarida dengan ikatan α-
nodul nodRm1. Fraysse et al (2003)
1,3 dan β-1,3 glycosidic. EPS I dan
dengan mengamati mutan exo Y
II disekresikan kedalam fraksi utama
menyimpulkan succinoglycan tidak
dengan
diperlukan
merupakan
polimer
dua sub unit polimerisasi
S.
meliloti
untuk
berbeda, yaitu: 1) yang memiliki
mengkolonisasi
pembengkokan
berat molekul tinggi (HMW), berisi
rambut akar atau untuk menginduksi
ratusan sampai ribuan unit ulangan,
benang infeksi, namun diperlukan
dan 2) yang memiliki berat molekul
untuk pemanjangan benang infeksi
rendah (LMW) yang mencerminkan
pada sel nodul.
monomer, dimer dan timer pada EPS
I.
Louch
dan
Miller
(2001)
menemukan adanya LMW EPS pada
Pengaturan Biosintesis dan
B. japonicum. Bentuk LMW EPS
Koinokulasi Eksopolisakarida
yang diproduksi S. meliloti dapat
Gen exo,exs, dan pss yang
membentuk nodul alfalfa, namun
terdapat
perlu studi lebih lanjut apakah LMW
kromosom
EPS ini mampu membentuk nodul
mengatur
biosintesis
pada
Menurut
eksopolisakarida.
Biosintesis
LMW
eksopolisakarida
tanaman kedelai.
Battisti
et
succinoglycan
al
(1992)
kemungkinan
beberapa
berkelompok
atau
langkah
dalam
megaplasmid
terdiri
proses
dari
dan
23
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
tergantung pada aktivitas kompleks
memproduksi
protein yang berlokasi di membrane
berlebihan.
Sintesis
bagian dalam (IM) dan bagian luar
dipengaruhi
secara
(EM).
peningkatan
defisiensi
ammonia
pengaturan
system
Prekursor,
nukleotida
gula-
ditransfer
polisakarida
atau
difosfo
ke
tepatnya
rantai
melalui
succinoglycan
EPS
kuat
I
oleh
ke
pengkodean oleh exoR dan exoS.
akseptor tempat aktivitas spesifik
ExoR rupanya terlibat langsung
glycosyltransferase.
Pada
dalam merespons nitrogen, sebab
undecaprenol
sintesis EPS I pada mutan exoR
difosfat bertindak sebagai akseptor
tidak bergantung pada kehadiran
(Skorupska et al, 2006).
ammonia dalam medium. Sintesis
Biosintesis
eksopolisakarida
EPS I dalam jumlah besar terjadi di
pada Rhizobium merupakan proses
bawah kondisi normal, sementara
komplek yang diatur di tingkat
produksi EPS II terjadi pada saat
transkripsi dan pasca translasi serta
kekurangan
dipengaruhi oleh berbagai faktor
pengatur gen expR atau mucR.
lingkungan.
Kedua gen ini mengatur biosintesis
heteropolysakarida
Pada
succinoglycan
kromosom
biosintesis
gen
exoR
dan
fosfat
galactoglucan
atau
secara
mutasi
negative.
pengatur
Mutan expR mensintesis simbiotik
exoS
secara aktif HMW dan LMW EPS
mengurangi pembentukannya dan
II,
sedangkan
sebaliknya mutan exoR dan exoS
menghasilkan
mutan
mucR
simbiotik
inaktif
24
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
HMW
EPS
II.
Protenin
ISSN 1979-8911
expR
yang berakibat pada penghambatan
merupakan anggota keluarga protein
pemanjangan benang infeksi dan
LuxR, dimana kebanyakan bertindak
kolonisasi nodul.
sebagai reseptor N-acylhomoserine
Produksi EPS oleh rhizobia
lactones (AHLs) dan termasuk pada
yang bersimbiosis dengan tanaman
pengatur transkripsi yang terlibat
legume seperti Vicia, Medicago,
dalam ekspresi gen.
Pisum atau Trifolium, diperlukan
Pengikatan bakteri oleh akar
untuk pembengkokan rambut akar,
tanaman legume dibedakan dalam
pembentukan
dua tahap. Pengikatan tahap awal
pelepasan bakteri , perkembangan
berjalan setelah adanya pengenalan
bakteroid dan efektifitas nodulasi.
lektin rambut akar oleh spesifik
Pembengkokan rambut akar dan
krabohidrat
dari
pembentukan benang infeksi bisa
rhizobia. EPS akan meningkatkan
berlangsung pada mutan defisien
pengikatan bakteri ke bagian ujung
EPS dengan penambahan sejumlah
rambut akar yang tumbuh dan
kecil fraksi LMW EPS. Kemudian,
penting untuk infeksi epidermis
koinokulasi
rambut akar. Defisiensi selulosa
strain
menurunkan penggumpalan strain
mempertahankan
Exo sehingga infeksi berlangung.
nodul. Nodulasi defisiensi mutan
Defisiensi
Exo dari Rhizobium sp. NGR234, S.
kenaikan
permukaan
EPS
menyebabkan
penggumpalan
bakteri
benang
mutan
isogenic
Exo
infeksi,
dengan
Nod-Exo+
dapat
proses
invasi
meliloti, atau R. leguminosarum
25
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
dapat diperbaiki oleh koinokulasi
diperbaiki dengan koinokulasi
dengan isogenic non nodulasi tetapi
dengan Rhizobium strain NGR
memproduksi EPS. Laus et al (2005)
234 sebagai turunan ANU 280
menyatakan koinokulasi akar V.
atau strain ANU 265. Nodul
sativa
dengan
RBL
5833
heterologous
dan
berbeda
memperlihatkan
jumlah
nodul
hanya terbentuk pada akar yang
dikoinokulasi
dengan
tertinggi berturut-turut RBL 5045,
R.leguminosarum
ANU
dan
845+5833,
899+5833.
dan
CIAT
Pembentukan
benang
infeksi dapat diperbaiki sepenuhnya
ANU
LPR
845
5045
yang
menghasilkan EPS identik, dan
R tropici CIAT 899 yang
melalui koinokulasi dengan strain
menghasilkan
EPS
identik
Uraian
tersebut
tetua LPR 5045- plasmid Sym, R
leguminosarum bv. Trifolii ANU
845, dan R. tropici CIAT 899.
sebagian.
menunjukkan
kebutuhan
Koinokulasi akar dengan S.meliloti
structural EPS rhizobia untuk
RCR 2011, S. meliloti GM 1766,
mencapai
keberhasilan
dan A. tumefaciens LBA 4301
simbiosis.
Struktur EPS juga
menghasilkan benang infeksi yang
gagal . Pembentukan benang
infeksi
juga
tidak
yang
menentukan
infeksi
spesifik tanaman inang.
dapat
26
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
Van Workum et al (1998)
persentase tanaman bernodul
melakukan koinokulasi dengan
dan rata-rata jumlah nodul lebih
RBL
sebagai
strain
kecil dibandingkan dengan yang
Nod-,
untuk
diinokulasi dengan strain RBL
optimal
5522. Koinokulasi akan lebih
EPS- Nod+ dan EPS+ Nod-.
berhasil bila terdapat jumlah
Hasilnya menunjukkan mutan
pasangan
pssDIII akan diperbaiki secara
EPS+Nod- sama. Koinokulasi
efektif
memperlihatkan
isoenic
5522
EPS+
mendapatkan
rasio
apabila
pasangan
EPS-
Nod+
hasil
dan
sama
koinokulasi hadir dalam jumlah
seperti yang ditunjukan oleh
berlebih. Koinokulasi dengan R.
ANU 843 dan ANU 453 yang
leguminosarum
Trifolii
mendapatkan Nod+ dan Nod- dari
ANU 843, yang mensintesis
R. etli CE 3, yang menghasilkan
EPS
EPS dengan struktur kimia sama.
dengan
bv.
unit
octasakarida
ulangan
sama
Fraysse
et
al
(2003)
mengemukakan, penemuan menarik
menunjukkan
hasil
berbeda.
pada era 1990-an yaitu adanya
Meskipun strain ini mampu
memperbaiki
kemampuan
nodulasi dari mutan pssDIII,
perbedaan persepsi EPS berdasarkan
ontogeny nodul (determinate dan
indeterminate),
memerlukan
27
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
eksopolisakarida
ISSN 1979-8911
Acidic
sel koteks akar baru, sementara pada
EPS tampak berperan penting dalam
tipe nodul determinate, bacteria
simbiosis
menyebar melalui pembelahan dari
dengan
berbeda.
pemfiksasi
tanaman
nitrogen
legume
yang
sel yang terinfeksi.
memiliki tipe nodul indeterminate
seperti S. meliloti/alfalfa, Rhizobium
leguminosarum
bv.
Viciae/Vicia
sativa dan bv. Trifoliu/trifolium ssp.
NGR 234/Leucaena. Namun peran
acidic EPS dalam simbiosis tidak
berlaku untuk tipe nodul determinate
S.
fredii/Glycine
max,
leguminosarum
R.
bv.
Phaseoli/Phaseolus.
Perbedaan
tersebut terjadi karena LPSs dapat
menyempurnakan defisiensi
pada
pembentukan
determinate.
adalah
indeterminate
EPS
nodul
Kemungkinan lain
pada
nodul
bacteria
tipe
harus
menyebar melalui cara penetrasi
Kesimpulan
benang infeksi secara kontinu pada
28
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
1. Nodulasi tipe nodul- legume
struktur kimia yang sama, serta
indeterminate memerlukan EPS
memiliki jumlah pasangan EPS-
yang diproduksi rhizobia.
Nod+ dan EPS+Nod- sama.
2. Succinoglycan
(EPS
galactoglucan
I)
(EPS
dan
II)
merupakan EPS rhizobia yang
memiliki struktur dan sintesis
berbeda. EPS I disintesis pada
kondisi normal, sedangkan EPS
II disintesis pada saat kekurangan
P atau terjadi mutasi pengatur
gen mucR atau expR.
3. Pembengkokan rambut akar dan
pembentukan
benang
infeksi
pada mutan defisien EPS dapat
diperbaiki dengan penambahan
sedikit
LMW
EPS
dan
koinokulasi .
4. Keberhasilan
bergantung
strain
koinokulasi
pada
rhizobia
kemampuan
dalam
menghasilkan EPS identik dan
DAFTAR PUSTAKA
29
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
symbiosis Eur. J. Biochem.
Battisti, Laurie, Jimmie C.
270 : 1365–1380
Lara, and John A. Leigh.
1992.
Specific
Gonzalez , Juan E. and Melanie
oligosaccharide form of
M.
the
Quorum
Rhizobium
meliloti
Marketon.
2003.
Sensing
in
exopolysaccharide
Nitrogen-Fixing Rhizobia.
promotes nodule invasion
Microbiology
in alfalfa. Proc. Natl. Acad.
Molecular
Sci. USA Vol. 89 : 5625-
Reviews: 574–592
and
Biology
5629.
Hirsch, M. Ann. 1999. Role
Fraysse , Nicolas., Franc¸ ois
of lectins (and rhizobial
Couderc and Ve´ re´ na
exopolysaccharides) in
Poinsot.
legum nodulation. Current
2003.
Surface
polysaccharide
Opinion in Plant Biology
involvement
in
establishing
the
2:320–326
rhizobium–legume
30
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
Laus, Marc C., Anton A. N.
USDA 110. Applied and
van Brussel, and Jan W.
Envirenmental
Kijne.
Microbiology Vol. 67, No.
2005.
Exopolysaccharide
Structure
Is
2 : 1011–1014
Not
a
.
Determinant of Host-Plant
Specificity in Nodulation
of
Vicia
sativa
Roots.
Skorupska,
Anna.,
Janczarek,
Monika
Małgorzata
MPMI Vol. 18, No. 11,
Marczak, Andrzej Mazur
2005,
and Jarosław Król. 2006.
pp.
1123–1129.
DOI: 10.1094/MPMI -18-
Rhizobial
1123.
exopolysaccharides:
genetic
Louch, Heather A and Karen J.
control
symbiotic
and
functions.
Miller. 2001. Synthesis of
Microbial Cell Factories
a
2006, 5:1-19.
Low-Molecular-Weight
Form
of
Exopolysaccharide
by
Bradyrhizobium japonicum
van Workum , Wilbert A. T.,
Sophie
van
Slageren,
31
Edisi Juli 2013 Volume VII No. 1
ISSN 1979-8911
Anton A. N. van Brussel,
and Jan W. Kijne. 1998.
Role
of
Exopolysaccharides
of
Rhizobium leguminosarum
bv. viciae as Host PlantSpecific
Required
Molecules
for
Infection
Thread Formation During
Nodulation of Vicia sativa.
MPMI Vol. 11, No. 12
:1233–1241.
32