BAB I PENDAHULUAN
Latar Belakang
Potensi pengembangan lahan marginal untuk ekstensifikasi tanaman pangan dan tanaman komersial lainnya masih sangat besar mengingat luasan lahan marginal
mencapai kurang lebih 102,8 juta ha untuk lahan kering dan lahan rawa masam 34,78 juta ha Mulyani 2004. Luas lahan marginal di Kalimantan mencapai 30,51 juta ha atau
meliputi 57,22 dari luas pulau Suharta 2010. Pembentukan lahan masam di Indonesia disebabkan oleh adanya variasi iklim dan curah hujan yang relatif tinggi di
sebagian besar wilayah Indonesia. Kondisi tersebut mengakibatkan pencucian kandungan basa dalam tanah sehingga tanah menjadi asam Subagyo et al. 2004.
Lahan-lahan marginal ini pada umumnya memiliki pH rendah yang menyebabkan meningkatnya toksisitas aluminium Al di dalam larutan tanah dan miskin unsur hara
Samac Tesfaye 2003. Ultisol merupakan salah satu jenis tanah yang mempunyai sebaran luas di
Indonesia. Sebaran tanah ultisol paling luas di Kalimantan 21,9 juta ha, diikuti Sumatra 9,5 juta ha, Maluku dan Papua 8,9 juta ha, Sulawesi 4,3 juta ha, Jawa 1,2
juta ha dan Nusa Tenggara 53 ribu ha. Sebagian besar tanah ultisol bersifat masam hingga sangat masam pH 5,0-4,0. Kapasitas tukar kation tanah ultisol yang berasal
dari granit, sedimen dan tufa tergolong rendah yaitu masing-masing berkisar antara 2,9- 7,5 cmolkg, 6,11-13,68 cmolkg, dan 6,10-6,80 cmolkg. Nilai kejenuhan Al tanah
ultisol yang berasal dari sedimen dan granit lebih dari 60, dan yang berasal dari tufa bagian bawah sekitar 37-78 Prasetyo Suradikarta 2006.
Di pH larutan yang lebih rendah dari 5, ion Al tersedia dalam bentuk AlH
2
O
6 3+
atau Al
3+
, dan seiring dengan meningkatnya pH, maka Al
3+
mengalami deprotonisasi menjadi AlOH
2+
Keracunan Al mempengaruhi pertumbuhan dan produktifitas tanaman. Gangguan yang ditimbulkan oleh keracunan Al umumnya dibagi ke dalam dua
kelompok yaitu gangguan jangka pendek dan gangguan jangka panjang. Gangguan jangka pendek mulai kelihatan hanya beberapa jam saja setelah tanaman mendapat
yang tidak toksik Delhaize Ryan, 1995; R’bia et al. 2011. Usaha pengapuran pada lahan masam dinilai kurang efisien dalam meningkatkan
pH dan tidak ekonomis R’bia et al. 2011.
cekaman Al seperti penghambatan pemanjangan akar, kerusakan tudung akar, pembentukan kalose, adanya deposit lignin dinding sel dan penurunan pembelahan sel.
Aluminium dalam jangka panjang menyebabkan penurunan biomasa akar dan pucuk, abnormalitas morfologi akar, penurunan penyerapan dan translokasi hara, gangguan
penyerapan dan transport air dan supresi fotosintesis Miyasaka et al. 2006 Gangguan pertumbuhan akar diawali dengan adanya akumulasi Al di ujung akar.
Genotipe-genotipe yang sensitif Al mengakumulasi Al yang lebih intensif dibandingkan genotipe yang toleran Matsumoto Motoda 2012. Akumulasi Al di ujung akar
terutama terjadi di zona transisi ZT, yaitu zona di antara zona sel-sel yang aktif membelah dengan zona pemanjangan sel Poschenrieder et al. 2008. Aluminium juga
mempengaruhi arsitektur akar. Arsitektur akar menjadi pendek tebal dan bersisik jika tanaman mendapat cekaman Al.
Gangguan Al terhadap pertumbuhan akar meliputi perubahan proses fisiologis dan biokimia. Perubahan tersebut disebabkan afinitas Al yang tinggi terhadap protein,
fosfat inorganik, fosfolipid, nukleotida, DNA, RNA dan antosian Taylor 1991; Delhaize Ryan 1995. Respon fisiologis dapat berupa gangguan pertumbuhan ujung
akar Samac Tesfaye 2003, gangguan pembentukan dinding sel akar, pengambilan dan transport membran terhadap unsur esensial Ca, Mg, K dan P, serta gangguan
aktivitas beberapa enzim Rout et al. 2001. Toleransi Al antar spesies-spesies tanaman bervariasi bahkan seringkali berbeda
antar genotipe dalam spesies Yang et al. 2006. Tanaman yang toleran Al mempunyai kemampuan menekan pengaruh buruk Al yang lebih baik. Ma 2000 menyebutkan
bahwa mekanisme toleransi tanaman terhadap Al adalah dengan mencegah Al masuk ke dalam jaringan akar atau mendetoksifikasi Al yang sudah masuk dalam sel dan
mengeluarkannya. Taylor 1991 membagi mekanisme toleransi menjadi dua kelompok yaitu mekanisme eksternal dan internal. Mekanisme eksternal sering disebut eksklusi Al
meliputi imobilisasi Al di dinding sel, selektifitas membran plasma terhadap Al, induksi pH di daerah rizosfer atau apoplasma, dan mensekresikan senyawa-senyawa
pengkelat Al. Sedangkan mekanisme internal meliputi pengkelatan Al ke dalam sitosol, mobilisasi Al ke dalam vakuola, sintesis protein pengkelat Al, dan induksi akumulasi
protein tertentu Taylor 1991.
Salah satu tanaman model yang mengandalkan mekanisme internal adalah Melastoma malabathricum. Tanaman ini menggunakan oksalat untuk menetralisir Al di
sitosol sel-akar. Oksalat mengkelat Al dan membawanya ke xilem. Al yang dilepaskan di xilem akan dikelat oleh sitrat. Komplek sitrat-Al dibawa menuju jaringan daun
karena pengaruh transpirasi. Di dalam jaringan daun Al akan dikelat oksalat dan dikurung di epidermis dan mesofil Watanabe Osaki 2002.
Penelitian mengenai mekanisme toleransi tiap spesies penting dilakukan terutama pada tanaman yang potensial dikembangkan di lahan masam. Spesies tanaman
tersebut meliputi tanaman sebagai sumber pangan, sumber energi atau sumber biomasa lainnya. Salah satu sumber energi alternatif adalah minyak Jatropha curcas. J. curcas
mempunyai beberapa keunggulan yaitu mudah diperbanyak, masa pembentukan biji cepat, mempunyai kandungan minyak tinggi, pertumbuhannya cepat, dan mampu
tumbuh di agro-klimat yang bervariasi Divacara et al. 2010. Namun demikian, J. curcas kurang kompetitif dibandingkan dengan tanaman perkebunan lainnya jika
ditanam di lahan yang subur. Tanah yang subur lebih menguntungkan untuk tanaman pangan atau perkebunan lainnya. Areal alternatif untuk pengembangan perkebunan J.
curcas adalah lahan-lahan marginal seperti sebagian Pulau Sumatra dan Kalimantan. Pemahaman mengenai toksisitas aluminium dan respon J. curcas diperlukan untuk
mengembangkan pemuliaan tanaman jarak ke depan dan menyusun protokol kultivasi tanaman jarak di lahan masam. Informasi yang lengkap mengenai respon terhadap
cekaman Al juga diperlukan untuk melakukan rekayasa genetik yang berkaitan dengan toleransi terhadap cekaman Al.
Toleransi terhadap cekaman Al berkorelasi positif dengan aktivitas eksudasi asam organik pada beberapa spesies tanaman Pellet et al. 1995; Ma 2000; Kochian et al.
2004; Ryan et al. 2004. Eksudasi asam organik berupa asam sitrat, malat, dan oksalat ke daerah rizosfer merupakan salah satu mekanisme toleransi tanaman terhadap Al
Ryan et al. 1995, Ma et al. 2001. Jenis asam organik yang dominan diproduksi di akar dan yang disekresikan ke
rizhosfer berbeda-beda antar spesies tanaman. Pada kondisi dicekam Al, akar gandum mensekresi asam malat dan membentuk komplek Al-malat, yang toksisitas Al-nya
rendah Pellet et al. 1995; Kolmeier et al. 2001. Tanaman padi yang toleran Al mensintesis asam sitrat lebih tinggi dibandingkan varietas yang peka Kang Ishi
2006. Tanaman gandum Li et al. 2000 dan Cassia tora L Yang et al. 2004 merespon cekaman Al dengan cara meningkatkan konsentrasi dan aktivitas enzim sitrat
sintase 3 jam setelah perlakuan Al. Peningkatan sintesis sitrat tersebut diikuti oleh meningkatnya efluks sitrat seiring dengan meningkatnya konsentrasi Al Yang et al.
2004. Tanaman kedelai mengakumulasi sitrat dan malat di dalam jaringan akar. Akar tanaman kedelai mengandung sitrat lebih rendah dibandingkan malat, tetapi
mensekresikan lebih banyak sitrat dibandingkan malat Kasim et al. 2001. Contoh tanaman yang juga meningkatkan sintesis dan sekresi sitrat jika dicekam oleh Al adalah
Hordeum vulgare L Furukawa et al. 2004 dan Triticum aestivum Ryan et al. 2009. Sitrat mempunyai kemampuan mengkelat Al yang paling tinggi dibandingkan
asam organik lainnya, diikuti oleh oksalat, malat dan suksinat Hue et al. 1986; Ma et al. 2001. Sitrat akan membentuk komplek Al-sitrat dengan perbandingan 1:1 dan Al-malat
dengan perbandingan 1:3 Kochian 1995. Bentuk komplek ini merupakan bentuk yang tidak beracun bagi akar serta dapat meningkatkan pH dalam sel Appanna et al. 2002.
Sedangkan oksalat membentuk komplek dengan Al dengan perbandingan 1:1, 1:2 dan 1:3, dan hanya komplek Al:oksalat 1:3 saja yang tidak beracun Ma Hiradate 2000;
Ma et al. 2001. Bentuk kompleks Al-sitrat yang diambil oleh akar akan segera dimetabolisme di dalam sel Appanna et al. 2002.
Sitrat disintesis dalam siklus asam trikarboksilat oleh enzim sitrat sintase EC 4.13.7 di dalam mitokondria dan peroksisomal Ma et al. 2001; Anoop et al. 2003.
Asam sitrat ini digunakan untuk respirasi asam lemak dan perkecambahan Pracharoenwattana et al. 2005. Sebagian sitrat dikeluarkan dari mitokondria dan
dieksudasikan ke dalam media yang mengandung Al Yang et al. 2006. Eksudasi sitrat difasilitasi oleh suatu protein kinase pada kanal anion Shen et al. 2004 dan protein
transporter sitrat Yang et al. 2006. Shen et al. 2005 menyebutkan bahwa eksudasi sitrat meningkat dengan meningkatnya aktivitas enzim H
+
Teknik rekayasa genetik telah banyak digunakan para peneliti untuk memperbaiki sifat-sifat genetik suatu tanaman seperti peningkatan toleransi Al. Penelitian tersebut
memerlukan koleksi gen-gen yang berkaitan dengan cekaman aluminium dan kemudian -ATPase Li et al. 2000; Yang
et al. 2006. Al menginduksi sekresi sitrat terutama di daerah ujung 1-2 mm yang disebut zona transisi ZT. Kultivar–kultivar yang toleran umumnya mengeksudasi
asam sitrat lebih tinggi dibandingkan tanaman peka Kollmeier et al. 2001.
menguji ekspresinya. Gen-gen dapat diisolasi dari tanaman yang diperlakukan dengan cekaman Al kemudian dibuat pustaka cDNA. Gen-gen yang diinduksi oleh cekaman Al
dapat diketahui dengan cara membandingkan antara pustaka cDNA tanaman yang diperlakukan cekaman Al dengan tanaman kontrol Anwar 1999. Teknik mutakhir
yang digunakan untuk mengetahui ge-gen yang dipengaruhi Al saat ini adalah dengan menganalisis total transkrip terhadap tanaman yang dicekam oleh Al, yang dikenal
analisis transkriptomik. Analisis ini menggambarkan pola ekspresi tiap-tiap gen Kumari et al. 2008; You et al. 2011. Gen-gen yang diinduksi oleh Al termasuk gen-
gen yang berkaitan dengan sintesis asam organik dapat dimanfaatkan untuk mendapatkan tanaman yang toleran.
Ekspresi berlebih gen sitrat sintase meningkatkan kandungan sitrat di dalam jaringan akar maupun yang disekresikan Samac Tesfaye 2003. Overproduksi sitrat
pada tanaman transgenik terbukti meningkatkan toleransi tanaman tembakau dan pepaya terhadap Al de la Fuente et al. 1997. Introduksi gen sitrat sintase ke tanaman
wortel juga meningkatkan kemampuan menyerap unsur fosfor P dalam tanah masam Koyama et al. 2000. Demikian pula dengan transformasi khamir dan kanola dengan
gen sitrat sintase meningkatkan akumulasi sitrat dua kali lipat yang diikuti peningkatan toleransi kedua spesies tersebut terhadap Al Anoop et al. 2003. Meskipun Delhaize et
al. 2001 melaporkan tidak mendapatkan tanaman transgenik yang meningkat toleransinya terhadap cekaman Al, tetapi Baron et al. 2008 membuktikan bahwa sitrat
sintase bakteri dapat meningkatkan kandungan sitrat sekaligus meningkatkan toleransi tanaman terhadap Al.
Upaya meningkatkan toleransi Al dengan meningkatkan sintesis dan sekresi sitrat pada Jatropha curcas belum diteliti. Upaya tersebut memerlukan sumber gen penyandi
sitrat sintase dan diekspresikan dengan promoter kuat. Sebagai sumber gen dapat berasal dari organisme eukariotik maupun prokariotik seperti bakteri. Gen sitrat sintase
telah diisolasi dari beberapa bakteri. Ukuran gen sitrat sintase termotoleran berukuran 1612 pb Schendel et al. 1992, dan dari Pseudomonas aeruginosa berukuran 1258 pb
Donald et al. 1989. Bakteri gram negatif, Pseudomonas merupakan mikroba utama di rhizosfer dan
merupakan bakteri endofitik di beberapa spesies tanaman Arivind et al. 2009; Shi et al. 2011. Bakteri dari genus ini banyak dimanfaatkan dalam berbagai proses seperti
biodegradasi bahan-bahan organik Idise et al. 2010, sebagai agen antimikroba patogen Chin-A-Woeng et al. 2003, untuk mengatasi cekaman oksidatif Hassett et al. 1993,
pengkelat logam Lemire et al. 2010, dan dimanfaatkan gennya untuk meningkatkan toleransi tanaman terhadap cekaman aluminium de la Fuente et al. 1997. Beberapa
spesies dalam genus ini juga dimanfaatkan sebagai bakteri pelarut fosfat, yaitu dengan mensekresikan asam organik, terutama sitrat. P. fluorescens menunjukkan peningkatan
sekresi sitrat apabila mendapat cekaman Al Mailloux et al. 2008 dan sitrat diketahui sebagai pengkelat aluminium Al utama di bakteri ini Lemire et al. 2010.
Salah satu strategi untuk meningkatkan toleransi tanaman terhadap Al adalah dengan mengurangi serapan dan kontak sel dengan Al Poschenrieder et al. 2008.
Beberapa peneliti mengintroduksikan gen sitrat sintase yang berasal dari bakteri de la Fuente et al. 1997 ataupun dari tanaman lain Koyama et al. 1999, 2000; Anoop et al.
2003 ke dalam tanaman target untuk mengurangi serapan dan kontak langsung sel
dengan Al. Tujuan Penelitian
Tujuan utama penelitian ini adalah untuk merakit tanaman jarak pagar Jatropha curcas yang toleran terhadap cekaman Al. Penelitian tersebut perlu didukung informasi
mengenai respon pertumbuhan tanaman jarak pagar J. curcas terhadap cekaman aluminium Al. Secara khusus penelitian ini bertujuan :
1. Menganalisis respon fisiologis dan biokimia J. curcas terhadap cekaman
aluminium. 2.
Mengisolasi dan mengkarakterisasi gen sitrat sintase dari bakteri Pseudomonas aeruginosa.
3. Mengintroduksikan gen sitrat sintase dari bakteri ke dalam tanaman model
Nicotiana tabacum untuk meningkatkan toleransi terhadap cekaman Al. 4.
Mengintroduksikan gen sitrat sintase ke dalam tanaman biodisel J. curcas melalui perantara Agrobacterium tumefaciens.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini bermanfaat untuk mendapatkan J. curcas yang toleran terhadap cekaman Al. Penelitian ini juga bermanfaat sebagai dasar menetapkan
budidaya tanaman jarak di lahan-lahan marginal yang mempunyai masalah dengan
cekaman aluminium. Penelitian ini juga bermanfaat untuk perbaikan genetik J. curcas dalam kaitannya dengan cekaman Al. Secara khusus penelitian ini bermanfaat untuk
mendapat gen sitrat sintase yang dapat digunakan untuk rekayasa genetik berbagai tanaman serta memantapkan protokol introduksi gen ke J. curcas dengan perantara
Agrobacterium tumefaciens.
Strategi Penelitian
Perakit tanaman yang toleran Al dilakukan melalui beberapa langkah penelitian seperti ditunjukan Gambar 1.
1. Karakterisasi fisiologis tanaman J. curcas terhadap cekaman Al,
2. Isolasi gen sitrat sintase dari Pseudomonas aeruginosa.
3. Introduksi gen tersebut ke dalam tanaman tembakau sebagai model.
4. Optimasi introduksi gen sitrat sintase yang diinginkan ke dalam tanaman
J. curcas.
Gambar 1. Tahapan penelitian isolasi dan introduksi gen sitrat sintase dari Pseudomonas aeruginosa ke dalam tanaman untuk meningkatkan toleransi
terhadap cekaman aluminium.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Kategori