struktur penghalang dalam mekanisme resistensi t

PERTAHANAN METABOLIK DAN ENZIM LITIK DALAM MEKANISME
RESISTENSI TANAMAN TERHADAP SERANGAN PATOGEN
Dr. Ir. Edy Batara Mulya Siregar, MS
Program Ilmu Kehutanan
Fakultas Pertanian
Universitas Sumatera Utara
Pendahuluan
Secara umum tumbuhan akan memberikan respon terhadap serangan
patogen dan respon tersebut akan bertanggung jawab terhadap resistensi tanaman
terhadap patogen. Akibar adanya serangan patogen akan memberikan reaksi
pertahanan untuk melindunginya.
Tanaman akan mempertahankan diri dengan dua cara, yaitu (i) adanya sifatsifat struktural pada tanaman yang berfungsi sebagai penghalang fisik dan akan
menghambat patogen untuk masuk dan menyebar di dalam tanaman, dan (ii) respon
biokimia yang berupa reaksi-reaksi kimia yang terjadi di dalam sel dan jaringan
tanaman sehingga patogen dapat mati atau terhambat pertumbuhannya.
Tanaman akan memberikan respon terhadap patogen dengan cara-cara yang
berbeda. Respon tersebut ada yang berinteraksi dan ada yang tidak berinteraksi.
Pada kasus tertentu terjadi hubungan yang inkompatibel antara tanaman dan
patogen (tanaman adalah resisten) atau hubungan yang kompafibel (tanaman
adalah rentan). Namun interaksi yang terjadi antara tanaman dan patogen yang
menyerangnya sangatlah kompleks dan banyak melibatkan reaksi-reaksi biokimia.
Pada Gambar 1 ditunjukkan kompleksitas interaksi sel tanaman terhadap patogen
yang menyerangnya.
Pada kondisi yang normal tanaman adalah resisten terhadap kebanyakan
mikroorganisme patogen. Hanya relatif sedikit terdapat kombinasi hubungan
patogen-inang yang terjadi. Kejadian biokimia yang terdapat pada interaksi tanaman
inang dan bukan inang dengan suatu patogen adalah sama, tetapi intensitasnya dan
bentuk penampilannya tergantung pada kondisi lingkungan dan fisiologinya.
Kombinasi antara sifat struktural dan reaksi biokimia yang digunakan untuk
pertahanan bagi tanaman berbeda antara setiap sistim kombinasi inang-patogen.
Dapat terjadi pada hubungan inang-patogen yang sama, kornbinasi tersebut dapat
berbeda tergantung pada umur tumbuhan, jenis organ, jaringan tumbuhan yang
diserang, keadaan hara tumbuhan, dan kondisi cuaca.
©2003 Digitized by USU digital library
1
Gambar 1. Kompleksitas Interaksi Sel Tanaman Terhadap Serangan Patogen
Pada Gambar 2 di bawah ditunjukkan ringkasan reaksi biokimia yang sering
diamati setelah inokulasi tanaman inang dengan patogen. Belum semua reaksi terse
but dipelajari secara jauh.
Gambar 2. Illustrasi Komponen Utama Yang Terlibat Dalam Interaksi Tanaman
Patogen.
©2003 Digitized by USU digital library
2
1. Struktur Penghalang
Sebelum patogen dapat mencapai proses infeksi, patogen harus terlebih
dahulu dapat mengatasi penghalang yang melindungi tanaman. Umumnya virus dan
bakteri masuk ke dalam tanaman melalui luka atau dengan bantuan vektor.
Cendawan patogenik dapat masuk ke dalam tanaman melalui luka atau bagianbagian tanaman yang terbuka secara alamiah, seperti stomata atau secara aktif
menetrasi lapisan permukaan tanaman.
Struktur penghalang ini termasuk di dalamnya adalah dinding sel yang
biasanya disusun oleh lapisan lignin, kutikel, dan berhubungan dengan lapisan pektin
dinding sel dan menutupi seluruh bagian permukaan aerial tanaman. Unsur pokok
utama adalah kutin, suatu polimer asam hidroksifat yang tidak larutdan melekat di
dalam lapisan jilin. Bagian di bawah permukaan dari tanaman dan luka pada bagian
aerial tanaman dilindungi oleh suberin. Suberin merupakan suatu campuran polimer
fenolik dan bahannya berasaf dari lipid yang diikiat kepada karbohidrat dinding sel.
1.1 Lapisan Lilin
Komponen utama dari lapisan lilin permukaan tanaman adalah C21-C37 n
alkana, C29 dan C9 lebih sering dijumpai dengan rantai panjang. Seringkali satu atau
beberapa alkana merupakan yang predominan. Unsur yang minor adalah monoester
yang disusun oleh asam fatty dan rantai panjang alkohol, serta aldehid.
Komponen lilin yang ada pada permukaan atas tanaman tidak berperan
secara tunggal dalam pertahanan tanaman melawan patogen. Karakter permukaan
lapisan lilin yang hidrofobik juga mekanisme pertahanan tidak langsung terhadap
patogen. Telah diketahui bahwa kelembaban adalah esensial untuk germinasi spora
dan lapisan lilin yang hidrofobik tersebut akan sangat mengurangi kelembaban pada
permukaan tanaman.
Produk yang lipofilik seperti furanocoumarin telah diidentifikasi merupakan
unsur lilin yang terdapat pada permukaan daun wortel dan parstley yang secara
langsung menghambat pertumbuhan beberapa patogen yang potensil.
Beberapa komponen yang menyusun lilin dapat menstimulir pertumbuhan
cendawan, menginduksi sintesis dan ekskresi enzim degradatif seperti kutinase pada
cendawan patogenik. Perubahan kompopsisi lapisan lilin yang berhubungan terhadap
resistensi sebagai respon terhadap serangan patogen belum diteliti.
1.2 Kutin
Unsur penyusun utama kutin adalah asam fatty C16 dan C18 hidrolisasi. Asam
1O,16-dihidroxypalmitic dan isomernya adalah komponen utama pada grup C16.
Produk yang berasal dari senyawa ini melalui oksidasi dan reduksi merupakan
komponen yang minor dan jarang dijumpai. Secara struktur kutin merupakan suatu
polimer dari asam hidroksifatty.
Beberapa cendawan patogen tanaman mengeluarkan kutinase yang
merupakan suatu enzim yang mengkatalisasi degradasi kutin. Sintesis enzim ini
terinduksi oleh adanya kutin pada tanaman. Terjadinya penghambatan yang spesifik
oleh enzim ini dapat melindungi tanaman dari infeksi cendawan.
Virulensi strain Fusarium solani f,sp. pisi yang berbeda pada tanaman pea
berkorelasi dengan tingkat kutinase yang dihasilkan pada saat perkecambahan
spora. Pada konteksi ini kutin merupakan penghalang utama pada tanaman terhadap
serangan mikroorganisme fitopatogenik.
Sebaliknya dan telah diketahui bahwa untuk patosistim pada kultivar resisten,
penetrasi dari kutikel terjadi secara bebas dengan mengabaikan virulensi cendawan
dan tingkat kerentanan tanaman. Pada sistim ini kutikel tidak memainkan peran
utama dalam perlindungan tanaman terhadap serangan patogen.
©2003 Digitized by USU digital library
3
1.3 Suberin
Bagian bawah dari permukaan tanaman secara aerial terbentuk periderm
yang ditutupi oleh suberin. Suberin adalah suatu campuran polimer yang tidak larut
dari unsur-unsur alifatik dan aromatik yang terikat pada dinding sel.
Fraksi yang kava suberin pada umbi kentang sebagai contoh mempunyai
komposisi 50% karbohidrat, 5-10%, komponen alifatik lain, dan 40-45% komponen
fenolik. Komposisi monomerik dari suberin sedikit sekali yang diketahui.
Cendawan patogen mampu menetrasi suberin setelah proses depolimerisasi
secara enzimatik. Cairan kultur F. Solani f.sp. pisi mengeluarkan I bagian alifatik
yang sama seperti bagian alifatik pada suberin. Dua esterase ekstraseluler telah
dimurnikan dari cendawan ini yang ditumbuhkan pada media yang mengandung
suberin. Kedua esterase tersebut mendepolimerisasi komponen alifatik dari suberin
dan sangat mirip dengan kutinase dari cendawan yang sama setelah ditumbuhkan
pada media yang mengandung kutin.
Beberapa hal yang membingungkan tentang peranan induksi suberisasi dalam
reaksi pertahanan tanaman adalah karena secara analisis tidak membedakan secara
jelas perbedaan antara suberin dan lignin.
1.4 Lignin
Selama proses penebalan dinding sel yang kedua, dinding sel tanaman dan
ruang interseluler diisi dengan polimer fenolik lignin. Lignifikasi terjadi secara
enzimatik melalui dehidrogenasi dan selanjutnya diikuti kondensasi radikal coumaryl,
coniferyl, dan sinapil alkohol. Pada spesies tanaman yang berbeda, proporsi relatif
susunannya juga berbeda. Lignin secara kovalen terikat kepada hemiselulosa dan
selulosa melalui ikatan ester dan eter, dan terhadap protein dinding sel seperti
dengan glikoprotein yang kaya hidrksoprolin.
Pada gambar 3 terlihat bahwa prekursor berasal jalur umum
phenylpropanoid. Banyak enzim yang terlibat dalam sintesisnya dan regulasinya
telah dipelajari sehingga akan diketahui partisipasinya dalam reaksi pertahanan
tanaman terhadap serangan patogen.
Seperti diilustrasikan pad a gambar 3 determinasi ini akan sangat sulit karena
produk dari jalur phenylpropanoid adalah prekusor dari banyak poduk sekunder
tanaman, termasuk diantaranya coumaryl, flavanoid, lignin, suberin dan feolik
lainnya yang juga mungkin terlibat dalam resistensi penyakit.
Bentuk awal lignin memainkan peranan dalam penghambatan pertumbuhan
cendawan dalam jaringan tertentu, sebagai contoh dalam gandum dan buncis.
Penempatan lignin secara lokal, kadang-kadang sampai protoplasma sering kali
dapat diamati sebagai suatu reaksi awal setelah serangan cendawan. Analisis kimia
mengindikasikan perbedaan komposisi dari material yang terinduksii dibandingkan
dengan lignin pada jaringan sehat. Akumulasi yang cepat dari prekusor lignin dan
peningkatan dalam aktifitas lokal pheniylalanine ammonia-lyase (PAL) dan
peroksidase menunjukkan peningkatan sintesis yang berhubungan dengan
penempatan lignin. Perlakuan jaringan tanaman dengan inhibitor PAL, yaitu αaminooxyaacetic acid (AOA) sebelum inokulasi mempengaruhi penempatan polimer
fenolik dan mendukung serangan cendawanpads gandum dan kentang. Pada
potongan umbi kentang esterifikasi dinding sel dengan p-coumaric dan asam ferulic
menyebabkan modifikasi struktur dan kimia sel.
©2003 Digitized by USU digital library
4
Gambar 3. Illustrasi Biosintesis Berbagai Material Fenolik Pada Tanaman.
Peningkatan lignifikasi lokal disertai dengan peningkatan aktifitas enzim PAL
dan peroksidase telah diajukan sebagai mekanisme penting untuk mengurangi
penyebaran virus dalam jaringan tanaman. Beberapa enzim yang terlibat dalam
biosintesis lignin dan regulasinya telah dipelajari dalam reaksi hipersensitif pada
daun tembakau yang diinfeksi oleh TMV. Aktifitas PAL, cinnamic acid 4-hydroxlase,
CoA liagase, O-methyl-transferase, dan peroksidse meningkat secara drastis pada
area sekitar lesio nekrotik. Aplikasi AOA atau α-aminooxy-β-phe-nylpropionic acid
(AOPP) pada daun ini meningkatkan ukuran lesio dan area yang mengandung virus.
Pada banyak kasus penempatan polimer fenolik setelah serangan patogen
telah banyak dipelajari. Analisis kimia yang kurang dan kompleks dari material yang
baru disintesis setelah infeksi patogen dan adanya kesamaan struktur diantara
suberin dan lignin semakin menyulitkan dalam diterminasinya.
1.5 Polisakarida Dinding Sel
Dinding sel tanaman mengandung kira-kira 90% polikarida dan 10%
glikoprotein sebagai tambahan dan methyl ester dan eter juga dijumpai. Tergantung
pada kelarutannya. polisakarida dibagi ke dalam tiga kelas, yaitu pektik
p.olisakarida, hemiselulosa,dan selulosa.
Selulosa merupakan struktur utama polisakarida dinding sel tanaman.
Xyloglucan adalah kandungan utama hemiselulosa pada tanaman dikotil, dan xylam
kandungan utama hemiselulosa pada tanaman monokotil.
Fraksi pektik terdapat 35% pada dinding sel dikotil yang mengandung;
terutama asam galactosyluronik, rhamnosa, arabinosa, dan residu galaktosa.
Struktur dan komposisi polimer pektik tanaman monokotil masih belum diketahui.
©2003 Digitized by USU digital library
5
Kalosa yang merupakan suatu glukan adalah unsur yang secara normal
terdapat pada polen, pistil, dan plasmodesmata tanaman tingkat tinggi. Sel tanaman
mampu mensintesis kalosa secara cepat sebagai respon terhadap stres, seperti
pelukaan atau serangan patogen. Pembentukkan papil yang mengandung kalosa
seringkali terlibat dalam pertahanan tanaman untuk melawan serangan cendawan
dan virus. Akumulasi cepat dengan jumlah besar kalosa dalam papil berkorelasi
dengan resistensi barley terhadap penyakit embun tepung. Namun apakah kalosa
saja yang membuat tanaman menjadi resisten, masih belum dapat terjawab. Dalam
kultur suspensi kacang kedelai, pembentukan kalosa bersamaan dengan adanya
akumulasi fitoaleksin. Kejadian ini dielisitasi oleh kitosa, suatu polimer D-glucosamin
dari beberapa dinding sel cendawan.
Tampaknya polisakarida dinding sel tanaman berperan sebagai suatu sumber
yang disebut elisitor endogen dalam respon terhadap serangan patogen. Frakmen
homogalakturosa yang dilepaskan dari dinding sel kacang kedelai mengelisitasi
biosintesis fitoaleksin dalam kotiledon kacang kedelai.
1.6 Grikoprotein Dinding Sel
Protein yang berasosiasi dengan dinding sel tanaman umumnya adalah suatu
glikoprotein. Glikoprotein dapat terikat secara kovalen atau terlarut dengan derajat
yang beragam. Beberapa diantaranya bekerja sebagai enzim, yang lainnya dapat
sebagai komponen struktur dinding sel tanaman.
Terdapat kira-kira 3 klas glikoprotein yang mengandung sejumlah besar
hidroxiprolin, ekstensin, protein arabinogalaktan, dan lektin. Ekstensin dikeluarkan
sebagai HRGP (hydroxiproline-rich glycoprotein) yang larut dan terikat pada dinding
sel yang tidak dapat larut. Kira-kira 2/3 bagian dari bentuk yang dapat larut
mengandung karbohidrat dan yang 1/3 mengandung protein. Protein arabinogalaktan adalah HRGP yang dapat larut dan dijumpai ekstraseluler didalam sitoplasma.
Perubahan dalam kandungan hidroxiprolin atau HRGP pada dinding sel
tanaman terjadi dalam beberapa interaksi patogen-tanaman, tetapi belum diketahui
apakah perubahan ini berhubungan dengan suatu resistensi. Pada dinding sel
Cucumis melo jumlah HRGP meningkat sepuluh kali setelah infeksi dengan cendawan
Collelotrichum lagenarium, bersamaan dengan peningkatan yang drastis produksi
etilen oleh inang. Elisitor yang berasal dari miselium cendawan ini atau dari dinding
sel melon menyebabkan reaksi yang sama. Perlakuan bibit dengan etilen sebelum
infeksi meningkatkan kandungan HRGP dinding sel dan resistensi terhadap patogen.
Penghambatan sintesis HRGP oleh 2 trans-hydoxiprolin menurunkan jumlah HRGP
dinding sel dan meningkatkan kolonisasi patogen didalam inang.
Suatu elisitor yang berasal dari Phytophthora megasparma f.sp.Glycinea
menstimulasi sintesis etilen dan HRGP dalam hipokotil kedelai.
Akumulasi HRGP dan RNA-nya dalam jaringan terinfeksi dan kultur sel yang
diperlakukan dengan elisitor telah dipelajari dalam patosistem kacang panjang
(Phaseolus vulgaris) dan Colletotrichum lindemuthianum. Dalam sistem ini
kandungan HRGP dinding sel meningkat sebelum terjadi akumulasi fitoaleksin,
sedangkan akumulasi putatif mRNA ekstensin turun dengan cepat.
Lektin dari solanaceae adalah klas ketiga HRGP ekstraseluler. Lektin terdapat
secara ekstraseluler dan intraseluler. Kandungan proteinnya kira-kira 50-60%
dengan asam amino utama terdiri dari hydroxiprolin, serin, glisin, dan sistem. Sejauh
ini belum diketahui dengan jelas apakah lektin berperan dalam interaksi pato-geninang.
Dinding sel tanaman mengandung sejumlah enzim, dan setelah strukturnya
dipelajari diantaranya termasuk glikoprotein. Beberapa diantaranya khususnya
peroksidase dan glicosil hydrolase memainkan peranan dalam pertahanan tanaman.
Peroksidase terlibat dalam biosintesis lignin dan dalam pembentukan jembatan
©2003 Digitized by USU digital library
6
isoditirosin ekstensin. Peningkatan ektifitas peroksidase setelah serangan patogen
telah didemonstrasikan. Glicosil hidrolase merupakan komponen umum dinding sel,
dan bertanggung jawab untuk melepaskan elisitor dari cendawan atau dinding sel
tanaman untuk inaktifasi elisitor.
Kesimpulan
Adanya sifat-sifat struktural pada tanaman yang
penghalang fisik dapat menghambat patogen untuk masuk dan
tanaman.
Struktur penghalang yang terdapat di dalam tanaman
lapisan lilin, kutin, suberin, lignin, polisakarida dinding sel, dan
sel.
berfungsi sebagai
menyebar di dalam
antara lain adalah
glikoprotein dinding
Bahan Referensi
Agrios, G.N. 1988. Plant Pathology 3nd Edit. Academic Press. New York. 803p.
Bell, A.A. 1988. Biochemical mechanisms of diseases resistance. Annu. Rev. Plant
Physiol. 32:21-8.1
Hahlbrock, K. And D.Scheel. 1987. Biochemical Responses of Plants To Pathogen. In
Chet, I. (edit.). Innovative P,pproaches Plant Diseases Control. John Wiley
and Sons New York. 372p.
Ouchi, S. 1983. Induction of resistance of suceptibility. Annu.Rev. Phytopathol. 21 :
189-315.
Paxton, J.and J.Groth. 1994. Constrain on pathogen attacking Plant. Critical Rev.in
PlantSciences.13(1): 77-95.
Sequiera, L. 1985. 1983. Machanism of induced resistance in Plant. Annu.Rev.
Microbiol. 37 : 51-79.
Vance, C.P .Kirk, T .K, and Sherwodd, R. T. 1980. Lignification as mechanism of
diseaes resistance. Annu. Rev.Phytopathol. 18: 259 -288.
©2003 Digitized by USU digital library
7