FIKSASI NITROGEN OLEH BAKTERI Rhizobium

FIKSASI NITROGEN OLEH BAKTERI Rhizobium

I. PENDAHULUAN

Salah satu pendekatan untuk melakukan penghematan dalam pemakaian pupuk anorganik, yakni dengan meningkatkan efisiensi penggunaan N tersedia dalam tanah melalui penambatan N₂, baik secara langsung atau interaksi dengan bakteri penambat N₂ (Simanungkalit et al., 2007). Pemanfaatan bakteri fiksasi N₂, baik yang diaplikasikan melalui tanah maupun disemprotkan pada tanaman, mampu meningkatkan efisiensi pemupukan N. Dalam upaya mencapai tujuan pertanian ramah lingkungan dan berkelanjutan, penggunaan bakteri fikasi N₂ berpotensi mengurangi kebutuhan pupuk N sintetis, meningkatkan produksi dan pendapatan usahatani dengan masukan yang lebih murah (Saraswati dan Sumarno, 2008).

Bakteri Rhizobium adalah salah satu contoh kelompok bakteri yang berkemampuan sebagai penyedia hara bagi tanaman. Bila bersimbiosis dengan tanaman legum, kelompok bakteri ini akan menginfeksi akar tanaman dan membentuk bintil akar didalamnya. Rhizobium hanya dapat memfiksasi nitrogen atmosfer bila berada di dalam bintil akar dari mitra legumnya. Peranan Rhizobium terhadap pertumbuhan tanaman khususnya berkaitan dengan masalah ketersediaan nitrogen bagi tanaman inangnya (Rao, 2007).

Rhizobium yang berasosiasi dengan tanaman legum mampu memfiksasi       100-300 kg N/ha dalam satu musim tanam dan meninggalkan sejumlah N untuk tanaman berikutnya (Sutanto, 2002 dalam Rahmawati, 2005). Rhizobium mampu mencukupi 80% kebutuhan nitrogen tanaman leguminosa dan meningkatkan produksi antara 10%-25%. Permasalahan yang perlu diperhatikan adalah efisiensi inokulan Rhizobium untuk jenis tanaman tertentu, tanggapan tanaman sangat bervariasi tergantung pada kondisi tanah dan efektivitas populasi asli (Sutanto, 2002).  

II. BAKTERI Rhizobium

Rhizobium adalah salah satu contoh kelompok bakteri yang berkemampuan sebagai penyedia unsur hara bagi tanaman. Bila bersimbiosis dengan tanaman legume, kelompok bakteri ini akan menginfeksi akar tanaman dan membentuk bintil akar didalamnya. Rhizobium hanya dapat memfiksasi nitrogen atmosfer bila berada di dalam bintil akar dari mitra legumnya. Peranan Rhizobium terhadap pertumbuhan tanaman khususnya berkaitan dengan masalah ketersedian nitrogen bagi tanaman inangnya (Rao, 1994). Karakteristik bakteri Rhizobium secara makroskopis adalah warna koloni putih susu, tidak transparan, bentuk koloni sirkuler, konveks, semitranslusen, diameter 2–4 mm dalam waktu 3–5 hari pada agar khamir-manitol-garam mineral. Secara mikroskopis sel bakteri Rhizobium berbentuk batang, aerobik, gram negatif dengan ukuran 0,5–0,9 × 1,2–3 µm, bersifat motil pada media cair, umumnya memiliki satu fagela polar atau subpolar. Untuk pertumbuhan optimum dibutuhkan temperatur 25–30° C, pH 6–7 (kecuali galur-galur dari tanah masam). Bakteri Rhizobium bersifat kemoorganotropik, yaitu dapat mengunakan berbagai karbohidrat dan garam-garam asam organik sebagai sumber karbonnya (Holl, 1975).

Bakteri Rhizobium aktif dapat diketahui secara visual dari bintil - bintil bundar di akar tanaman. Bila akar dibelah, didalamnya akan tampak warna kemerahan bila bagian ini dipijit, akan keluar cairan kemerahan. Bakteri Rizobium akan giat mengadakan fiksasi N pada tanah yang kandungan nitrogennya rendah dan akan berkurang pada tanah yang kandungan nitrogennya tinggi. Bakteri Rhizobium mampu bertahan di dalam tanah selama beberapa tahun  (Ismawati, 2003). 

Rhizobium yang berasosiasi dengan tanaman legum mampu memfiksasi 100-300 kg N/ha dalam satu musim tanam dan meninggalkan sejumlah N untuk tanaman berikutnya (Sutanto, 2002 dalam Rahmawati, 2005). Rhizobium mampu mencukupi 80% kebutuhan nitrogen tanaman leguminosa dan meningkatkan produksi antara   10%-25%. Permasalahan yang perlu diperhatikan adalah efisiensi inokulan Rhizobium untuk jenis tanaman tertentu, tanggapan tanaman sangat bervariasi tergantung pada kondisi tanah dan efektivitas populasi asli (Sutanto, 2002).  

III. SIMBIOSIS ANTARA Rhizobium DENGAN LEGUMINOSA

Simbiosis antara Rhizobium dengan leguminosa dicirikan oleh pembentukan struktur bintil akar pada tanaman inang (leguminosa). Pembentukan bintil akar diawali dengan sekresi produk metabolisme tanaman ke daerah perakaran yang menstimulasi pertumbuhan bakteri. Secara umum tahap pembentukan bintil akar pada tanaman leguminosa terjadi melalui beberapa tahapan, yaitu : 1. Pengenalan pasangan yang sesuai antara tanaman dengan bakteri yang diikuti oleh pelekatan bakteri Rhizobium pada permukaan rambut akar tanaman; 2. Invasi rambut akar oleh bakteri melalui pembentukan benang infeksi; 3. Perjalanan bakteri ke akar utama melalui benang infeksi; 4. Pembentukan sel-sel bakteri yang mengalami deformasi, yang disebut sebagai bakteriod, didalam sel akar tanaman; 5. Pembelahan sel tanaman dan bakteri sehingga terbentuk bintil akar.

Simbiosis antara strain-strain Rhizobium dengan spesies leguminosa terdapat perbedaan dalam keserasiannya, bahkan keserasian dalam hubungan simbiosis itu terdapat antara strain-strain Rhizobium dengan varietas-varietas tanaman leguminosa. Hubungan yang serasi akan menghasilkan bintil akar yang sangat efektif dalam fiksasi nitrogen (Yutono, 1985) (Tabel 1).

Tabel 1. Beberapa spesies Rhizobium dan tanaman simbiosisnya.  

No.	Spesies Rhizobium	Tanaman Simbiosis
1	R. leguminasorum	Pea (Pisum spp), lentil ( Lens culinaris)
2	R. phaseoli	Kacang buncis (Phaseolus vulgaris)
3	R. trifolii	Clover ( Trifolium subteranim)
4	R. melioti	Alfafa (Medicago sativa)
5	R. lupini	Lupin (Lupinus, spp)
6	R. japonicum	Kedelai ( Glycine max)
7	Rhizobium. spp	Cowpea (Vigna, spp), kacang tanah (Desmodium spp)

Sumber : Dewi, (2007).

Salah satu sifat penting dalam pola pembentukan bintil akar adalah waktu yang dibutuhkan untuk membentuk bintil akar dan memulai fiksasi N₂. Permulaan ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah strain Rhizobia. Strain yang pertama membentuk bintil akar adalah strain yang mampu bersaing dengan bakteri yang membentuk bintil akar lebih lambat. Faktor lain yang mempengaruhi kecepatan pembentukan bintil akar adalah populasi Rhizobia, kelembaban tanah dan kandungan nitrogen tanah (Gibson et al., 1987).

Bakteri yang terdapat didalam akar kemudian tumbuh secara cepat dan mengalami perubahan bentuk menjadi struktur bercabang yang disebut sebagai bakteroid. Bakteroid dikelilingi oleh membran sel tanaman yang disebut membran peribakteroid. Pengikatan nitrogen baru dapat terjadi setelah terbentuk struktur bakteroid. Jika tanaman mati maka bintil akar akan rusak sehingga bakteri terlepas keluar dari sel - sel akar tanaman (Yuwono, 2006).

IV. PROSES FIKSASI NITROGEN OLEH Rhizobium

Untuk mengfiksasi nitrogen, bakteri Rhizobium menggunakan enzim nitrogenase, dimana enzim ini akan menambat gas nitrogen di udara dan merubahnya menjadi gas amoniak dan kemudian asetylen menjadi ethylen. Gen  yang mengatur proses penambatan ini adalah gen nif (nitrogen - fixation). Gen – gen nif ini berbentuk suatu rantai, tidak terpencar kedalam sejumlah DNA yang sangat besar yang menyusun kromosom bakteri, tetapi semuanya terkelompok dalam suatu daerah. Nitrogenase adalah dua  protein  kompleks. Satu komponen, dinamakan nitrogenase reduktase (NR) adalah besi (Fe) berisi protein yang menerima elektron dari ferredoxin, reduktat kuat, dan kemudian mengirimkannya kekomponen lainnya dinamakan nitrogenase atau M_OFe protein (Iron-Molybdenum Protein).

Reduksi N₂ ke NH₃ di dalam nodul dari legum dikatalisis oleh enzim Nitrogenase dalam bakteroid Rhizobium. Enzim ini dipengaruhi oleh oksigen, menyebabkan inaktivasi yang tidak balik. Suatu hal penting yang perlu diperhatikan bila melakukan ekstraksi dan pemurnian enzim ini ialah kondisinya yang anaerobik. Enzim ini terdiri dari 2 protein yang mengkatalisis reduksi N₂ (tidak akan mengkatalisis reduksi N₂ tanpa yang lainnya).

Dalam proses fiksasi nitrogen, baik nitrogenase (protein Mo-Fe) maupun nitrogenase reduktase (protein Fe) bersifat esensial dalam penambatan nitrogen. Protein Fe berintekrasi dengan Mg⁺⁺ sedangkan protein Mo-Fe mengkatalisis reduksi N₂ menjadi NH₃, H⁺ menjadi H₂ dan mengubah asitetilen menjadi etilen. Selama penambatan nitrogen, sumber reduktan untuk transfer electron berasal dari ferredoxin atau flavodoxin yang tereduksi. Ferrodoxin yang tereduksi memberikan electron ke frotein Fe sehingga mereduksi protein Mo-Fe dan diikuti oleh pelepasan phosphat anorganik (Pi). kompleks enzim nitrogenase memperoleh energi dari ATP yang dihasilkan pada saat terjadi proses respirasi. Akhirnya, protein Mo-Fe memberikan electron ke substrat yang dapat direduksi, misalnya N₂. Secara umum reaksi penambatan nitrogen pada bintil akar legume dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut :

                                                                         Mg ⁺⁺

N₂ + 16 ATP + 8 e^- + 10 H⁺ --------- >  2 NH₄⁺ + H₂⁺ + 16 ADP + 16 Pi

Ammonia adalah produk stabil pertama pada proses fiksasi nitrogen. Setelah terbentuk, ammonia kemudian ditransfer melalui membran bakteroid ke sel tanaman yang selanjutnya akan digunakan dalam metabolisme tanaman. (Yuwono, 2006).

V. PEMANFAATAN Rhizobium UNTUK FIKSASI N₂ SEBAGAI EFISIENSI PEMUPUKAN NITROGEN

Salah satu pendekatan untuk melakukan penghematan dalam pemakaian pupuk anorganik, yakni meningkatkan efisiensi penggunaan N tersedia dalam tanah melalui penambatan N₂, baik secara langsung atau interaksi dengan bakteri penambat N₂. Pemanfaatan bakteri penambat N₂, baik yang diaplikasikan melalui tanah ataupun benih (seed coating) mampu meningkatkan efisiensi pemupukan N (Simanungkalit    et al., 2007).

Hasil penelitian Surtiningsih et al., (2009) menunjukkan bahwa pengaruh pemberian spesies Rhizobium yang berbeda terhadap hasil rata-rata biomasa tanaman, berat bintil akar dan berat kering biji. Hasil uji statistik menunjukkan tidak ada perbedaan yang nyata (a > 0,05) antara spesies Rhizobium yang berbeda terhadap biomasa tanaman, berat bintil akar dan berat kering biji kedelai/tanaman, walaupun demikian pemberian pupuk bakteri Rhizobium japonicum, R. phaseoli, R. leguminosarum dan Campuran Rhizobium menunjukkan hasil yang lebih baik jika dibandingkan dengan kontrol (tanpa diberi bakteri Rhizobium) baik untuk pertumbuhan maupun produksi berat kering biji kedelai/tanaman, sementara itu pengaruh campuran spesies Rhizobium (campuran R1, R2, R3) menunjukkan hasil yang lebih baik dari pada pupuk bakteri spesies tunggal terhadap pertumbuhan (biomasa = 5,7 ± 8,9 g), bintil akar (26,2 ± 39,7 mg) maupun produksi tanaman berat kering biji kedelai (8,0 ± 15,1 g/tanaman) (Tabel 2).

Tabel 2. Pengaruh pemberian spesies Rhizobium terhadap biomassa tanaman, berat bintil akar dan berat kering biji kedelai/tanaman

No	Spesies Rhizobium	Biomasa tanaman (g)	Berat bintil akar/tanaman (mg)	Berat kering biji/tanaman (g)
1	R0 = Kontrol	1,0 ± 0,6	2,9 ± 5,0	0,89 ± 0,4
2	R1 = R. japonicum	2,8 ± 0,8	21,5 ± 29,4	4,9 ± 5,2
3	R2 = R. phaseoli	3,9 ± 1,4	8,2 ± 10,4	3,8 ± 0,7
4	R3 = R. leguminosarum	2,7 ± 3,9	2,2 ± 3,4	2,7 ± 2,0
5	R4 = Campuran R1, R2, R3	5,7 ± 8,9	26,2 ± 39,7	8,0 ± 15,1

Sumber : Surtiningsih et al., (2009).

Madigan et al., (2002), mengungkapkan bahwa bintil akar efektif mampu menambat nitrogen dari udara dan mengkonversi N menjadi asam amino untuk disumbangkan kepada tanaman kacang-kacangan. Elkan (1992), menjelaskan bahwa terbentuknya bintil akar efektif yang lebih banyak mampu meningkatkan penambatan nitrogen yang selanjutnya digunakan untuk membentuk klorofl dan enzim. Peningkatan klorofl dan enzim mampu meningkatkan fotosintesis yang pada akhirnya dapat meningkatkan pertumbuhan vegetatif dan generatif (hasil produksi biji) tanaman.

Tabel 3 menunjukkan pengaruh pemberian dosis inokulum bakteri Rhizobium terhadap hasil rata-rata biomasa tanaman, berat bintil akar dan berat kering biji kedelai/tanaman. Hasil uji statistik menunjukkan tidak ada perbedaan yang nyata (a > 0,05) antara dosis inokulum bakteri Rhizobium yang berbeda terhadap biomasa tanaman, berat bintil akar dan berat kering biji, walaupun demikian ada kecenderungan pemberian inokulum bakteri Rhizobium dengan dosis 5 dan 10 ml, menunjukkan hasil yang lebih baik jika dibandingkan dengan kontrol (tanpa diberi bakteri Rhizobium) baik untuk pertumbuhan maupun produksi berat kering biji kedelai/tanaman, sementara itu pengaruh dosis inokulum bakteri Rhizobium 10 ml (D2) menunjukkan hasil yang lebih baik dari pada dosis inokulum bakteri Rhizobium 5 ml maupun kontrol (tanpa diberi inokulum bakteri Rhizobium), baik terhadap pertumbuhan (biomasa = 4,73 ± 6,52 g), bintil akar (22,94 ± 33,61 mg) maupun produksi tanaman berat kering biji kedelai (6,06 ± 10,49 g/tanaman).

Tabel 3. Pengaruh pemberian dosis inokulum bakteri Rhizobium terhadap biomasa tanaman, berat bintil akar dan berat kering biji kedelai/tanaman

No.	Dosis inokulum bakteri Rhizobium	Biomassa tanaman (g)	Berat bintil akar/tanaman (mg)	Berat kering biji/tanaman (g)
1	D0 = kontrol	1,0 ± 0,6	2,9 ± 5,0	0,89 ± 0,4
2	D1 = 5 ml	2,28 ± 1,76	5,1 ± 9,23	3,13 ± 3,85
3	D2 = 10 ml	4,73 ± 6,52	22,94 ± 33,61	6,06 ± 10,49

Sumber : Surtiningsih et al., (2009).

DAFTAR PUSTAKA

Dewi, I. R. 2007. Fiksasi N Biologis pada Ekosistem Tropis. Tugas Makalah Mata Kuliah Biofertilisasi. Program Pasca Sarjana, Universitas Padjadjaran, Bandung.

Ghanem, R. A., Boggs, L. C. and Smith, J. L. 2011. Cultivar Effects On Nitrogen Fixation In Peas And Lentils. Crop and Soil Sciences, Washington State University, USA.

Saraswati, R. dan Sumarno. 2008. Pemanfaatan Mikroba Penyubur Tanah Sebagai komponen Teknologi Pertanian. Balai Penelitian Tanah. Iptek tanaman Pangan.

Simanungkalit, R. D. M., Saraswati, R., Hastuti, R, D. dan Husen, E. 2007. Bakteri Penambat Nitrogen. Balai Besar Litbang Sumber daya Lahan Pertanian.

Surtiningsih, T., Farida, dan Nurhariyati. 2009. Biofertilisasi Bakteri Rhizobium Pada Tanaman Kedelai. Departemen Biologi, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya.