MEKANISME MORFOLOGI, FISIOLOGI DAN BIOKIMIA TANAMAN PADI (Oryza sativa L.) DALAM MENGHADAPI CEKAMAN SALINITAS

MEKANISME MORFOLOGI, FISIOLOGI DAN BIOKIMIA TANAMAN PADI (Oryza sativa L.) DALAM MENGHADAPI CEKAMAN SALINITAS

I. LATAR BELAKANG

 

Respon tanaman terhadap cekaman garam mencangkup mekanisme toleran (tolerance) dan mekanisme penghindaran (avoidance). Mekanisme toleran mencangkup perubahan mekanisme morfologi, fisiologi, dan biokimia untuk menjaga viabilitas protoplasma sel. Mekanisme penghindaran mencangkup mekanisme fisiologi struktur tanaman untuk meminimalkan konsentrasi garam dalam sel. Ketahanan terhadap salinitas dapat dicapai melalui “Salt Ex-cluder atau Salt In-cluder”. Mekanisme eksklusi adalah mekanisme untuk mencegah defisit air secara internal dengan cara sintesis solut organik dan meningkatkan sekulensi. Sementara mekanisme inklusi adalah mekanisme untuk mencegah toksisitas ion melalui jaringan yang mempunyai toleransi tinggi terhadap peningkatan konsentrasi garam dengan cara kompartementasi garam, sintesis solut kompatibel, dan pertukaran K+/Na+, serta penghindaran dari ion berkonsentrasi tinggi dengan cara retranslokasi garam melalui floem, eksresi garam, dan menggugurkan daun-daun tua (Sopandie, 2014).

Pada mekanisme morfologi, disamping pertumbuhan yang tertekan, salinitas menyebabkan perubahan struktur yang khas untuk memperbaiki status air tanaman seperti ukuran daun yang lebih kecil, jumlah stomata per satuan luas, daun lebih sedikit, sukulensi meningkat, penebalan daun dan lapisan lilin pada permukaan daun serta lignifikasi akar lebih awal. Pada tanaman yang toleran terhadap salin, NaCl ditimbun dalam vakuola sel daun. Di dalam sitoplasma dan organella konsentrasi garam tetap rendah sehingga tidak mengganggu aktitas enzim dan metabolisme. Selain itu tanaman yang toleran terhadap salin juga mampu mencapai keseimbangan termodinamika tanpa terjadi kerusakan jaringan yang berarti, karena tanaman dapat menyesuaikan tekanan osmotik selnya untuk terjadinya dehidrasi. Ini menjelaskan mekanisme ketahanan tanaman terhadap salinitas bervariasi antara spesies dan varietas dari tingkat yang paling rentan sampai paling tahan. Tanggapan tanaman terhadap lingkungan salin umumnya diakibatkan oleh adanya perubahan metabolisme (Farid dan Sjahril, 2006).

Pada tahap awal stress salinitas stress osmotic dikaitkan sebagai perubahan fisiologis, seperti gangguan membran, ketidak seimbangan nutrisi, mengganggu kemampuan untuk detoksifikasi spesies oksigen reaktif (ROS). Keadaan keracunan akibat laju respirasi yang tinggi pada tanaman dengan cekaman salinitas juga diakibatkan oleh konsentrasi ROS yang terbentuk.

ROS yang paling penting secara biologis dan paling banyak berpengaruh pada sistem reproduksi antara lain Superoxide anion (O^2-), Hydroxyl radicals (OH^-), Peroxylradicals (RO^2-) dan Hydrogen peroxide (H₂O₂). Untuk menangkal radikal bebas atau oksidan, sistem pertahanan tanaman membentuk senyawa pertahanan anti oksidan antara lain enzim Superoxide Dismutase (SOD) yang terdapat di mitokondria dan sitosol, Glutathione Peroxidase (GPX), Glutathione reductase (GR), dan Catalase (CAT) (Miller et al. 2010).

II.  KARATER MORFOLOGI TANAMAN PADI DALAM MENGHADAPI CEKAMAN SALINITAS

Hasil penelitian Hussain et al., (2013) menunjukkan bahwa stres garam secara signifikan menurunkan pertumbuhan semua genotipe padi yang diuji; Namun, genotipe padi yang dicobakan berperilaku berbeda (Tabel 1-3).

Kumar et al., (2009) menyatakan bahwa kultivar padi tahan garam menghasilkan biomassa yang lebih besar daripada yang sensitif dengan air yang didominasi NaCl. Penurunan luas tunas dan luas daun mungkin disebabkan oleh pembelahan dan pemanjangan sel yang terganggu karena salinitas yang disebabkan oleh stres osmotik. Penurunan drastis dalam area daun di bawah tekanan garam mungkin berhubungan dengan penurunan yang disebabkan salinitas pada bobot segar dan kering bibit karena daun adalah unit sistem asimilasi (Tabel 2-3). Bobot segar dan kering bibit tertinggi ditemukan pada genotipe IR74099-3R-5-1-K3 dan FL 478 di bawah salinitas mungkin terkait dengan luas daun mereka yang lebih tinggi (Tabel 2-3). Stres osmotik yang diinduksi garam (Bandeoglu et al., 2004), perubahan metabolisme, ketidakmampuan pengasaman apoplastik dan kurangnya turgor tampaknya merupakan alasan yang mungkin dari penurunan pertumbuhan padi yang disebabkan oleh salinitas (Munns dan Tester, 2008).

Tabel 1. Pengaruh salinitas pada akar dan panjang tunas dari genotipe padi yang berbeda (Hussain et al., 2013)

 

Tabel 2. Pengaruh salinitas pada luas daun dan berat segar dan luas daun spesifik dari genotipe padi yang berbeda (Hussain et al., 2013)

 

 

Tabel 3: Pengaruh salinitas pada bobot segar dan kering bibit dari genotipe padi yang berbeda (Hussain et al., 2013)

 

Penurunan minimum pada berat segar dan kering bibit diamati pada genotipe IR74099-3R-5-1-K3 dan FL 478 (Tabel 3). Selain itu, genotipe yang sama juga mempertahankan luas daun dan luas daun spesifik (SLA) yang lebih tinggi (Tabel 2) dan rasio K⁺/Na⁺ di bawah salinitas (Tabel 4). Luas daun yang lebih tinggi dapat menghasilkan produksi biomassa yang tinggi karena intersepsi lebih banyak radiasi karena daun adalah unit sistem asimilasi tanaman.

III.  MEKANISME FISIOLOGI TANAMAN PADI DALAM MENGHADAPI CEKAMAN SALINITAS

Salinitas yang digunakan menyebabkan peningkatan kandungan Na⁺ dengan mengorbankan kandungan K⁺ di semua genotipe padi di bawah tekanan garam yang menyebabkan penurunan rasio K⁺/Na⁺ (Tabel 4). Akar tanaman padi bebas menyerap Na⁺ karena molekulnya berukuran kecil yang akhirnya didistribusikan di semua organ tanaman sehingga menimbulkan kerusakan ion, stres osmotik dan ketidakseimbangan nutrisi (Siringam et al., 2011). Namun genotipe padi berperilaku berbeda dalam hal ini karena susunan genetik mereka yang berbeda; dan genotipe tahan garam yang lebih tinggi IR74099-3R-5-1-K3 dan FL 478 mempertahankan rasio K⁺/Na⁺ yang lebih tinggi dibandingkan dengan genotipe yang sensitif yaitu RYKUU15 dan DONGJINBYEO. Akumulasi lebih dari Na⁺ dilaporkan dengan baik pada kultivar padi yang sensitif terhadap garam di bawah salinisasi yang tinggi dan oleh karena itu ion Na⁺ rendah pada kultivar padi toleran di bawah salinitas yang menjelaskan dasar resistensi NaCl (Dionisio-Sese dan Tobita, 1998).

Tabel 4. Pengaruh salinitas pada kandungan K⁺ dan Na⁺ bibit, dan rasio K⁺/ Na⁺ dari genotipe padi yang berbeda (Hussain et al., 2013)  

Penurunan kandungan Na⁺ jaringan dan peningkatan salah satu K⁺ adalah indikator penting dari resistensi garam (Marschner, 1995; Hu and Schmidhalter, 1997). Kemampuan tanaman untuk membatasi transportasi Na⁺ ke dalam tunas penting untuk pemeliharaan tingkat pertumbuhan dan perlindungan proses metabolisme dalam pemanjangan sel dari efek keracunan Na⁺ (Razmjoo et al., 2008).

IV.  MEKANISME BIOKIMIA TANAMAN PADI DALAM MENGHADAPI CEKAMAN SALINITAS

Salinitas menyebabkan stres oksidatif karena produksi berlebihan ROS dan genotipe tanaman yang toleran mengatur ion dan gerakan air dan juga menguatkan sistem pertahanan antioksidan yang lebih baik untuk melawan ROS (Rout dan Shaw, 2001). Polifenol yang lebih tinggi pada tanaman yang mengalami stres garam memainkan peran fisiologis yang penting untuk memperbaiki stres oksidatif yang diinduksi salinitas (Hichem et al., 2009). Oleh karena itu, total polifenol dan flavonoid yang diamati lebih tinggi pada genotipe toleran IR74099-3R-5-1-K3 dan FL 478 tampaknya merupakan mekanisme adaptasi dari tanaman di bawah tekanan garam (Tabel 5). Pada genotipe toleran yang sama (IR74099-3R-5-1-K3 dan FL 478) juga diamati aktivitas antioksidan yang lebih tinggi di bawah lingkungan salin (Tabel 5). Baru-baru ini, Danai-Tambhale et al., (2011) juga melaporkan bahwa total polifenol lebih tinggi pada kultivar padi toleran daripada yang sensitif di bawah tekanan salinitas.

Tabel 5. Pengaruh salinitas pada bibit terhadap total polifenol dan kandungan flavonoid dan aktivitas antioksidan dari genotipe padi yang berbeda (Hussain et al., 2013)

 

Meskipun salinitas menurunkan pertumbuhan semua genotipe padi yang diuji, genotipe IR74099-3R-5-1-K3 dan FL 478 lebih tahan terhadap stres garam, daripada genotipe lainnya, karena menghasilkan lebih tinggi polifenol dan flavonoid, sedikit serapan Na⁺ dan rasio K⁺/Na⁺ yang lebih baik, yang membantu dalam mempertahankan luas daun, luas daun spesifik (SLA) dan pertumbuhan. Penanda fisiologis seperti polifenol dan akumulasi flavonoid, dan rasio K⁺/Na⁺ serta sifat morfologi seperti luas daun dapat digunakan untuk skrining massal genotipe padi untuk ketahanan garam.

Hasil penelitian Lee et al. (2001) pada tanaman padi yang diberikan paparan stres garam 150 mmol/L NaCl selama 3 hari terhadap induksi dari enzim antioksidan, menunjukkan bahwa adanya perubahan kandungan hydrogen peroxide (H₂O₂) di daun dan akar tanaman padi yang mengalami stres garam ditunjukkan pada Gambar 1. Pada daun tanaman padi, peningkatan signifikan kandungan H₂O₂ terdeteksi setelah stres garam selama 2 hari dan mencapai maksimum setelah stres garam selama 3 hari. Setelah pemulihan selama 2 hari, kandungan H₂O₂ mencapai nilai yang hampir sama dengan yang ada pada tanaman kontrol. Di sisi lain, kandungan H₂O₂ dalam akar adalah sama, baik yang tumbuh dengan atau tidak adanya NaCl. Hasil ini menunjukkan bahwa stres oksidatif yang disebabkan oleh stres garam di daun mungkin jauh lebih tinggi daripada di akar.

 

Gambar 1. Perubahan kandungan H₂O₂ di daun dan akar tanaman padi yang mengalami stres garam (Lee et al., 2001).

Dibandingkan dengan kontrol di daun, stres garam menginduksi peningkatan yang signifikan dari total aktivitas SOD, sedangkan tanaman setelah 2 hari pemulihan menunjukkan aktivitas yang hampir sama dengan yang dilakukan oleh tanaman kontrol (Gambar. 2). Di sisi lain, aktivitas SOD di akar sama, baik yang tumbuh dengan atau tidak adanya NaCl. Pola dalam perubahan aktivitas SOD di daun sangat mirip dengan perubahan kandungan H₂O₂ di daun (Gambar. 1).

 

Gambar 2. Aktivitas superoksida dismutase (SOD) pada daun tanaman padi yang mengalami stres garam. Satu unit SOD didefinisikan sebagai jumlah enzim yang menghasilkan 50% penghambatan dari pengurangan NBT SOD-penghambat di bawah kondisi pengujian (Lee et al., 2001).

          Pada penelitian Lee et al. (2001) juga menganalisis perubahan aktivitas ascorbate peroxidase (APX) di daun tanaman padi yang mengalami stres garam. Di daun tanaman padi, peningkatan yang signifikan dalam aktivitas APX terdeteksi setelah stres garam selama 1 hari, mencapai maksimum pada 3 hari stres garam, dengan aktivitas menurun selama periode pemulihan (Gambar 3). Dalam percobaan ini, pola perubahan dalam aktivitas APX daun sangat mirip dengan perubahan
dalam kandungan H₂O₂ (Gambar 1).

Gambar 3. Aktivitas ascorbate peroxidase (APX) di daun tanaman padi yang mengalami stres garam (Lee et al., 2001).

Dalam penelitian ini, stres garam menyebabkan peningkatan H₂O₂ yang signifikan dalam daun tanaman padi, namun memiliki pengaruh yang kecil pada peningkatan kandungan H₂O₂ di akar tanaman (Gambar 1). Stres garam dapat menyebabkan lebih parah stres oksidatif di daun daripada di akar. Akumulasi H₂O₂ telah dilaporkan berfungsi sebagai sinyal interseluler (Levine et al. 1994), dan akan merangsang sejumlah gen dan protein yang terlibat dalam respon stres, seperti katalase, peroksidase, dan oksidase alternatif (Prasad et al. 1994; Vanlerberghe dan McIntosh 1996). Hasil penelitian menunjukkan bahwa H₂O₂ yang meningkat pada daun tanaman padi yang tertekan garam dapat diinduksi oleh SOD, dan mungkin berfungsi dalam menandakan stres oksidatif yang mengarah pada induksi enzim antioksidan yang terkait dengan sistem mencari H₂O₂.

Enzim SODs merupakan antioksidan yang penting dan jalur pertama dari pertahanan melawan cekaman oksidatif. Enzim SOD mengkatalisis disproportionasi dari ROS (McCord and Fridovich 1969). Berdasarkan kofaktor logam, SOD dibagi menjadi tiga kelompok utama, yaitu Cu/ZnSOD, MnSOD, dan FeSOD. Enzim Cu/ZnSOD memiliki tembaga dan seng sebagai kofaktor yang dapat ditemukan di dalam kloroplas dan sitosol. Enzim MnSOD mempunyai kofaktor mangan yang berlokasi di dalam mitokondria dan peroksisom. Sedangkan, FeSOD sebagian besar ditemukan di dalam kloroplas pada tanaman tetapi tidak ada pada hewan (Alscher    et al. 2002). Enzim SOD menyebabkan dismutasi dari radikal superoksida untuk memproduksi H₂O₂. Enzim ini memiliki peran yang penting dalam menentukan konsentrasi O₂^- dan H₂O₂ pada tanaman, oleh karena itu melakukan peran kunci dalam mekanisme pertahanan melawan toksisitas radikal bebas (Bowler et al. 1992).

DAFTAR PUSTAKA

Farid, M. dan Sjahril, R. 2006. Mekanisme Ketahanan Kedelai Terhadap Salinitas dan Kekeringan Berdasarkan Karakter Morfologis. Buletin Penelitian ISSN 0215-1748, 9(2):146-153.

Lee, D. H., Kim, Y. S. and Lee, C. B. 2001. The inductive responses of the antioxidant enzymes by salt stress in the rice (Oryza sativa L.). J. Plant Physiol. 158. 737-745.

Miller, G.,Suzuki, N., Yilmaz, S. C., and Mittler, R.. 2010. Reactive Oxygen Species Homeostasis And Signalling During Drought And Salinity Stresses. Jurnal Plant, Cell and Environment33: 453–467.

Sopandie, D. 2014. Fisiologi Adaptasi Tanaman terhadap Cekaman Abiotik pada Agroekosistem Tropika. IPB Press, Bogor, Indonesia.