Sekresi Asam Organik Pada Tanaman Padi yang Mendapat Cekaman Aluminium
SEKRESI ASAM ORGANIK PADA TANAMAN PADI YANG
MENDAPAT CEKAMAN ALUMINIUM
Oleh :
INA FAJARWATI
G 34102047
DEPARTEMEN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
ABSTRAK
INA FAJARWATI. Sekresi Asam Organik pada Tanaman Padi yang Mendapat Cekaman
Aluminium. Dibimbing oleh Miftahudin dan Hamim.
Kebutuhan beras sebagai makanan pokok penduduk Indonesia semakin meningkat.
Program ekstensifikasi padi pada lahan-lahan marginal seperti tanah asam di luar Jawa merupakan
pilihan yang dapat diambil untuk mendukung produksi beras nasional. Akan tetapi pada tanah
asam, kelarutan aluminium (Al) yang tinggi sering menjadi kendala produksi. Oleh karena itu
perlu dikembangkan varietas padi tenggang Al yang memiliki kriteria diantaranya kemampuan
mempertahankan kondisi perakaran untuk tetap tumbuh dan mampu mensekresikan asam organik
pengkelat Al. Penelitian ini bertujuan mempelajari pengaruh Al terhadap pemanjangan akar dan
pola sekresi asam organik pada tanaman padi dengan pendekatan analisis RRE (Relative Root
Elongation) dan titrasi asam organik.
Berdasarkan hasil analisis RRE, tanaman padi varietas Krowal dan IR 64 menunjukan
penghambatan akar yang cukup tinggi setelah mendapat cekaman Al 15 ppm dan nilai
penghambatan akar ini terus meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi dan lama periode
cekaman Al. Berdasarkan analisis titrasi pada media tumbuh tanaman, peningkatan sekresi asam
organik dari akar ke media tumbuh terjadi pada kedua varietas padi seiring peningkatan cekaman
Al. Sedangkan pada jaringan akar tanaman, pola akumu lasi asam organik tampak tidak
dipengaruhi oleh peningkatan konsentrasi Al. Hal ini menunjukan bahwa tanaman padi
menggunakan mekanisme sekresi asam organik (mekanisme eksternal) sebagai bentuk respon
fisiologis terhadap Al. Sekresi asam organik kedua varietas padi setelah 6 jam cekaman Al, 13 kali
lebih banyak dibandingkan sekresi asam organik pada tanaman yang tidak mendapat cekaman.
ABSTRACT
INA FAJARWATI. Organic Acid Secretion on Al-Stressed Rice. Under supervision of
Miftahudin and Hamim.
The need of rice as a staple food in Indonesia increased from day to day. The rice
extensification programme on marginal land such as acid soils outside Java could be one of the
alternative solutions to increase national rice production. However, the high solubility of Al in acid
soil could be a constraint of rice production. Therefore, it is neccesary to develop Al tolerant rice
variety such as a variety that have the ability to maintain a favorable rhizosphere condition
promote root growth as well as a variety that have ability to secrete organic acid. The objective of
this research is to study the influence of Al stress to root elongation and organic acid secretion
pattern in rice.
The Relative Root Elongation (RRE) analysis showed that the exposure of rice root to 15
ppm Al in nutrient solution highly inhibited root elongation in both Krowal and IR 64 rice
varieties. This inhibition increased as the increase of Al concentration and time exposure. Organic
acid analysis in nutrient solution showed that the increase of Al concentration stimulated organic
acid secretion from the root of both rice varieties. However, the increase of Al concentration in
nutrient solution did not influence the accumulation of organic acid in root tissue. In both varieties,
the secretion of organic acid is significantly high after 6 hours exposure to Al. The results
indicated that organic acid secretion is one of the Al response mechanism in rice.
SEKRESI ASAM ORGANIK PADA TANAMAN PADI YANG
MENDAPAT CEKAMAN ALUMINIUM
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
INA FAJARWATI
DEPARTEMEN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
Judul Skripsi
Nama
NRP
: Sekresi Asam Organik pada Tanaman Padi yang Mendapat Cekaman
Aluminium
: Ina Fajarwati
: G 34102047
Menyetujui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Ir. Miftahudin, M.Si.
NIP 131851281
Dr. Ir. Hamim, M.Si.
NIP 131878946
Mengetahui :
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS .
NIP 131473999
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan karuniaNya
sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari
2006 hingga April 2007 ini berjudul Sekresi Asam Organik pada Tanaman Padi yang Mendapat
Cekaman Alumunium.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr. Ir. Miftahudin, MSi. dan Dr. Ir. Hamim, MSi.
yang telah meluangkan waktu serta fikiran dalam membimbing dan mengarahkan penulis hingga
karya ilmiah ini selesai, kepada Dr. Ir. Lisdar A Manaf selaku dosen penguji yang telah
memberikan saran dan perbaikan untuk kesemp urnaan karya ilmiah ini, serta seluruh staf Biologi
khususnya staf Fisiologi Tumbuhan yang telah memberikan bantuan fasilitas dalam pelaksanaan
penelitian.
Ungkapan terimakasih juga penulis sampaikan untuk Bapak, Mamah, Teh Tia, A Erwin,
Azzam, Teh Mirna, Hana dan mas Imam atas segala do’a, pengertian serta kasih sayang yang
tercurah untuk penulis. Tak lupa penulis ucapkan terima kasih kepada, Ela, Ninda, bu Dewi dan
mba Vil sebagai partner kerja selama penelitian serta untuk my little family, Eli, Nina, Aiara, Yulia
dan semua teman-teman Biologi atas segala dukungan dan semangat yang telah diberikan.
Penulis menyadari skripsi ini jauh dari sempurna. Oleh karena itu saran dan kritik yang
membangun sangat penulis harapkan. Semoga skripsi ini bermanfaat.
Bogor, Mei 2007
Ina Fajarwati
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 7 Juli 1984 dari ayah bernama Dodi Sukendro, Sp.
dan ibu Erna Kurniasih. Penulis merupakan putri ketiga dari empat bersaudara.
Tahun 2002 penulis lulus dari SMU Negeri 3 Bogor dan pada tahun yang sama penulis lulus
seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih program studi
Biologi, Departemen Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum Genetika Dasar dan
Fisiologi Tumbuhan pada tahun ajaran 2005/2006. Pada tahun 2006 penulis berhasil lolos Seleksi
Penulisan Karya Ilmiah Penelitian yang diselenggarakan oleh DIKTI. Pada tahun yang sama
hingga sekarang penulis menjadi pengajar di lembaga bimbingan belajar Bintang Pelajar kota
Bogor.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ v
PENDAHULUAN
Latar Belakang ......................................................................................................... 1
Tujuan ....................................................................................................................... 1
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat .................................................................................................... 2
Bahan ........................................................................................................................ 2
Metode ...................................................................................................................... 2
HASIL
Analisis RRE ............................................................................................................ 3
Sekresi Asam Organik .............................................................................................. 4
PEMBAHASAN .............................................................................................................. 5
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan .................................................................................................................... 7
Saran ……………………………………………………………………………….. 7
DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………………………... 7
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Pengaruh peningkatan konsentrasi Al selama 24 jam terhadap nilai RRE ………………….. 3
2 Pengaruh periode cekaman Al konsentrasi 15 ppm terhadap nilai RRE ……………………. 3
3 Pengaruh peningkatan konsentrasi Al selama 24 jam terhadap morfologi akar ……….......... 4
4 Pengaruh peningkatan konsentrasi Al selama 24 jam terhadap sekresi asam organik ............. 4
5 Pengaruh peningkatan konsentrasi Al selama 24 jam terhadap akumulasi asam organik
pada jaringan akar .................................................................................................................... 4
6 Pengaruh periode cekaman Al konsentrasi 60 ppm terhadap sekresi asam organik ................. 5
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Padi gogo (Oryza sativa L.) merupakan
tanaman padi lahan kering yang telah lama
dikembangkan dan dibudidayakan oleh
masyarakat untuk memenuhi kebutuhan
pangan secara subsistem.
Menurut Grist
(1953)
secara
umu m
keuntungan
pengembangan padi di lahan kering adalah
biaya yang dibutuhkan relatif lebih rendah
karena
sistem
irigasi intensif
tidak
dibutuhkan.
Semakin menyempitnya lahan pertanian di
Pulau Jawa karena telah mengalami alih
fungsi menjadi lahan perumahan dan industri
merupakan kendala bagi pemerintah dalam
budidaya padi. Oleh karena itu pemerintah
mengalihkan budidaya padi gogo ke daerah
luar Jawa yang sebagian besar lahannya
merupakan lahan asam dengan kelarutan Al
sangat tinggi. Berdasarkan data Pusat
Penelitian Tanah dan Agroklimat (1997),
lahan dengan potensi keracunan Al tinggi
yang tersebar di seluruh wilayah Indonesia
yakni seluas 42.6 juta hektar (Ha), yang terdiri
dari 14.8 juta Ha di Sumatera, 1.7 juta Ha di
Jawa dan Madura, 0.45 juta Ha di Nusa
Tenggara dan Maluku, 17.7 juta Ha di
Kalimantan, 1.3 juta Ha di Sulawesi, serta 6.6
juta Ha di Irian Jaya.
Aluminium pada larutan dengan pH netral
berada dalam bentuk kompleks hidroksida
yang tidak larut dan tidak toksik terhadap
tanaman. Akan tetapi pada larutan dengan pH
< 5, ion Al berada dalam bentuk oktahedral
heksahidrat atau sering disingkat Al3+
(Marschner 1995). Apabila Al3+ terlarut dalam
jumlah besar, maka dapat mengakibatkan
efisiensi penyerapan air dan unsur hara
menjadi berkurang (Foy 1983), pembentukan
dan pemanjangan akar menjadi terhambat
bahkan bila kondisi cekaman terus berlanjut
dapat mengakibatkan umur panen lebih lama
dan terjadi klorosis pada tanaman (Matsumoto
1991).
Ada berbagai alternatif untuk mengatasi
permasalahan di atas diantaranya melalui
peningkatan pH tanah dengan pengapuran dan
penggunaan varietas toleran Al. Banyak
kendala yang harus dihadapi melalui
pendekatan pengapuran, diantaranya biaya
yang harus dikeluarkan lebih besar,
ketersediaan pupuk dan kapur terbatas , dapat
menyebabkan hara mineral mikro menjadi
tidak
tersedia
dan
hanya
mampu
meningkatkan pH pada kedalaman tanah yang
terbatas (Kamprath 1980). Sebaliknya,
penggunaan varietas tenggang Al dianggap
lebih efisien dan efektif karena tanaman
secara alamiah memiliki ketenggangan
terhadap Al.
Tanaman dikatakan tenggang Al jika
memiliki kemampuan menekan efek meracun
dari ion Al. Menurut Sanchez (1976) beberapa
kriteria tanaman tenggang Al diantaranya 1)
kesanggupan akar untuk terus tumbuh dan
ujung akar tidak rusak 2) tanaman sanggup
mengubah kondisi di sekitar perakaran dari
asam menjadi kurang asam 3) ion Al hanya
sedikit ditranslokasikan ke bagian atas
tanaman, karena sebagian bes ar ditahan diakar
4) serapan serta translokasi unsur Ca, Mg, P
dan K tidak terganggu.
Kochian (1995) mengemukakan bahwa
mekanisme tenggang Al pada tanaman dapat
dikelompokan menjadi dua yakni 1)
mekanisme eksternal melalui sekresi ligan
pengkelat Al, induksi senyawa barrier pH
pada tanaman di daerah rhizosfer, imobilisasi
Al pada dinding sel, dan peningkatan selektif
permeabel pada membran plasma 2)
mekanisme internal melalui pengkelatan dan
kompartemensasi Al di dalam vakuola.
Detoksifikasi Al pada rhizosfer melalui
sekresi asam organik pengkelat Al telah
banyak dilaporkan, diantaranya asam malat
pada gandum (Triticum aestivum L.)
(Delhaize et al 1993), asam sitrat pada jagung
(Zea mays L.) (Pellet et al 1995) dan asam
oksalat pada Buckwheat (Ma et al 1998)
sebagai bentuk respon Al.
Sejauh ini informasi mengenai respon
fisiologi tanaman padi terhadap cekaman Al
khususnya sekresi asam organik belum
banyak diketahui. Oleh kerena itu perlu
dilakukan studi tentang pola sekresi asam
organik pada padi yang mendapat cekaman
Al.
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk
mempelajari pola sekresi asam organik pada
padi yang mendapat cekaman Aluminium.
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan
Februari 2006 hingga April 2007 di
Laboratorium Fisiologi Tumbuhan dan
Laboratorium Biologi Terpadu Departemen
Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, IPB, Bogor.
Bahan
Bahan tanaman yang digunakan dalam
penelitian ini adalah padi gogo varietas
Krowal dan padi varietas IR 64.
Komposisi hara untuk kultur hara terdiri
dari unsur hara makro yakni: 40 ppm N dalam
NH4 NO3 , 10 ppm P dalam NaH2 PO4 , 40 ppm
K dalam K2 SO4 , 40 ppm Ca dalam CaCl2 , 40
ppm Mg dalam MgSO4 . 7H2 O dan unsur-unsur
hara mikro yakni 0.5 ppm Mn dalam MnCl2 .
H2 O, 0.05 ppm Mo dalam (NH4 )6 Mo 7 O24 .
H2 O, 0.2 ppm B dalam H3 BO3 , 0.01 ppm Zn
dalam ZnSO4 . 7H2 O, 0.01 ppm Cu dalam
CuSO4 . 5H2 O dan 2.0 ppm Fe dalam FeEDTA
(Yoshida et al 1976). Untuk media adaptasi
digunakan larutan CaCl2 ) 0.5 mM. Sedangkan
untuk media cekaman digunakan larutan
CaCl2 0.5 mM ditambah AlCl3 . 6H2 O.
Phenolpthalin (PP) 1% digunakan sebagai
indikator asam dan NaOH 0.01 N sebagai
titrant pada titrasi asam organik.
Metode
Rancangan percobaan. Percobaan ini
merupakan percobaan faktorial yang disusun
berdasarkan Rancangan Acak Kelompok.
Untuk uji RRE (Relative Root Elongation),
faktor pertama berupa konsentrasi Al yang
terdiri dari 5 taraf (0, 15, 30 45 dan 60 ppm)
atau periode cekaman Al yang terdiri dari 4
taraf (0, 24, 48, dan 72 jam) sedangkan faktor
kedua berupa varietas yang terdiri dari 2 taraf
(Krowal dan IR 64). Untuk uji asam organik,
faktor pertama berupa konsentrasi Al yang
terdiri dari 5 taraf (0, 15, 30 45 dan 60 ppm)
atau periode cekaman Al yang terdiri dari 5
taraf (0, 6, 12, 24, dan 48 jam) sedangkan
faktor kedua berupa varietas yang terdiri dari
2 taraf (Krowal dan IR 64). Setiap percobaan
dilakukan dengan tiga kali ulangan. Model
linear rancangan percobaan adalah sebagai
berikut :
Yijk = µ + αi + βj + (αβ)ij + ?k + eijk
Yijk
: Nilai pengamatan pada konsentrasi Al
atau periode cekaman Al taraf ke -i,
varietas taraf ke -j dan ulangan ke-k
µ
: Rataan umum
αi
: Pengaruh konsentrasi Al atau periode
cekaman taraf ke -i
βj
: Pengaruh varietas taraf ke-j
(αβ)ij : Pengaruh interaksi konsentrasi Al
atau periode cekaman taraf ke-i dan
varietas taraf ke -j
?k
: Kelompok ke -k
eijk
: Pengaruh acak konsentrasi Al atau
periode cekaman Al taraf ke -i,
varietas taraf ke -j dan ulangan ke-k
Kultur hara. 200 benih padi tiap-tiap
varietas disterilisasi menggunakan sodium
hipoklorit 0.5 % selama lima belas menit dan
dibilas dengan air destilata sebanyak 3 kali.
Kemudian benih direndam dalam air destilata
selama 24 jam dan dikecambahkan pada
kertas buram yang telah dibasahi air destilata,
kemudian disimpan dalam ruang gelap selama
48 jam. Kecambah yang panjang akarnya
seragam ditanam di atas screen
yang
mengapung pada larutan hara (pH 4).
Kemudian ditumbuhkan pada growth chamber
(12 jam gelap dan 12 jam terang) pada suhu
ruang selama 1 hari untuk analisis RRE dan 5
hari untuk analisis titrasi asam organik. Setiap
hari pH larutan hara diukur dan dipertahankan
pada pH 4 dengan menggunakan HCl 0.1 N.
Kecambah yang tumbuh digunakan untuk
pengujian Al selanjutnya. Sebelum diberi
cekaman, kecambah diadaptasikan pada
larutan CaCl2 0.5 mM.
Analisis RRE. Sebanyak 10 kecambah
padi umur 1 hari dalam kultur hara diberi
cekaman Al dengan konsentrasi 0, 15, 30, 45
dan 60 ppm selama 24, 48 dan 72 jam.
Kemudian pertambahan panjang akar selama
periode cekaman diukur. Nilai RRE dapat
ditentukan dengan rumus :
pemanjangan akar pada cekaman Al
RRE =
pemanjangan akar tanpa cekaman
x 100%
Pengamatan Morfologi akar. Untuk
mengetahui pengaruh Al terhadap morfologi
akar maka dilakukan pengamatan morfologi
akar secara visual.
Analisis Asam Organik. Analisis asam
organik pada jaringan akar dan larutan hara
dilakukan dengan menggunakan metode
titrasi. Prinsip penggunaan titrasi untuk
3
cekaman dengan akar tanaman pada kondisi
tanpa cekaman.
Hasil analisis RRE pada varietas Krowal
dan IR 64 menunjukan bahwa peningkatan
konsentrasi
Al
dapat
menghambat
pemanjangan akar kedua varietas padi tersebut
(Gambar 1).
RRE ( %)
analisis asam organik berdasarkan pengikatan
senyawa asam organik oleh NaOH yang telah
diketahui konsentrasinya. Sehingga dari
rumus persamaan konsentrasi asam-basa
jumlah asam organik dalam suatu larutan
dapat diketahui.
Konsentrasi asam organik pada larutan
hara diketahui dengan cara 100 kecambah
umur 5 hari pada kultur hara diadaptasikan
selama 12 jam dalam 0.5 mM CaCl2 , pH 4.
Kemudian diberi cekaman Al selama 24 jam.
Sebanyak 20 ml larutan hara yang
mengandung
eksudat
akar
dititrasi
menggunakan NaOH. Nilai asam organik
pada larutan hara dihitung dengan rumus:
35
30
25
20
15
10
5
0
Krowal
IR 64
15
N NaOH x ml titrant
[ asam organik ] =
ml larutan hara
Konsentrasi asam organik dalam jaringan
akar dapat diketahui dengan cara akar dari 100
kecambah padi (umur 5 hari) yang telah
diberi cekaman Al selama 24 jam dipotong
(1.5 cm dari ujung), kemudian ditimbang dan
digerus dengan menggunakan mortar. Hasil
gerusan ditambah air destilata sebanyak 10 ml
dan disentrifuse (Heraeus, Labofuge 400 R)
dengan kecepatan 4200 rpm selama 10 menit,
kemudian supernatannya diambil, sedangkan
residunya ditambah air destilata sebanyak 10
ml dan disentrifuse kembali. Kedua
supernatan (ekstrak akar) yang diperoleh
kemudian dicampur. Sebanyak 20 ml ekstrak
akar dititrasi menggunakan NaOH dan PP.
Nilai asam organik pada jaringan akar
dihitung dengan rumus:
N NaOH x ml titrant
[ asam organik] =
: gr akar
ml air destilata
HASIL
30
45
Konsentrasi Al (ppm)
Gambar 1 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap nilai
RRE
Cekaman Al 15 ppm selama 24 jam,
menyebabkan nilai RRE pada varietas Krowal
dan IR 64 berturut-turut sebesar 26.83% dan
21.57%. Nilai RRE terus menurun seiring
dengan peningkatan konsentrasi Al yang
diberikan. Bahkan pada tingkat cekaman Al
60 ppm, nilai RRE dari varietas Krowal dan
IR 64 berturut-turut 8.5% d an 7.1%.
Selain pengaruh peningkatan konsentrasi
Al, periode cekaman Al juga memberikan
pengaruh yang nyata terhadap nilai RRE pada
akar tanaman padi. Gambar 2 menunjukan
bahwa nilai RRE varietas Krowal dan IR 64
pada cekaman Al 15 ppm selama 48 jam
berturut-turut 2 dan 3 kali lebih rendah
dibandingkan nilai RRE kedua varietas yang
dicekam Al selama 24 jam. Bahkan pada
periode cekaman Al 72 jam nilai RRE varietas
Krowal dan IR 64 berturut-turut 10 dan 20
kali lebih rendah dibandingkan nilai RRE
kedua varietas pada periode cekaman 24 jam.
Analisis RRE
Nilai penghambatan pemanjangan akar
tanaman akibat cekaman Al dapat diketahui
mela lui
analisis
RRE,
dengan
cara
membandingkan pemanjangan akar selama
RRE (%)
40
Secara alamiah tanaman memberikan
respon fisiologi terhadap cekaman Al. Respon
fisiologi yang telah dipelajari pada penelitian
ini berupa penghambatan pemanjangan akar
padi yang dapat diketahui melalui analisis
RRE dan sekresi asam organik oleh akar padi
melalui analisis titrasi asam organik.
60
Krowal
IR 64
30
20
10
0
24
48
72
Periode Cekaman (jam)
Gambar 2 Pengaruh periode cekaman Al
konsentrasi 15 ppm terhadap nilai
RRE
Penurunan nilai RRE seiring meningkatnya
periode cekaman Al juga terjadi pada
konsentrasi Al 30, 45 dan 60 ppm (Tabel 1).
4
15
30
IR 64
45
60
Tabel 1 Pengaruh periode cekaman Al
terhadap
nilai
RRE
pada
konsentrasi Al 30, 45 dan 60 ppm
Disamping mengakibatkan penghambatan
pemanjangan akar, cekaman Al juga dapat
mengakibatkan terjadinya penebalan akar dan
terhambatnya pertumbuhan akar samping.
IR 64
Akar
samping
Akar
Seminal
0
15
30
45
60
(ppm Al)
Krowal
Akar
samping
Akar
Seminal
100
Krowal
(x 10-4 M)
60
Sekresi Asam Organik
Aluminium dalam larutan hara dapat
mempengaruhi tingkat sekresi asam organik
suatu tanaman. Peningkatan sekresi asam
organik terjadi pada varietas Krowal dan IR
64 yang dicekam Al (Gambar 4). Sampai
tingkat cekaman 60 ppm, semakin tinggi
cekaman Al pada larutan hara, semakin tinggi
pula sekresi asam organik oleh akar kedua
varietas padi yang dipelajari.
80
IR 64
60
40
20
0
0
15
30
45
60
Konsentrasi Al (ppm)
Gambar 4 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap sekresi
asam organik
Berbeda dengan sekresi asam organik oleh
akar ke larutan hara, peningkatan konsentrasi
Al tidak memberikan pengaruh yang nyata
terhadap akumulasi asam organik dalam
jaringan akar kedua varietas padi (Gambar 5).
Konsentrasi
asam
organik
yang
diakumulasikan oleh akar padi yang
mengalami cekaman Al tidak berbeda nyata
dengan akar yang tidak mendapat cekaman
Al. Pola ini terjadi baik pada varietas Krowal
maupun IR 64.
(x 10 M/gr)
45
Sekresi As. Organik
30
Krowal
Gambar 3 menunjukan bahwa akar seminal
dan akar samping pada tanaman yang tidak
mendapat cekaman Al tampak tumbuh dengan
baik. Sebaliknya pada cekaman Al 15, 30, 45
dan 60 ppm, akar seminal terlihat pendek,
tebal dan pada tingkat cekaman Al tersebut
juga tidak ada akar samping yang tumbuh.
-4
15
Periode Cekaman (jam) RRE (%)
24
26.83
48
10.1
72
2.52
24
11.4
48
6.4
72
0.6
24
9.7
48
3.5
72
0
24
8.5
48
2.2
72
0
24
21.57
48
4.27
72
0.93
24
11.1
48
2.5
72
0
24
9.3
48
1.4
72
0
24
7.1
48
1.1
72
0
Akumulasi As.
Organik
varietas [ ] Cekaman Al (ppm)
70
60
50
40
30
20
10
0
Krowal
IR 64
0
15
30
45
60
Konsentrasi Al (ppm)
Gambar 3 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap
morfologi akar
Gambar 5 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap
akumulasi asam organik pada
jaringan akar
5
Krowal
100
IR 64
80
(x10-4 M)
Sekresi As. Organik
Respon tanaman terhadap cekaman Al
dalam bentuk sekresi asam organik terjadi
sangat cepat. Pada Gambar 6 terlihat bahwa
cekaman Al 60 ppm selama 6 jam mampu
menstimulasi varietas Krowal dan IR 64
mensekresikan asam organik 12 kali lebih
banyak dibandingkan jumlah asam organik
yang disekresikan oleh kedua varietas yang
tidak mendapat cekaman Al. Akan tetapi
peningkatan sekresi asam organik tidak nyata
terlihat antar periode cekaman Al 12, 24 dan
48 jam. Pola peningkatan sekresi asam
organik seperti ini terjadi pada kedua varietas
yang dipelajari.
60
40
20
0
0
6
12
24
48
Periode Cekaman (jam)
Gambar 6 Pengaruh periode cekaman Al
konsentrasi 60 ppm terhadap
sekresi asam organik pada
larutan hara
PEMBAHASAN
Peningkatan konsentrasi Al memberikan
pengaruh yang nyata terhadap penghambatan
pemanjangan akar padi varietas Krowal dan
IR 64. Kemamp uan akar untuk terus tumbuh
memanjang pada kondisi cekaman Al dapat
diketahui melalui analisis RRE (Relative Root
Elongation). Berdasarkan hasil analisis RRE
pada varietas Krowal dan IR 64 (Gambar 1),
cekaman Al 15 ppm telah menyebabkan
pemanjangan akar menjadi sangat terhambat.
Kemampuan akar untuk terus memanjang
semakin menurun pada cekaman Al 30, 45
dan 60 ppm.
Periode cekaman Al juga memberikan
pengaruh yang nyata terhadap penghambatan
pemanjangan akar. Sema kin lama periode
cekaman Al terhadap tanaman, maka
pemanjangan akar pun semakin terhambat.
Bahkan pada periode cekaman Al 15 ppm
selama 72 jam, dapat mengakibatkan nilai
RRE pada varietas Krowal dan IR 64 berturutturut hanya 2.5% dan 0.93%. Hal ini mungkin
terjadi karena kedua varietas sudah sangat
tercekam, sehingga kemampuan akar kedua
varietas tersebut untuk terus tumbuh sudah
sangat terganggu.
Selain menghambat pemanjangan akar,
cekaman Al juga dapat mengakibatkan
penebalan
akar
dan
terhambatnya
pertumbuhan akar samping. Menurut Sanchez
(1976), keracunan Al dapat mengakibatkan
kerusakan langsung pada sistem perakaran
tanaman yakni akar menebal, memendek,
kaku serta memperlihatkan bagian-bagian
yang mati.
Delhaize
dan
Ryan
(1995) juga
berpendapat bahwa Al dapat menyebabkan
kerusakan pada akar saat Al tersebut masih
berada di dinding sel tanpa harus masuk ke
dalam sel. Al yang diserap akar dapat
menggantikan Ca pada ikatan Ca -pektat di
dinding sel sehingga dinding sel tidak dapat
memperbesar volumenya dan mengakibatkan
terhentinya pemanjangan sel-sel akar (Blamey
et al 1993). Penghamb atan pemanjangan akar
akibat cekaman Al tidak hanya terjadi pada
tanaman padi saja akan tetapi terjadi juga pada
beberapa tanaman lain seperti pada gandum
(Delhaize et al 1995), rye (Li et al 2000) dan
jagung (Pellet et al 1995).
Selain respon perakaran, tumbuhan juga
merespon cekaman Al berupa proses
metabolisme dalam jaringan seperti sekresi
asam organik ke rhizosfer dan akumulasi
asam organik pada jaringan akar.
Sekresi asam organik seperti malat, sitrat
dan oksalat merupakan salah satu bentuk
respon tanaman terhadap Al, baik itu pada
tanaman monokotil maupun dikotil (Kochian
et al 2004). Respon terhadap Al berupa
sekresi asam organik ditunjukan oleh kedua
varietas padi yang dipelajari, yaitu berupa
peningkatan sekresi asam organik seiiring
peningkatan konsentrasi Al yang diberikan ke
larutan hara (Gambar 4). Respon tanaman
terhadap cekaman Al berupa sekresi asam
organik juga telah dilaporkan oleh berbagai
pihak, diantaranya oleh Miyasaka et al (1991)
pada tanaman kacang panjang (Phaseolus
vulgaris), Ma et al (1998) pada tanaman
Cassia tora dan buckwheat, serta Ryan et al
(1993) pada tanaman gandum.
Delhaize dan Ryan (1995) mengungkapkan
bahwa Al mampu menginduksi pembukaan
channel anion asam organik pada membran
plasma melalui aktivasi transporter anion
asam organik sehingga anion asam organik
dilepaskan
dari
sitoplasma
(pH
7).
Selanjutnya, Delhaize dan Ryan (1995) juga
mengungkapkan
bahwa
mekanisme
pembukaan channel memb ran plasma oleh Al
kemungkinan melalui 3 cara yaitu: 1) Al3+
6
dari luar sel berinteraksi dengan channel
anion asam organik secara langsung sehingga
terjadi
pembukaan
channel 2)
Al3+
berinteraksi dengan reseptor spesifik pada
membran plasma kemudian melalui signal
transduksi terjadi pembukaan channel 3) Al3+
masuk ke dalam sel, kemudian melalui signal
transduksi yang melibatkan sitoplasma dan
komponen membran sel mengakibatkan
pembukaan channel.
Menurut Ma (2000) sekresi asam organik
ke luar akar dikenal dengan mekanisme
ketenggangan eksternal. Mekanisme ini terjadi
melalui pembentukan komplek Al3+ dengan
gugus karboksil asam organik yang
disekresikan oleh akar, sehingga Al dalam
bentuk komplek tersebut tidak dapat melewati
membran sel.
Hal yang menarik dari data yang
ditunjukan oleh Gambar 4 dan 5 adalah bahwa
asam organik yang disekresikan kedua
varietas padi ke larutan hara tidak
mempengaruhi konsentrasi asam organik pada
jaringan akar. Dengan kata lain kedua varietas
tersebut mampu mempertahankan kondisi
internalnya sekalipun jumlah asam organik
yang disekresikan ke luar akar cukup besar.
Sebagai contoh varietas Krowal yang
mengalami cekaman Al 60 ppm, mampu
mensekresikan asam organik pada konsentrasi
yang hampir sama dengan konsentrasi asam
organik yang ada di dalam jaringan akar,
bahkan padi varietas IR 64 mampu
mensekresikan
asam
organik
dalam
konsentrasi yang lebih besar dibandingkan
dengan konsentrasi asam organik yang
diakumulasi pada jaringan akar. Stabilitas
kandungan asam organik internal dalam
jaringan akar mungkin sangat dibutuhkan
untuk menjaga proses metabolisme dalam
tubuh tanaman tersebut. Kemampuan yang di
miliki kedua varietas tanaman dapat
memungkinkan jika dikembangkan padi
transgenik
melalui
overekspresi
gen
pembukaan channel asam organik sehingga
diperoleh padi dengan kemampuan sekresi
asam organik tinggi tanpa mempengaruhi
kondisi internal jaringan akar.
Jenis asam organik yang disekresikan
setiap spesies tanaman sebagai bentuk respon
terhadap Al berbeda-beda contohnya asam
oksalat pada Buckwheat (Ma et al 1998) dan
asam sitrat pada jagung (Zea mays L.) (Pellet
et al 1995). Selain itu, beberapa spesies
tanaman juga mampu mensekresikan lebih
dari satu jenis asam organik sebagai
mekanisme tenggang Al, seperti asam malat,
sitrat dan suksinat pada gandum (Triticum
aestivum L.) (Delhaize et al 1993), serta malat
dan sitrat pada Triticale (Ma 2000). Pada
varietas Krowal dan IR 64 belum diketahui
jenis asam organik apa saja yang disekresikan,
untuk mengetahuinya maka perlu dilakukan
penelitian lanjutan. Menurut Hue et al (1986)
Kemampuan setiap jenis asam organik dalam
mengurangi toksisitas Al berbeda-beda yakni
1) asam-asam organik yang
mempunyai
pengaruh kuat dalam mengurangi daya toksik
Al seperti asam sitrat dan oksalat, 2) asamasam organik dengan kemampuan sedang
dalam mengurangi daya toksik Al seperti
asam malat dan salisilat, 3) asam-asam
organik dengan kemampuan lemah dalam
mengurangi daya toksik Al seperti asam asetat
dan laktat. Kemampuan detoksifikasi Al pada
asam organik tersebut berkaitan dengan
komponen rantai karbon dari gugus OH dan
COOH. Semakin banyak gugus tersebut
dalam komponen asam organik maka
kemampuan asam organik dalam mengkelat
Al akan semakin baik.
Selain secara eksternal mekanisme
tenggang Al juga dapat terjadi secara internal
yakni pengkelatan Al oleh asam organik
dalam sitoplasma, sehingga Al3+ yang telah
berhasil masuk ke dalam sel diikat oleh
komponen asam organik dan efek meracun
dari Al dapat berkurang (Taylor 1981).
Kochian (1995) juga mengungkapkan bahwa
Al yang berhasil masuk ke dalam akar akan
dikelat dan diakumulasi pada vakuola.
Kandungan asam organik yang tinggi pada
akar dari kedua varietas terutama pada
varietas Krowal, bukan pengaruh dari
cekaman Al akan tetapi merupakan kondisi
internal dalam ja ringan akar tanaman itu
sendiri.
Respon tanaman terhadap cekaman Al
dapat terjadi secara eksternal ataupun
eksternal-internal. Menurut Delhaize et al
(1993) tanaman gandum memberikan respon
terhadap Al hanya secara eksternal berupa
sekresi asam malat ke rhizosfer. Sedangkan
menurut Kasim (2000) tanaman kedelai
(Glycine max) mampu memberikan respon
terhadap cekaman Al secara internal melalui
akumulasi asam malat pada jaringan akar dan
juga secara eksternal melalui sekresi asam
sitrat ke rhizosfer. Berdasarkan hasil analisis
asam organik pada larutan hara dan jaringan
akar, mekanisme eksternal pada tanaman padi
lebih dominan sebagai bentuk respon Al.
Respon tanaman terhadap cekaman Al
terjadi sangat cepat. Pada penelitian ini,
varietas Krowal dan IR 64 yang dicekam Al
60 ppm selama 6 jam mampu mensekresikan
7
asam organik berturut-turut sebesar 65 x 10-4
M dan 63 x 10-4 M dan nilai ini tidak
mengalami peningkatan yang nyata setelah
periode cekaman Al ditambah menjadi 12, 24
dan 48 jam. Penelitian yang telah yang
dilakukan oleh Delhaize et al (1993)
menunjukan
bahwa
tanaman
gandum
tenggang Al yang dicekam Al 50 µM selama 6
jam mampu mensekresikan asam malat
sebesar 0.11 µmol dan nilai ini tidak
mengalami peningkatan yang nyata setelah
tanaman mengalami cekaman Al selama 24
jam. Nilai sekresi asam organik yang tidak
berbeda antar varietas Krowal dan IR 64
menunjukan bahwa kedua varietas memiliki
kemampuan yang sama dalam mensekresikan
asam organik sebagai bentuk respon fisiologis
terhadap Al.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Aluminium memiliki pengaruh yang sangat
besar terhadap penghambatan pemanjangan
akar tanaman padi.
Semakin
tinggi
konsentrasi cekaman dan semakin lama
periode cekaman yang diberikan maka
semakin
tinggi
tingkat
penghambatan
pemanjangan akar tanaman padi. Peningkatan
konsentrasi Al berbanding lurus dengan
peningkatan sekresi asam organik ke larutan
hara akan tetapi peningkatan konsentrasi Al
tersebut tidak mempengaruhi akumulasi asam
organik pada jaringan akar. Pada kondisi
cekaman Al 60 ppm, varietas Krowal
cenderung mensekresikan asam organik lebih
tinggi dibandingkan varietas IR 64. Periode
cekaman Al 60 ppm selama 6 jam mampu
membuat varietas Krowal dan IR 64
mensekresikan asam organik dalam jumlah
yang cukup besar.
Saran
Perlu dilakukan penelitian lanjutan untuk
mengetahui jenis asam organik yang
disekresikan oleh tanaman padi varietas
Krowal dan IR 64. Perlu digunakan padi
toleran Al untuk melihat respon utama
tenggang Al pada tanaman padi.
DAFTAR PUSTAKA
Blamey FPC, CJ Asher, GL Kerven, and NG
Edwards.
1993.
Factors
affecting
alumunium absorption by calcium pectate.
Plant and Soil. 149: 87-94
Delhaize E, Ryan PR and Randal PJ. 1993.
Alumunium resistance in wheat (Triticum
aestivum L.): II. Alumunium-stimulated
excretion of malic acid from root apices.
Plant Physiol. 103: 695-702.
Delhaize E and Ryan RR. 1995. Alumunium
toxicity and tolerance in plant. Plant
Physiol. 107: 315-321.
Foy CD. 1983. The physiology of plant
adaption to mineral stress. Iowa State J Res
57: 355-392.
Grist DH. 1953. Rice. London : Longmans,
Green co Ltd.
Hue NV, Cradock GR, adams F. 1986. Effect
of organic acids on aluminum toxicity in
subsoil. Soil Science Society of America
Journal. 50: 28-34
Kamprath E. 1980. Soil Acidity Well-Drained
Soil of the Tropics as a Constraint to Food
Production in the Tropics. Los Banos :
IRRI
Kochian LV. 1995. Cellular mechanism of
alumunium toxicity and resistance in
plants. Annu Rev. Plant Physiol. Plant
Mol.Biol. 46: 237-260.
Kochian LV, Hoekenga OA and Pineros MA.
2004. How do plants tolerate acid soils ?
Mechanism of alumunium tolerance and
phosporous efficiency. Annu Rev. Plant
Physiol. 55: 459-493.
Kasim N. 2000. Eksudasi dan akumulasi asam
organik pada beberapa kedelai (Glycine
max) genotipe toleran aluminium. [Tesis].
Program Pascasarjana IPB. Bogor.
Li et al. 2000. Pattern of aluminum-induced
secretion of organic acids differs between
Rye and Wheat. Ameriaca Society Of Plant
physiol. Pp123:1537-1543.
Ma JF, Zheng SJ, Matsumoto H. 1998. High
alumunium resistance in Buckwheat : I. Alinduced specific secretion of oxalic acid
from root tips. Plant l Physiol. 117: 745751.
Ma JF. 2000. Role of organic acids in
detoxification of alumunium in higher
plants. Plant Cell Physiol. 41: 383-390.
Matsumoto H. 1991. Biochemical mechanism
of the toxicity of alumunium and the
sequestration of alumunium in plant cells.
In R. J Wright et al. (eds) Plant-Soil
Interactions at Low pH. Netherlands:
Kluwer Academic Publishers. Pp 825-836.
8
Marscner H. 1995. Mineral Nutrition in
Higher Plants. Academic Press Inc.
London. 889p.
Miyasaka SC, Buta JG, Howell RK and Foy
CD. 1991. Mechanism of alumunium
tolerance in snapbeans : root exudation of
citric acid. Plant Physiol. 96: 737-743
Pellet DM, Grunes DL, Kochian LV. 1995.
Organic acid exudation as a mechanisms of
Al-resistance in Zea mays. Planta 197:
788-795.
Pusat Penelitian Tanah dan Agroklimat. 1997.
Peta Tanah Indonesia. Lembaga Penelitian
Tanah dan Agroklimat, Badan Penelitian
dan Pengembangan Pertanian. Departemen
Pertanian.
Sanchez. 1976. Properties and Management
of Soil in the Tropics. New York: John
Willey and Sons. 618 p.
Taylor GJ. 1981. Current views of
the
alumunium
stress
response:
The
physiologycal basis of tolerance. Curr top
Plant Biochem Physiol 10: 57-93.
Yoshida S, Forno DA, Cock JH. 1976.
Laboratory Manual For Physiological
Studies of Rice (3rdEd). Los Banos: IRRI.
hlm 61-66.
.
SEKRESI ASAM ORGANIK PADA TANAMAN PADI YANG
MENDAPAT CEKAMAN ALUMINIUM
Oleh :
INA FAJARWATI
G 34102047
DEPARTEMEN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
A BSTR A K
IN A FA JA R W A TI. Sekresi A sam O rganik pada Tanam an Padi yang M endapat Cekam an
A lum inium .D ibim bing oleh M iftahudindan H am im .
K ebutuhan beras sebagai m akanan pokok penduduk Indonesia sem akin m eningkat.
Program ekstensifikasipadipada lahan-lahan m arginalsepertitanah asam diluar Jaw a m erupakan
pilihan yang dapat diam bil untuk m endukung produksi beras nasional. A kan tetapi pada tanah
asam , kelarutan aluminium (A l) yang tinggi sering m enjadi kendala produksi.O leh karena itu
perlu dikem bangkan varietas padi tenggang A l yang m em iliki kriteria diantaranya kem am puan
m em pertahankan kondisiperakaran untuk tetap tum buh dan m am pu m ensekresikan asam organik
pengkelat A l. Penelitian inibertujuan m em pelajaripengaruh A l terhadap pem anjangan akar dan
pola sekresi asam organik pada tanam an padidengan pendekatan analisis RRE (Relative Root
Elongation)dan titrasiasam organik.
Berdasarkan hasil analisis RRE, tanam an padi varietas Krow al dan IR 64 m enunjukan
pengham batan akar yang cukup tinggi setelah m endapat cekam an A l 15 ppm dan nilai
pengham batan akar initerus m eningkatseiring dengan peningkatan konsentrasidan lam a periode
cekam an A l.Berdasarkan analisis titrasi pada m edia tum buh tanam an,peningkatan sekresiasam
organik dari akar ke m edia tum buh terjadipada kedua varietas padiseiring peningkatan cekam an
A l. Sedangkan pada jaringan akar tanam an, pola akum u lasi asam organik tam pak tidak
dipengaruhi oleh peningkatan konsentrasi A l. H al ini m enunjukan bahw a tanam an padi
m enggunakan m ekanism e sekresi asam organik (mekanism e eksternal) sebagai bentuk respon
fisiologisterhadap A l.Sekresiasam organik kedua varietas padisetelah 6 jam cekam an A l,13 kali
lebih banyak dibandingkan sekresiasam organik pada tanam an yang tidak m endapatcekam an.
A BSTR A C T
IN A FA JA R W A TI. O rganic A cid Secretion on A l-Stressed Rice. U nder supervision of
M iftahudin and H am im.
The need of rice as a staple food in Indonesia increased from day to day. The rice
extensification program m e on m arginal land such as acid soils outside Java could be one of the
alternative solutionsto increase nationalrice production.H ow ever,the high solubility ofA lin acid
soilcould be a constraintof rice production.Therefore,itis neccesary to develop A ltolerantrice
variety such as a variety that have the ability to m aintain a favorable rhizosphere condition
prom ote rootgrow th as w ellas a variety thathave ability to secrete organic acid.The objective of
this research is to study the influence of A l stress to root elongation and organic acid secretion
pattern in rice.
The Relative RootElongation (RRE)analysis show ed that the exposure of rice root to 15
ppm A l in nutrient solution highly inhibited root elongation in both K row al and IR 64 rice
varieties.This inhibition increased as the increase of A l concentration and tim e exposure.O rganic
acid analysis in nutrientsolution show ed thatthe increase of A lconcentration stim ulated organic
acid secretion from the root of both rice varieties. H ow ever, the increase of A l concentration in
nutrientsolution did notinfluence the accum ulation oforganic acid in roottissue.In both varieties,
the secretion of organic acid is significantly high after 6 hours exposure to A l. The results
indicated thatorganic acid secretion is one ofthe A lresponse m echanism in rice.
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Padi gogo (Oryza sativa L.) merupakan
tanaman padi lahan kering yang telah lama
dikembangkan dan dibudidayakan oleh
masyarakat untuk memenuhi kebutuhan
pangan secara subsistem.
Menurut Grist
(1953)
secara
umu m
keuntungan
pengembangan padi di lahan kering adalah
biaya yang dibutuhkan relatif lebih rendah
karena
sistem
irigasi intensif
tidak
dibutuhkan.
Semakin menyempitnya lahan pertanian di
Pulau Jawa karena telah mengalami alih
fungsi menjadi lahan perumahan dan industri
merupakan kendala bagi pemerintah dalam
budidaya padi. Oleh karena itu pemerintah
mengalihkan budidaya padi gogo ke daerah
luar Jawa yang sebagian besar lahannya
merupakan lahan asam dengan kelarutan Al
sangat tinggi. Berdasarkan data Pusat
Penelitian Tanah dan Agroklimat (1997),
lahan dengan potensi keracunan Al tinggi
yang tersebar di seluruh wilayah Indonesia
yakni seluas 42.6 juta hektar (Ha), yang terdiri
dari 14.8 juta Ha di Sumatera, 1.7 juta Ha di
Jawa dan Madura, 0.45 juta Ha di Nusa
Tenggara dan Maluku, 17.7 juta Ha di
Kalimantan, 1.3 juta Ha di Sulawesi, serta 6.6
juta Ha di Irian Jaya.
Aluminium pada larutan dengan pH netral
berada dalam bentuk kompleks hidroksida
yang tidak larut dan tidak toksik terhadap
tanaman. Akan tetapi pada larutan dengan pH
< 5, ion Al berada dalam bentuk oktahedral
heksahidrat atau sering disingkat Al3+
(Marschner 1995). Apabila Al3+ terlarut dalam
jumlah besar, maka dapat mengakibatkan
efisiensi penyerapan air dan unsur hara
menjadi berkurang (Foy 1983), pembentukan
dan pemanjangan akar menjadi terhambat
bahkan bila kondisi cekaman terus berlanjut
dapat mengakibatkan umur panen lebih lama
dan terjadi klorosis pada tanaman (Matsumoto
1991).
Ada berbagai alternatif untuk mengatasi
permasalahan di atas diantaranya melalui
peningkatan pH tanah dengan pengapuran dan
penggunaan varietas toleran Al. Banyak
kendala yang harus dihadapi melalui
pendekatan pengapuran, diantaranya biaya
yang harus dikeluarkan lebih besar,
ketersediaan pupuk dan kapur terbatas , dapat
menyebabkan hara mineral mikro menjadi
tidak
tersedia
dan
hanya
mampu
meningkatkan pH pada kedalaman tanah yang
terbatas (Kamprath 1980). Sebaliknya,
penggunaan varietas tenggang Al dianggap
lebih efisien dan efektif karena tanaman
secara alamiah memiliki ketenggangan
terhadap Al.
Tanaman dikatakan tenggang Al jika
memiliki kemampuan menekan efek meracun
dari ion Al. Menurut Sanchez (1976) beberapa
kriteria tanaman tenggang Al diantaranya 1)
kesanggupan akar untuk terus tumbuh dan
ujung akar tidak rusak 2) tanaman sanggup
mengubah kondisi di sekitar perakaran dari
asam menjadi kurang asam 3) ion Al hanya
sedikit ditranslokasikan ke bagian atas
tanaman, karena sebagian bes ar ditahan diakar
4) serapan serta translokasi unsur Ca, Mg, P
dan K tidak terganggu.
Kochian (1995) mengemukakan bahwa
mekanisme tenggang Al pada tanaman dapat
dikelompokan menjadi dua yakni 1)
mekanisme eksternal melalui sekresi ligan
pengkelat Al, induksi senyawa barrier pH
pada tanaman di daerah rhizosfer, imobilisasi
Al pada dinding sel, dan peningkatan selektif
permeabel pada membran plasma 2)
mekanisme internal melalui pengkelatan dan
kompartemensasi Al di dalam vakuola.
Detoksifikasi Al pada rhizosfer melalui
sekresi asam organik pengkelat Al telah
banyak dilaporkan, diantaranya asam malat
pada gandum (Triticum aestivum L.)
(Delhaize et al 1993), asam sitrat pada jagung
(Zea mays L.) (Pellet et al 1995) dan asam
oksalat pada Buckwheat (Ma et al 1998)
sebagai bentuk respon Al.
Sejauh ini informasi mengenai respon
fisiologi tanaman padi terhadap cekaman Al
khususnya sekresi asam organik belum
banyak diketahui. Oleh kerena itu perlu
dilakukan studi tentang pola sekresi asam
organik pada padi yang mendapat cekaman
Al.
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk
mempelajari pola sekresi asam organik pada
padi yang mendapat cekaman Aluminium.
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan
Februari 2006 hingga April 2007 di
Laboratorium Fisiologi Tumbuhan dan
Laboratorium Biologi Terpadu Departemen
Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, IPB, Bogor.
Bahan
Bahan tanaman yang digunakan dalam
penelitian ini adalah padi gogo varietas
Krowal dan padi varietas IR 64.
Komposisi hara untuk kultur hara terdiri
dari unsur hara makro yakni: 40 ppm N dalam
NH4 NO3 , 10 ppm P dalam NaH2 PO4 , 40 ppm
K dalam K2 SO4 , 40 ppm Ca dalam CaCl2 , 40
ppm Mg dalam MgSO4 . 7H2 O dan unsur-unsur
hara mikro yakni 0.5 ppm Mn dalam MnCl2 .
H2 O, 0.05 ppm Mo dalam (NH4 )6 Mo 7 O24 .
H2 O, 0.2 ppm B dalam H3 BO3 , 0.01 ppm Zn
dalam ZnSO4 . 7H2 O, 0.01 ppm Cu dalam
CuSO4 . 5H2 O dan 2.0 ppm Fe dalam FeEDTA
(Yoshida et al 1976). Untuk media adaptasi
digunakan larutan CaCl2 ) 0.5 mM. Sedangkan
untuk media cekaman digunakan larutan
CaCl2 0.5 mM ditambah AlCl3 . 6H2 O.
Phenolpthalin (PP) 1% digunakan sebagai
indikator asam dan NaOH 0.01 N sebagai
titrant pada titrasi asam organik.
Metode
Rancangan percobaan. Percobaan ini
merupakan percobaan faktorial yang disusun
berdasarkan Rancangan Acak Kelompok.
Untuk uji RRE (Relative Root Elongation),
faktor pertama berupa konsentrasi Al yang
terdiri dari 5 taraf (0, 15, 30 45 dan 60 ppm)
atau periode cekaman Al yang terdiri dari 4
taraf (0, 24, 48, dan 72 jam) sedangkan faktor
kedua berupa varietas yang terdiri dari 2 taraf
(Krowal dan IR 64). Untuk uji asam organik,
faktor pertama berupa konsentrasi Al yang
terdiri dari 5 taraf (0, 15, 30 45 dan 60 ppm)
atau periode cekaman Al yang terdiri dari 5
taraf (0, 6, 12, 24, dan 48 jam) sedangkan
faktor kedua berupa varietas yang terdiri dari
2 taraf (Krowal dan IR 64). Setiap percobaan
dilakukan dengan tiga kali ulangan. Model
linear rancangan percobaan adalah sebagai
berikut :
Yijk = µ + αi + βj + (αβ)ij + ?k + eijk
Yijk
: Nilai pengamatan pada konsentrasi Al
atau periode cekaman Al taraf ke -i,
varietas taraf ke -j dan ulangan ke-k
µ
: Rataan umum
αi
: Pengaruh konsentrasi Al atau periode
cekaman taraf ke -i
βj
: Pengaruh varietas taraf ke-j
(αβ)ij : Pengaruh interaksi konsentrasi Al
atau periode cekaman taraf ke-i dan
varietas taraf ke -j
?k
: Kelompok ke -k
eijk
: Pengaruh acak konsentrasi Al atau
periode cekaman Al taraf ke -i,
varietas taraf ke -j dan ulangan ke-k
Kultur hara. 200 benih padi tiap-tiap
varietas disterilisasi menggunakan sodium
hipoklorit 0.5 % selama lima belas menit dan
dibilas dengan air destilata sebanyak 3 kali.
Kemudian benih direndam dalam air destilata
selama 24 jam dan dikecambahkan pada
kertas buram yang telah dibasahi air destilata,
kemudian disimpan dalam ruang gelap selama
48 jam. Kecambah yang panjang akarnya
seragam ditanam di atas screen
yang
mengapung pada larutan hara (pH 4).
Kemudian ditumbuhkan pada growth chamber
(12 jam gelap dan 12 jam terang) pada suhu
ruang selama 1 hari untuk analisis RRE dan 5
hari untuk analisis titrasi asam organik. Setiap
hari pH larutan hara diukur dan dipertahankan
pada pH 4 dengan menggunakan HCl 0.1 N.
Kecambah yang tumbuh digunakan untuk
pengujian Al selanjutnya. Sebelum diberi
cekaman, kecambah diadaptasikan pada
larutan CaCl2 0.5 mM.
Analisis RRE. Sebanyak 10 kecambah
padi umur 1 hari dalam kultur hara diberi
cekaman Al dengan konsentrasi 0, 15, 30, 45
dan 60 ppm selama 24, 48 dan 72 jam.
Kemudian pertambahan panjang akar selama
periode cekaman diukur. Nilai RRE dapat
ditentukan dengan rumus :
pemanjangan akar pada cekaman Al
RRE =
pemanjangan akar tanpa cekaman
x 100%
Pengamatan Morfologi akar. Untuk
mengetahui pengaruh Al terhadap morfologi
akar maka dilakukan pengamatan morfologi
akar secara visual.
Analisis Asam Organik. Analisis asam
organik pada jaringan akar dan larutan hara
dilakukan dengan menggunakan metode
titrasi. Prinsip penggunaan titrasi untuk
3
cekaman dengan akar tanaman pada kondisi
tanpa cekaman.
Hasil analisis RRE pada varietas Krowal
dan IR 64 menunjukan bahwa peningkatan
konsentrasi
Al
dapat
menghambat
pemanjangan akar kedua varietas padi tersebut
(Gambar 1).
RRE ( %)
analisis asam organik berdasarkan pengikatan
senyawa asam organik oleh NaOH yang telah
diketahui konsentrasinya. Sehingga dari
rumus persamaan konsentrasi asam-basa
jumlah asam organik dalam suatu larutan
dapat diketahui.
Konsentrasi asam organik pada larutan
hara diketahui dengan cara 100 kecambah
umur 5 hari pada kultur hara diadaptasikan
selama 12 jam dalam 0.5 mM CaCl2 , pH 4.
Kemudian diberi cekaman Al selama 24 jam.
Sebanyak 20 ml larutan hara yang
mengandung
eksudat
akar
dititrasi
menggunakan NaOH. Nilai asam organik
pada larutan hara dihitung dengan rumus:
35
30
25
20
15
10
5
0
Krowal
IR 64
15
N NaOH x ml titrant
[ asam organik ] =
ml larutan hara
Konsentrasi asam organik dalam jaringan
akar dapat diketahui dengan cara akar dari 100
kecambah padi (umur 5 hari) yang telah
diberi cekaman Al selama 24 jam dipotong
(1.5 cm dari ujung), kemudian ditimbang dan
digerus dengan menggunakan mortar. Hasil
gerusan ditambah air destilata sebanyak 10 ml
dan disentrifuse (Heraeus, Labofuge 400 R)
dengan kecepatan 4200 rpm selama 10 menit,
kemudian supernatannya diambil, sedangkan
residunya ditambah air destilata sebanyak 10
ml dan disentrifuse kembali. Kedua
supernatan (ekstrak akar) yang diperoleh
kemudian dicampur. Sebanyak 20 ml ekstrak
akar dititrasi menggunakan NaOH dan PP.
Nilai asam organik pada jaringan akar
dihitung dengan rumus:
N NaOH x ml titrant
[ asam organik] =
: gr akar
ml air destilata
HASIL
30
45
Konsentrasi Al (ppm)
Gambar 1 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap nilai
RRE
Cekaman Al 15 ppm selama 24 jam,
menyebabkan nilai RRE pada varietas Krowal
dan IR 64 berturut-turut sebesar 26.83% dan
21.57%. Nilai RRE terus menurun seiring
dengan peningkatan konsentrasi Al yang
diberikan. Bahkan pada tingkat cekaman Al
60 ppm, nilai RRE dari varietas Krowal dan
IR 64 berturut-turut 8.5% d an 7.1%.
Selain pengaruh peningkatan konsentrasi
Al, periode cekaman Al juga memberikan
pengaruh yang nyata terhadap nilai RRE pada
akar tanaman padi. Gambar 2 menunjukan
bahwa nilai RRE varietas Krowal dan IR 64
pada cekaman Al 15 ppm selama 48 jam
berturut-turut 2 dan 3 kali lebih rendah
dibandingkan nilai RRE kedua varietas yang
dicekam Al selama 24 jam. Bahkan pada
periode cekaman Al 72 jam nilai RRE varietas
Krowal dan IR 64 berturut-turut 10 dan 20
kali lebih rendah dibandingkan nilai RRE
kedua varietas pada periode cekaman 24 jam.
Analisis RRE
Nilai penghambatan pemanjangan akar
tanaman akibat cekaman Al dapat diketahui
mela lui
analisis
RRE,
dengan
cara
membandingkan pemanjangan akar selama
RRE (%)
40
Secara alamiah tanaman memberikan
respon fisiologi terhadap cekaman Al. Respon
fisiologi yang telah dipelajari pada penelitian
ini berupa penghambatan pemanjangan akar
padi yang dapat diketahui melalui analisis
RRE dan sekresi asam organik oleh akar padi
melalui analisis titrasi asam organik.
60
Krowal
IR 64
30
20
10
0
24
48
72
Periode Cekaman (jam)
Gambar 2 Pengaruh periode cekaman Al
konsentrasi 15 ppm terhadap nilai
RRE
Penurunan nilai RRE seiring meningkatnya
MENDAPAT CEKAMAN ALUMINIUM
Oleh :
INA FAJARWATI
G 34102047
DEPARTEMEN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
ABSTRAK
INA FAJARWATI. Sekresi Asam Organik pada Tanaman Padi yang Mendapat Cekaman
Aluminium. Dibimbing oleh Miftahudin dan Hamim.
Kebutuhan beras sebagai makanan pokok penduduk Indonesia semakin meningkat.
Program ekstensifikasi padi pada lahan-lahan marginal seperti tanah asam di luar Jawa merupakan
pilihan yang dapat diambil untuk mendukung produksi beras nasional. Akan tetapi pada tanah
asam, kelarutan aluminium (Al) yang tinggi sering menjadi kendala produksi. Oleh karena itu
perlu dikembangkan varietas padi tenggang Al yang memiliki kriteria diantaranya kemampuan
mempertahankan kondisi perakaran untuk tetap tumbuh dan mampu mensekresikan asam organik
pengkelat Al. Penelitian ini bertujuan mempelajari pengaruh Al terhadap pemanjangan akar dan
pola sekresi asam organik pada tanaman padi dengan pendekatan analisis RRE (Relative Root
Elongation) dan titrasi asam organik.
Berdasarkan hasil analisis RRE, tanaman padi varietas Krowal dan IR 64 menunjukan
penghambatan akar yang cukup tinggi setelah mendapat cekaman Al 15 ppm dan nilai
penghambatan akar ini terus meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi dan lama periode
cekaman Al. Berdasarkan analisis titrasi pada media tumbuh tanaman, peningkatan sekresi asam
organik dari akar ke media tumbuh terjadi pada kedua varietas padi seiring peningkatan cekaman
Al. Sedangkan pada jaringan akar tanaman, pola akumu lasi asam organik tampak tidak
dipengaruhi oleh peningkatan konsentrasi Al. Hal ini menunjukan bahwa tanaman padi
menggunakan mekanisme sekresi asam organik (mekanisme eksternal) sebagai bentuk respon
fisiologis terhadap Al. Sekresi asam organik kedua varietas padi setelah 6 jam cekaman Al, 13 kali
lebih banyak dibandingkan sekresi asam organik pada tanaman yang tidak mendapat cekaman.
ABSTRACT
INA FAJARWATI. Organic Acid Secretion on Al-Stressed Rice. Under supervision of
Miftahudin and Hamim.
The need of rice as a staple food in Indonesia increased from day to day. The rice
extensification programme on marginal land such as acid soils outside Java could be one of the
alternative solutions to increase national rice production. However, the high solubility of Al in acid
soil could be a constraint of rice production. Therefore, it is neccesary to develop Al tolerant rice
variety such as a variety that have the ability to maintain a favorable rhizosphere condition
promote root growth as well as a variety that have ability to secrete organic acid. The objective of
this research is to study the influence of Al stress to root elongation and organic acid secretion
pattern in rice.
The Relative Root Elongation (RRE) analysis showed that the exposure of rice root to 15
ppm Al in nutrient solution highly inhibited root elongation in both Krowal and IR 64 rice
varieties. This inhibition increased as the increase of Al concentration and time exposure. Organic
acid analysis in nutrient solution showed that the increase of Al concentration stimulated organic
acid secretion from the root of both rice varieties. However, the increase of Al concentration in
nutrient solution did not influence the accumulation of organic acid in root tissue. In both varieties,
the secretion of organic acid is significantly high after 6 hours exposure to Al. The results
indicated that organic acid secretion is one of the Al response mechanism in rice.
SEKRESI ASAM ORGANIK PADA TANAMAN PADI YANG
MENDAPAT CEKAMAN ALUMINIUM
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
INA FAJARWATI
DEPARTEMEN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
Judul Skripsi
Nama
NRP
: Sekresi Asam Organik pada Tanaman Padi yang Mendapat Cekaman
Aluminium
: Ina Fajarwati
: G 34102047
Menyetujui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Ir. Miftahudin, M.Si.
NIP 131851281
Dr. Ir. Hamim, M.Si.
NIP 131878946
Mengetahui :
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS .
NIP 131473999
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan karuniaNya
sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari
2006 hingga April 2007 ini berjudul Sekresi Asam Organik pada Tanaman Padi yang Mendapat
Cekaman Alumunium.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr. Ir. Miftahudin, MSi. dan Dr. Ir. Hamim, MSi.
yang telah meluangkan waktu serta fikiran dalam membimbing dan mengarahkan penulis hingga
karya ilmiah ini selesai, kepada Dr. Ir. Lisdar A Manaf selaku dosen penguji yang telah
memberikan saran dan perbaikan untuk kesemp urnaan karya ilmiah ini, serta seluruh staf Biologi
khususnya staf Fisiologi Tumbuhan yang telah memberikan bantuan fasilitas dalam pelaksanaan
penelitian.
Ungkapan terimakasih juga penulis sampaikan untuk Bapak, Mamah, Teh Tia, A Erwin,
Azzam, Teh Mirna, Hana dan mas Imam atas segala do’a, pengertian serta kasih sayang yang
tercurah untuk penulis. Tak lupa penulis ucapkan terima kasih kepada, Ela, Ninda, bu Dewi dan
mba Vil sebagai partner kerja selama penelitian serta untuk my little family, Eli, Nina, Aiara, Yulia
dan semua teman-teman Biologi atas segala dukungan dan semangat yang telah diberikan.
Penulis menyadari skripsi ini jauh dari sempurna. Oleh karena itu saran dan kritik yang
membangun sangat penulis harapkan. Semoga skripsi ini bermanfaat.
Bogor, Mei 2007
Ina Fajarwati
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 7 Juli 1984 dari ayah bernama Dodi Sukendro, Sp.
dan ibu Erna Kurniasih. Penulis merupakan putri ketiga dari empat bersaudara.
Tahun 2002 penulis lulus dari SMU Negeri 3 Bogor dan pada tahun yang sama penulis lulus
seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih program studi
Biologi, Departemen Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum Genetika Dasar dan
Fisiologi Tumbuhan pada tahun ajaran 2005/2006. Pada tahun 2006 penulis berhasil lolos Seleksi
Penulisan Karya Ilmiah Penelitian yang diselenggarakan oleh DIKTI. Pada tahun yang sama
hingga sekarang penulis menjadi pengajar di lembaga bimbingan belajar Bintang Pelajar kota
Bogor.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ v
PENDAHULUAN
Latar Belakang ......................................................................................................... 1
Tujuan ....................................................................................................................... 1
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat .................................................................................................... 2
Bahan ........................................................................................................................ 2
Metode ...................................................................................................................... 2
HASIL
Analisis RRE ............................................................................................................ 3
Sekresi Asam Organik .............................................................................................. 4
PEMBAHASAN .............................................................................................................. 5
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan .................................................................................................................... 7
Saran ……………………………………………………………………………….. 7
DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………………………... 7
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Pengaruh peningkatan konsentrasi Al selama 24 jam terhadap nilai RRE ………………….. 3
2 Pengaruh periode cekaman Al konsentrasi 15 ppm terhadap nilai RRE ……………………. 3
3 Pengaruh peningkatan konsentrasi Al selama 24 jam terhadap morfologi akar ……….......... 4
4 Pengaruh peningkatan konsentrasi Al selama 24 jam terhadap sekresi asam organik ............. 4
5 Pengaruh peningkatan konsentrasi Al selama 24 jam terhadap akumulasi asam organik
pada jaringan akar .................................................................................................................... 4
6 Pengaruh periode cekaman Al konsentrasi 60 ppm terhadap sekresi asam organik ................. 5
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Padi gogo (Oryza sativa L.) merupakan
tanaman padi lahan kering yang telah lama
dikembangkan dan dibudidayakan oleh
masyarakat untuk memenuhi kebutuhan
pangan secara subsistem.
Menurut Grist
(1953)
secara
umu m
keuntungan
pengembangan padi di lahan kering adalah
biaya yang dibutuhkan relatif lebih rendah
karena
sistem
irigasi intensif
tidak
dibutuhkan.
Semakin menyempitnya lahan pertanian di
Pulau Jawa karena telah mengalami alih
fungsi menjadi lahan perumahan dan industri
merupakan kendala bagi pemerintah dalam
budidaya padi. Oleh karena itu pemerintah
mengalihkan budidaya padi gogo ke daerah
luar Jawa yang sebagian besar lahannya
merupakan lahan asam dengan kelarutan Al
sangat tinggi. Berdasarkan data Pusat
Penelitian Tanah dan Agroklimat (1997),
lahan dengan potensi keracunan Al tinggi
yang tersebar di seluruh wilayah Indonesia
yakni seluas 42.6 juta hektar (Ha), yang terdiri
dari 14.8 juta Ha di Sumatera, 1.7 juta Ha di
Jawa dan Madura, 0.45 juta Ha di Nusa
Tenggara dan Maluku, 17.7 juta Ha di
Kalimantan, 1.3 juta Ha di Sulawesi, serta 6.6
juta Ha di Irian Jaya.
Aluminium pada larutan dengan pH netral
berada dalam bentuk kompleks hidroksida
yang tidak larut dan tidak toksik terhadap
tanaman. Akan tetapi pada larutan dengan pH
< 5, ion Al berada dalam bentuk oktahedral
heksahidrat atau sering disingkat Al3+
(Marschner 1995). Apabila Al3+ terlarut dalam
jumlah besar, maka dapat mengakibatkan
efisiensi penyerapan air dan unsur hara
menjadi berkurang (Foy 1983), pembentukan
dan pemanjangan akar menjadi terhambat
bahkan bila kondisi cekaman terus berlanjut
dapat mengakibatkan umur panen lebih lama
dan terjadi klorosis pada tanaman (Matsumoto
1991).
Ada berbagai alternatif untuk mengatasi
permasalahan di atas diantaranya melalui
peningkatan pH tanah dengan pengapuran dan
penggunaan varietas toleran Al. Banyak
kendala yang harus dihadapi melalui
pendekatan pengapuran, diantaranya biaya
yang harus dikeluarkan lebih besar,
ketersediaan pupuk dan kapur terbatas , dapat
menyebabkan hara mineral mikro menjadi
tidak
tersedia
dan
hanya
mampu
meningkatkan pH pada kedalaman tanah yang
terbatas (Kamprath 1980). Sebaliknya,
penggunaan varietas tenggang Al dianggap
lebih efisien dan efektif karena tanaman
secara alamiah memiliki ketenggangan
terhadap Al.
Tanaman dikatakan tenggang Al jika
memiliki kemampuan menekan efek meracun
dari ion Al. Menurut Sanchez (1976) beberapa
kriteria tanaman tenggang Al diantaranya 1)
kesanggupan akar untuk terus tumbuh dan
ujung akar tidak rusak 2) tanaman sanggup
mengubah kondisi di sekitar perakaran dari
asam menjadi kurang asam 3) ion Al hanya
sedikit ditranslokasikan ke bagian atas
tanaman, karena sebagian bes ar ditahan diakar
4) serapan serta translokasi unsur Ca, Mg, P
dan K tidak terganggu.
Kochian (1995) mengemukakan bahwa
mekanisme tenggang Al pada tanaman dapat
dikelompokan menjadi dua yakni 1)
mekanisme eksternal melalui sekresi ligan
pengkelat Al, induksi senyawa barrier pH
pada tanaman di daerah rhizosfer, imobilisasi
Al pada dinding sel, dan peningkatan selektif
permeabel pada membran plasma 2)
mekanisme internal melalui pengkelatan dan
kompartemensasi Al di dalam vakuola.
Detoksifikasi Al pada rhizosfer melalui
sekresi asam organik pengkelat Al telah
banyak dilaporkan, diantaranya asam malat
pada gandum (Triticum aestivum L.)
(Delhaize et al 1993), asam sitrat pada jagung
(Zea mays L.) (Pellet et al 1995) dan asam
oksalat pada Buckwheat (Ma et al 1998)
sebagai bentuk respon Al.
Sejauh ini informasi mengenai respon
fisiologi tanaman padi terhadap cekaman Al
khususnya sekresi asam organik belum
banyak diketahui. Oleh kerena itu perlu
dilakukan studi tentang pola sekresi asam
organik pada padi yang mendapat cekaman
Al.
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk
mempelajari pola sekresi asam organik pada
padi yang mendapat cekaman Aluminium.
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan
Februari 2006 hingga April 2007 di
Laboratorium Fisiologi Tumbuhan dan
Laboratorium Biologi Terpadu Departemen
Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, IPB, Bogor.
Bahan
Bahan tanaman yang digunakan dalam
penelitian ini adalah padi gogo varietas
Krowal dan padi varietas IR 64.
Komposisi hara untuk kultur hara terdiri
dari unsur hara makro yakni: 40 ppm N dalam
NH4 NO3 , 10 ppm P dalam NaH2 PO4 , 40 ppm
K dalam K2 SO4 , 40 ppm Ca dalam CaCl2 , 40
ppm Mg dalam MgSO4 . 7H2 O dan unsur-unsur
hara mikro yakni 0.5 ppm Mn dalam MnCl2 .
H2 O, 0.05 ppm Mo dalam (NH4 )6 Mo 7 O24 .
H2 O, 0.2 ppm B dalam H3 BO3 , 0.01 ppm Zn
dalam ZnSO4 . 7H2 O, 0.01 ppm Cu dalam
CuSO4 . 5H2 O dan 2.0 ppm Fe dalam FeEDTA
(Yoshida et al 1976). Untuk media adaptasi
digunakan larutan CaCl2 ) 0.5 mM. Sedangkan
untuk media cekaman digunakan larutan
CaCl2 0.5 mM ditambah AlCl3 . 6H2 O.
Phenolpthalin (PP) 1% digunakan sebagai
indikator asam dan NaOH 0.01 N sebagai
titrant pada titrasi asam organik.
Metode
Rancangan percobaan. Percobaan ini
merupakan percobaan faktorial yang disusun
berdasarkan Rancangan Acak Kelompok.
Untuk uji RRE (Relative Root Elongation),
faktor pertama berupa konsentrasi Al yang
terdiri dari 5 taraf (0, 15, 30 45 dan 60 ppm)
atau periode cekaman Al yang terdiri dari 4
taraf (0, 24, 48, dan 72 jam) sedangkan faktor
kedua berupa varietas yang terdiri dari 2 taraf
(Krowal dan IR 64). Untuk uji asam organik,
faktor pertama berupa konsentrasi Al yang
terdiri dari 5 taraf (0, 15, 30 45 dan 60 ppm)
atau periode cekaman Al yang terdiri dari 5
taraf (0, 6, 12, 24, dan 48 jam) sedangkan
faktor kedua berupa varietas yang terdiri dari
2 taraf (Krowal dan IR 64). Setiap percobaan
dilakukan dengan tiga kali ulangan. Model
linear rancangan percobaan adalah sebagai
berikut :
Yijk = µ + αi + βj + (αβ)ij + ?k + eijk
Yijk
: Nilai pengamatan pada konsentrasi Al
atau periode cekaman Al taraf ke -i,
varietas taraf ke -j dan ulangan ke-k
µ
: Rataan umum
αi
: Pengaruh konsentrasi Al atau periode
cekaman taraf ke -i
βj
: Pengaruh varietas taraf ke-j
(αβ)ij : Pengaruh interaksi konsentrasi Al
atau periode cekaman taraf ke-i dan
varietas taraf ke -j
?k
: Kelompok ke -k
eijk
: Pengaruh acak konsentrasi Al atau
periode cekaman Al taraf ke -i,
varietas taraf ke -j dan ulangan ke-k
Kultur hara. 200 benih padi tiap-tiap
varietas disterilisasi menggunakan sodium
hipoklorit 0.5 % selama lima belas menit dan
dibilas dengan air destilata sebanyak 3 kali.
Kemudian benih direndam dalam air destilata
selama 24 jam dan dikecambahkan pada
kertas buram yang telah dibasahi air destilata,
kemudian disimpan dalam ruang gelap selama
48 jam. Kecambah yang panjang akarnya
seragam ditanam di atas screen
yang
mengapung pada larutan hara (pH 4).
Kemudian ditumbuhkan pada growth chamber
(12 jam gelap dan 12 jam terang) pada suhu
ruang selama 1 hari untuk analisis RRE dan 5
hari untuk analisis titrasi asam organik. Setiap
hari pH larutan hara diukur dan dipertahankan
pada pH 4 dengan menggunakan HCl 0.1 N.
Kecambah yang tumbuh digunakan untuk
pengujian Al selanjutnya. Sebelum diberi
cekaman, kecambah diadaptasikan pada
larutan CaCl2 0.5 mM.
Analisis RRE. Sebanyak 10 kecambah
padi umur 1 hari dalam kultur hara diberi
cekaman Al dengan konsentrasi 0, 15, 30, 45
dan 60 ppm selama 24, 48 dan 72 jam.
Kemudian pertambahan panjang akar selama
periode cekaman diukur. Nilai RRE dapat
ditentukan dengan rumus :
pemanjangan akar pada cekaman Al
RRE =
pemanjangan akar tanpa cekaman
x 100%
Pengamatan Morfologi akar. Untuk
mengetahui pengaruh Al terhadap morfologi
akar maka dilakukan pengamatan morfologi
akar secara visual.
Analisis Asam Organik. Analisis asam
organik pada jaringan akar dan larutan hara
dilakukan dengan menggunakan metode
titrasi. Prinsip penggunaan titrasi untuk
3
cekaman dengan akar tanaman pada kondisi
tanpa cekaman.
Hasil analisis RRE pada varietas Krowal
dan IR 64 menunjukan bahwa peningkatan
konsentrasi
Al
dapat
menghambat
pemanjangan akar kedua varietas padi tersebut
(Gambar 1).
RRE ( %)
analisis asam organik berdasarkan pengikatan
senyawa asam organik oleh NaOH yang telah
diketahui konsentrasinya. Sehingga dari
rumus persamaan konsentrasi asam-basa
jumlah asam organik dalam suatu larutan
dapat diketahui.
Konsentrasi asam organik pada larutan
hara diketahui dengan cara 100 kecambah
umur 5 hari pada kultur hara diadaptasikan
selama 12 jam dalam 0.5 mM CaCl2 , pH 4.
Kemudian diberi cekaman Al selama 24 jam.
Sebanyak 20 ml larutan hara yang
mengandung
eksudat
akar
dititrasi
menggunakan NaOH. Nilai asam organik
pada larutan hara dihitung dengan rumus:
35
30
25
20
15
10
5
0
Krowal
IR 64
15
N NaOH x ml titrant
[ asam organik ] =
ml larutan hara
Konsentrasi asam organik dalam jaringan
akar dapat diketahui dengan cara akar dari 100
kecambah padi (umur 5 hari) yang telah
diberi cekaman Al selama 24 jam dipotong
(1.5 cm dari ujung), kemudian ditimbang dan
digerus dengan menggunakan mortar. Hasil
gerusan ditambah air destilata sebanyak 10 ml
dan disentrifuse (Heraeus, Labofuge 400 R)
dengan kecepatan 4200 rpm selama 10 menit,
kemudian supernatannya diambil, sedangkan
residunya ditambah air destilata sebanyak 10
ml dan disentrifuse kembali. Kedua
supernatan (ekstrak akar) yang diperoleh
kemudian dicampur. Sebanyak 20 ml ekstrak
akar dititrasi menggunakan NaOH dan PP.
Nilai asam organik pada jaringan akar
dihitung dengan rumus:
N NaOH x ml titrant
[ asam organik] =
: gr akar
ml air destilata
HASIL
30
45
Konsentrasi Al (ppm)
Gambar 1 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap nilai
RRE
Cekaman Al 15 ppm selama 24 jam,
menyebabkan nilai RRE pada varietas Krowal
dan IR 64 berturut-turut sebesar 26.83% dan
21.57%. Nilai RRE terus menurun seiring
dengan peningkatan konsentrasi Al yang
diberikan. Bahkan pada tingkat cekaman Al
60 ppm, nilai RRE dari varietas Krowal dan
IR 64 berturut-turut 8.5% d an 7.1%.
Selain pengaruh peningkatan konsentrasi
Al, periode cekaman Al juga memberikan
pengaruh yang nyata terhadap nilai RRE pada
akar tanaman padi. Gambar 2 menunjukan
bahwa nilai RRE varietas Krowal dan IR 64
pada cekaman Al 15 ppm selama 48 jam
berturut-turut 2 dan 3 kali lebih rendah
dibandingkan nilai RRE kedua varietas yang
dicekam Al selama 24 jam. Bahkan pada
periode cekaman Al 72 jam nilai RRE varietas
Krowal dan IR 64 berturut-turut 10 dan 20
kali lebih rendah dibandingkan nilai RRE
kedua varietas pada periode cekaman 24 jam.
Analisis RRE
Nilai penghambatan pemanjangan akar
tanaman akibat cekaman Al dapat diketahui
mela lui
analisis
RRE,
dengan
cara
membandingkan pemanjangan akar selama
RRE (%)
40
Secara alamiah tanaman memberikan
respon fisiologi terhadap cekaman Al. Respon
fisiologi yang telah dipelajari pada penelitian
ini berupa penghambatan pemanjangan akar
padi yang dapat diketahui melalui analisis
RRE dan sekresi asam organik oleh akar padi
melalui analisis titrasi asam organik.
60
Krowal
IR 64
30
20
10
0
24
48
72
Periode Cekaman (jam)
Gambar 2 Pengaruh periode cekaman Al
konsentrasi 15 ppm terhadap nilai
RRE
Penurunan nilai RRE seiring meningkatnya
periode cekaman Al juga terjadi pada
konsentrasi Al 30, 45 dan 60 ppm (Tabel 1).
4
15
30
IR 64
45
60
Tabel 1 Pengaruh periode cekaman Al
terhadap
nilai
RRE
pada
konsentrasi Al 30, 45 dan 60 ppm
Disamping mengakibatkan penghambatan
pemanjangan akar, cekaman Al juga dapat
mengakibatkan terjadinya penebalan akar dan
terhambatnya pertumbuhan akar samping.
IR 64
Akar
samping
Akar
Seminal
0
15
30
45
60
(ppm Al)
Krowal
Akar
samping
Akar
Seminal
100
Krowal
(x 10-4 M)
60
Sekresi Asam Organik
Aluminium dalam larutan hara dapat
mempengaruhi tingkat sekresi asam organik
suatu tanaman. Peningkatan sekresi asam
organik terjadi pada varietas Krowal dan IR
64 yang dicekam Al (Gambar 4). Sampai
tingkat cekaman 60 ppm, semakin tinggi
cekaman Al pada larutan hara, semakin tinggi
pula sekresi asam organik oleh akar kedua
varietas padi yang dipelajari.
80
IR 64
60
40
20
0
0
15
30
45
60
Konsentrasi Al (ppm)
Gambar 4 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap sekresi
asam organik
Berbeda dengan sekresi asam organik oleh
akar ke larutan hara, peningkatan konsentrasi
Al tidak memberikan pengaruh yang nyata
terhadap akumulasi asam organik dalam
jaringan akar kedua varietas padi (Gambar 5).
Konsentrasi
asam
organik
yang
diakumulasikan oleh akar padi yang
mengalami cekaman Al tidak berbeda nyata
dengan akar yang tidak mendapat cekaman
Al. Pola ini terjadi baik pada varietas Krowal
maupun IR 64.
(x 10 M/gr)
45
Sekresi As. Organik
30
Krowal
Gambar 3 menunjukan bahwa akar seminal
dan akar samping pada tanaman yang tidak
mendapat cekaman Al tampak tumbuh dengan
baik. Sebaliknya pada cekaman Al 15, 30, 45
dan 60 ppm, akar seminal terlihat pendek,
tebal dan pada tingkat cekaman Al tersebut
juga tidak ada akar samping yang tumbuh.
-4
15
Periode Cekaman (jam) RRE (%)
24
26.83
48
10.1
72
2.52
24
11.4
48
6.4
72
0.6
24
9.7
48
3.5
72
0
24
8.5
48
2.2
72
0
24
21.57
48
4.27
72
0.93
24
11.1
48
2.5
72
0
24
9.3
48
1.4
72
0
24
7.1
48
1.1
72
0
Akumulasi As.
Organik
varietas [ ] Cekaman Al (ppm)
70
60
50
40
30
20
10
0
Krowal
IR 64
0
15
30
45
60
Konsentrasi Al (ppm)
Gambar 3 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap
morfologi akar
Gambar 5 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap
akumulasi asam organik pada
jaringan akar
5
Krowal
100
IR 64
80
(x10-4 M)
Sekresi As. Organik
Respon tanaman terhadap cekaman Al
dalam bentuk sekresi asam organik terjadi
sangat cepat. Pada Gambar 6 terlihat bahwa
cekaman Al 60 ppm selama 6 jam mampu
menstimulasi varietas Krowal dan IR 64
mensekresikan asam organik 12 kali lebih
banyak dibandingkan jumlah asam organik
yang disekresikan oleh kedua varietas yang
tidak mendapat cekaman Al. Akan tetapi
peningkatan sekresi asam organik tidak nyata
terlihat antar periode cekaman Al 12, 24 dan
48 jam. Pola peningkatan sekresi asam
organik seperti ini terjadi pada kedua varietas
yang dipelajari.
60
40
20
0
0
6
12
24
48
Periode Cekaman (jam)
Gambar 6 Pengaruh periode cekaman Al
konsentrasi 60 ppm terhadap
sekresi asam organik pada
larutan hara
PEMBAHASAN
Peningkatan konsentrasi Al memberikan
pengaruh yang nyata terhadap penghambatan
pemanjangan akar padi varietas Krowal dan
IR 64. Kemamp uan akar untuk terus tumbuh
memanjang pada kondisi cekaman Al dapat
diketahui melalui analisis RRE (Relative Root
Elongation). Berdasarkan hasil analisis RRE
pada varietas Krowal dan IR 64 (Gambar 1),
cekaman Al 15 ppm telah menyebabkan
pemanjangan akar menjadi sangat terhambat.
Kemampuan akar untuk terus memanjang
semakin menurun pada cekaman Al 30, 45
dan 60 ppm.
Periode cekaman Al juga memberikan
pengaruh yang nyata terhadap penghambatan
pemanjangan akar. Sema kin lama periode
cekaman Al terhadap tanaman, maka
pemanjangan akar pun semakin terhambat.
Bahkan pada periode cekaman Al 15 ppm
selama 72 jam, dapat mengakibatkan nilai
RRE pada varietas Krowal dan IR 64 berturutturut hanya 2.5% dan 0.93%. Hal ini mungkin
terjadi karena kedua varietas sudah sangat
tercekam, sehingga kemampuan akar kedua
varietas tersebut untuk terus tumbuh sudah
sangat terganggu.
Selain menghambat pemanjangan akar,
cekaman Al juga dapat mengakibatkan
penebalan
akar
dan
terhambatnya
pertumbuhan akar samping. Menurut Sanchez
(1976), keracunan Al dapat mengakibatkan
kerusakan langsung pada sistem perakaran
tanaman yakni akar menebal, memendek,
kaku serta memperlihatkan bagian-bagian
yang mati.
Delhaize
dan
Ryan
(1995) juga
berpendapat bahwa Al dapat menyebabkan
kerusakan pada akar saat Al tersebut masih
berada di dinding sel tanpa harus masuk ke
dalam sel. Al yang diserap akar dapat
menggantikan Ca pada ikatan Ca -pektat di
dinding sel sehingga dinding sel tidak dapat
memperbesar volumenya dan mengakibatkan
terhentinya pemanjangan sel-sel akar (Blamey
et al 1993). Penghamb atan pemanjangan akar
akibat cekaman Al tidak hanya terjadi pada
tanaman padi saja akan tetapi terjadi juga pada
beberapa tanaman lain seperti pada gandum
(Delhaize et al 1995), rye (Li et al 2000) dan
jagung (Pellet et al 1995).
Selain respon perakaran, tumbuhan juga
merespon cekaman Al berupa proses
metabolisme dalam jaringan seperti sekresi
asam organik ke rhizosfer dan akumulasi
asam organik pada jaringan akar.
Sekresi asam organik seperti malat, sitrat
dan oksalat merupakan salah satu bentuk
respon tanaman terhadap Al, baik itu pada
tanaman monokotil maupun dikotil (Kochian
et al 2004). Respon terhadap Al berupa
sekresi asam organik ditunjukan oleh kedua
varietas padi yang dipelajari, yaitu berupa
peningkatan sekresi asam organik seiiring
peningkatan konsentrasi Al yang diberikan ke
larutan hara (Gambar 4). Respon tanaman
terhadap cekaman Al berupa sekresi asam
organik juga telah dilaporkan oleh berbagai
pihak, diantaranya oleh Miyasaka et al (1991)
pada tanaman kacang panjang (Phaseolus
vulgaris), Ma et al (1998) pada tanaman
Cassia tora dan buckwheat, serta Ryan et al
(1993) pada tanaman gandum.
Delhaize dan Ryan (1995) mengungkapkan
bahwa Al mampu menginduksi pembukaan
channel anion asam organik pada membran
plasma melalui aktivasi transporter anion
asam organik sehingga anion asam organik
dilepaskan
dari
sitoplasma
(pH
7).
Selanjutnya, Delhaize dan Ryan (1995) juga
mengungkapkan
bahwa
mekanisme
pembukaan channel memb ran plasma oleh Al
kemungkinan melalui 3 cara yaitu: 1) Al3+
6
dari luar sel berinteraksi dengan channel
anion asam organik secara langsung sehingga
terjadi
pembukaan
channel 2)
Al3+
berinteraksi dengan reseptor spesifik pada
membran plasma kemudian melalui signal
transduksi terjadi pembukaan channel 3) Al3+
masuk ke dalam sel, kemudian melalui signal
transduksi yang melibatkan sitoplasma dan
komponen membran sel mengakibatkan
pembukaan channel.
Menurut Ma (2000) sekresi asam organik
ke luar akar dikenal dengan mekanisme
ketenggangan eksternal. Mekanisme ini terjadi
melalui pembentukan komplek Al3+ dengan
gugus karboksil asam organik yang
disekresikan oleh akar, sehingga Al dalam
bentuk komplek tersebut tidak dapat melewati
membran sel.
Hal yang menarik dari data yang
ditunjukan oleh Gambar 4 dan 5 adalah bahwa
asam organik yang disekresikan kedua
varietas padi ke larutan hara tidak
mempengaruhi konsentrasi asam organik pada
jaringan akar. Dengan kata lain kedua varietas
tersebut mampu mempertahankan kondisi
internalnya sekalipun jumlah asam organik
yang disekresikan ke luar akar cukup besar.
Sebagai contoh varietas Krowal yang
mengalami cekaman Al 60 ppm, mampu
mensekresikan asam organik pada konsentrasi
yang hampir sama dengan konsentrasi asam
organik yang ada di dalam jaringan akar,
bahkan padi varietas IR 64 mampu
mensekresikan
asam
organik
dalam
konsentrasi yang lebih besar dibandingkan
dengan konsentrasi asam organik yang
diakumulasi pada jaringan akar. Stabilitas
kandungan asam organik internal dalam
jaringan akar mungkin sangat dibutuhkan
untuk menjaga proses metabolisme dalam
tubuh tanaman tersebut. Kemampuan yang di
miliki kedua varietas tanaman dapat
memungkinkan jika dikembangkan padi
transgenik
melalui
overekspresi
gen
pembukaan channel asam organik sehingga
diperoleh padi dengan kemampuan sekresi
asam organik tinggi tanpa mempengaruhi
kondisi internal jaringan akar.
Jenis asam organik yang disekresikan
setiap spesies tanaman sebagai bentuk respon
terhadap Al berbeda-beda contohnya asam
oksalat pada Buckwheat (Ma et al 1998) dan
asam sitrat pada jagung (Zea mays L.) (Pellet
et al 1995). Selain itu, beberapa spesies
tanaman juga mampu mensekresikan lebih
dari satu jenis asam organik sebagai
mekanisme tenggang Al, seperti asam malat,
sitrat dan suksinat pada gandum (Triticum
aestivum L.) (Delhaize et al 1993), serta malat
dan sitrat pada Triticale (Ma 2000). Pada
varietas Krowal dan IR 64 belum diketahui
jenis asam organik apa saja yang disekresikan,
untuk mengetahuinya maka perlu dilakukan
penelitian lanjutan. Menurut Hue et al (1986)
Kemampuan setiap jenis asam organik dalam
mengurangi toksisitas Al berbeda-beda yakni
1) asam-asam organik yang
mempunyai
pengaruh kuat dalam mengurangi daya toksik
Al seperti asam sitrat dan oksalat, 2) asamasam organik dengan kemampuan sedang
dalam mengurangi daya toksik Al seperti
asam malat dan salisilat, 3) asam-asam
organik dengan kemampuan lemah dalam
mengurangi daya toksik Al seperti asam asetat
dan laktat. Kemampuan detoksifikasi Al pada
asam organik tersebut berkaitan dengan
komponen rantai karbon dari gugus OH dan
COOH. Semakin banyak gugus tersebut
dalam komponen asam organik maka
kemampuan asam organik dalam mengkelat
Al akan semakin baik.
Selain secara eksternal mekanisme
tenggang Al juga dapat terjadi secara internal
yakni pengkelatan Al oleh asam organik
dalam sitoplasma, sehingga Al3+ yang telah
berhasil masuk ke dalam sel diikat oleh
komponen asam organik dan efek meracun
dari Al dapat berkurang (Taylor 1981).
Kochian (1995) juga mengungkapkan bahwa
Al yang berhasil masuk ke dalam akar akan
dikelat dan diakumulasi pada vakuola.
Kandungan asam organik yang tinggi pada
akar dari kedua varietas terutama pada
varietas Krowal, bukan pengaruh dari
cekaman Al akan tetapi merupakan kondisi
internal dalam ja ringan akar tanaman itu
sendiri.
Respon tanaman terhadap cekaman Al
dapat terjadi secara eksternal ataupun
eksternal-internal. Menurut Delhaize et al
(1993) tanaman gandum memberikan respon
terhadap Al hanya secara eksternal berupa
sekresi asam malat ke rhizosfer. Sedangkan
menurut Kasim (2000) tanaman kedelai
(Glycine max) mampu memberikan respon
terhadap cekaman Al secara internal melalui
akumulasi asam malat pada jaringan akar dan
juga secara eksternal melalui sekresi asam
sitrat ke rhizosfer. Berdasarkan hasil analisis
asam organik pada larutan hara dan jaringan
akar, mekanisme eksternal pada tanaman padi
lebih dominan sebagai bentuk respon Al.
Respon tanaman terhadap cekaman Al
terjadi sangat cepat. Pada penelitian ini,
varietas Krowal dan IR 64 yang dicekam Al
60 ppm selama 6 jam mampu mensekresikan
7
asam organik berturut-turut sebesar 65 x 10-4
M dan 63 x 10-4 M dan nilai ini tidak
mengalami peningkatan yang nyata setelah
periode cekaman Al ditambah menjadi 12, 24
dan 48 jam. Penelitian yang telah yang
dilakukan oleh Delhaize et al (1993)
menunjukan
bahwa
tanaman
gandum
tenggang Al yang dicekam Al 50 µM selama 6
jam mampu mensekresikan asam malat
sebesar 0.11 µmol dan nilai ini tidak
mengalami peningkatan yang nyata setelah
tanaman mengalami cekaman Al selama 24
jam. Nilai sekresi asam organik yang tidak
berbeda antar varietas Krowal dan IR 64
menunjukan bahwa kedua varietas memiliki
kemampuan yang sama dalam mensekresikan
asam organik sebagai bentuk respon fisiologis
terhadap Al.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Aluminium memiliki pengaruh yang sangat
besar terhadap penghambatan pemanjangan
akar tanaman padi.
Semakin
tinggi
konsentrasi cekaman dan semakin lama
periode cekaman yang diberikan maka
semakin
tinggi
tingkat
penghambatan
pemanjangan akar tanaman padi. Peningkatan
konsentrasi Al berbanding lurus dengan
peningkatan sekresi asam organik ke larutan
hara akan tetapi peningkatan konsentrasi Al
tersebut tidak mempengaruhi akumulasi asam
organik pada jaringan akar. Pada kondisi
cekaman Al 60 ppm, varietas Krowal
cenderung mensekresikan asam organik lebih
tinggi dibandingkan varietas IR 64. Periode
cekaman Al 60 ppm selama 6 jam mampu
membuat varietas Krowal dan IR 64
mensekresikan asam organik dalam jumlah
yang cukup besar.
Saran
Perlu dilakukan penelitian lanjutan untuk
mengetahui jenis asam organik yang
disekresikan oleh tanaman padi varietas
Krowal dan IR 64. Perlu digunakan padi
toleran Al untuk melihat respon utama
tenggang Al pada tanaman padi.
DAFTAR PUSTAKA
Blamey FPC, CJ Asher, GL Kerven, and NG
Edwards.
1993.
Factors
affecting
alumunium absorption by calcium pectate.
Plant and Soil. 149: 87-94
Delhaize E, Ryan PR and Randal PJ. 1993.
Alumunium resistance in wheat (Triticum
aestivum L.): II. Alumunium-stimulated
excretion of malic acid from root apices.
Plant Physiol. 103: 695-702.
Delhaize E and Ryan RR. 1995. Alumunium
toxicity and tolerance in plant. Plant
Physiol. 107: 315-321.
Foy CD. 1983. The physiology of plant
adaption to mineral stress. Iowa State J Res
57: 355-392.
Grist DH. 1953. Rice. London : Longmans,
Green co Ltd.
Hue NV, Cradock GR, adams F. 1986. Effect
of organic acids on aluminum toxicity in
subsoil. Soil Science Society of America
Journal. 50: 28-34
Kamprath E. 1980. Soil Acidity Well-Drained
Soil of the Tropics as a Constraint to Food
Production in the Tropics. Los Banos :
IRRI
Kochian LV. 1995. Cellular mechanism of
alumunium toxicity and resistance in
plants. Annu Rev. Plant Physiol. Plant
Mol.Biol. 46: 237-260.
Kochian LV, Hoekenga OA and Pineros MA.
2004. How do plants tolerate acid soils ?
Mechanism of alumunium tolerance and
phosporous efficiency. Annu Rev. Plant
Physiol. 55: 459-493.
Kasim N. 2000. Eksudasi dan akumulasi asam
organik pada beberapa kedelai (Glycine
max) genotipe toleran aluminium. [Tesis].
Program Pascasarjana IPB. Bogor.
Li et al. 2000. Pattern of aluminum-induced
secretion of organic acids differs between
Rye and Wheat. Ameriaca Society Of Plant
physiol. Pp123:1537-1543.
Ma JF, Zheng SJ, Matsumoto H. 1998. High
alumunium resistance in Buckwheat : I. Alinduced specific secretion of oxalic acid
from root tips. Plant l Physiol. 117: 745751.
Ma JF. 2000. Role of organic acids in
detoxification of alumunium in higher
plants. Plant Cell Physiol. 41: 383-390.
Matsumoto H. 1991. Biochemical mechanism
of the toxicity of alumunium and the
sequestration of alumunium in plant cells.
In R. J Wright et al. (eds) Plant-Soil
Interactions at Low pH. Netherlands:
Kluwer Academic Publishers. Pp 825-836.
8
Marscner H. 1995. Mineral Nutrition in
Higher Plants. Academic Press Inc.
London. 889p.
Miyasaka SC, Buta JG, Howell RK and Foy
CD. 1991. Mechanism of alumunium
tolerance in snapbeans : root exudation of
citric acid. Plant Physiol. 96: 737-743
Pellet DM, Grunes DL, Kochian LV. 1995.
Organic acid exudation as a mechanisms of
Al-resistance in Zea mays. Planta 197:
788-795.
Pusat Penelitian Tanah dan Agroklimat. 1997.
Peta Tanah Indonesia. Lembaga Penelitian
Tanah dan Agroklimat, Badan Penelitian
dan Pengembangan Pertanian. Departemen
Pertanian.
Sanchez. 1976. Properties and Management
of Soil in the Tropics. New York: John
Willey and Sons. 618 p.
Taylor GJ. 1981. Current views of
the
alumunium
stress
response:
The
physiologycal basis of tolerance. Curr top
Plant Biochem Physiol 10: 57-93.
Yoshida S, Forno DA, Cock JH. 1976.
Laboratory Manual For Physiological
Studies of Rice (3rdEd). Los Banos: IRRI.
hlm 61-66.
.
SEKRESI ASAM ORGANIK PADA TANAMAN PADI YANG
MENDAPAT CEKAMAN ALUMINIUM
Oleh :
INA FAJARWATI
G 34102047
DEPARTEMEN BIOLOGI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
A BSTR A K
IN A FA JA R W A TI. Sekresi A sam O rganik pada Tanam an Padi yang M endapat Cekam an
A lum inium .D ibim bing oleh M iftahudindan H am im .
K ebutuhan beras sebagai m akanan pokok penduduk Indonesia sem akin m eningkat.
Program ekstensifikasipadipada lahan-lahan m arginalsepertitanah asam diluar Jaw a m erupakan
pilihan yang dapat diam bil untuk m endukung produksi beras nasional. A kan tetapi pada tanah
asam , kelarutan aluminium (A l) yang tinggi sering m enjadi kendala produksi.O leh karena itu
perlu dikem bangkan varietas padi tenggang A l yang m em iliki kriteria diantaranya kem am puan
m em pertahankan kondisiperakaran untuk tetap tum buh dan m am pu m ensekresikan asam organik
pengkelat A l. Penelitian inibertujuan m em pelajaripengaruh A l terhadap pem anjangan akar dan
pola sekresi asam organik pada tanam an padidengan pendekatan analisis RRE (Relative Root
Elongation)dan titrasiasam organik.
Berdasarkan hasil analisis RRE, tanam an padi varietas Krow al dan IR 64 m enunjukan
pengham batan akar yang cukup tinggi setelah m endapat cekam an A l 15 ppm dan nilai
pengham batan akar initerus m eningkatseiring dengan peningkatan konsentrasidan lam a periode
cekam an A l.Berdasarkan analisis titrasi pada m edia tum buh tanam an,peningkatan sekresiasam
organik dari akar ke m edia tum buh terjadipada kedua varietas padiseiring peningkatan cekam an
A l. Sedangkan pada jaringan akar tanam an, pola akum u lasi asam organik tam pak tidak
dipengaruhi oleh peningkatan konsentrasi A l. H al ini m enunjukan bahw a tanam an padi
m enggunakan m ekanism e sekresi asam organik (mekanism e eksternal) sebagai bentuk respon
fisiologisterhadap A l.Sekresiasam organik kedua varietas padisetelah 6 jam cekam an A l,13 kali
lebih banyak dibandingkan sekresiasam organik pada tanam an yang tidak m endapatcekam an.
A BSTR A C T
IN A FA JA R W A TI. O rganic A cid Secretion on A l-Stressed Rice. U nder supervision of
M iftahudin and H am im.
The need of rice as a staple food in Indonesia increased from day to day. The rice
extensification program m e on m arginal land such as acid soils outside Java could be one of the
alternative solutionsto increase nationalrice production.H ow ever,the high solubility ofA lin acid
soilcould be a constraintof rice production.Therefore,itis neccesary to develop A ltolerantrice
variety such as a variety that have the ability to m aintain a favorable rhizosphere condition
prom ote rootgrow th as w ellas a variety thathave ability to secrete organic acid.The objective of
this research is to study the influence of A l stress to root elongation and organic acid secretion
pattern in rice.
The Relative RootElongation (RRE)analysis show ed that the exposure of rice root to 15
ppm A l in nutrient solution highly inhibited root elongation in both K row al and IR 64 rice
varieties.This inhibition increased as the increase of A l concentration and tim e exposure.O rganic
acid analysis in nutrientsolution show ed thatthe increase of A lconcentration stim ulated organic
acid secretion from the root of both rice varieties. H ow ever, the increase of A l concentration in
nutrientsolution did notinfluence the accum ulation oforganic acid in roottissue.In both varieties,
the secretion of organic acid is significantly high after 6 hours exposure to A l. The results
indicated thatorganic acid secretion is one ofthe A lresponse m echanism in rice.
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Padi gogo (Oryza sativa L.) merupakan
tanaman padi lahan kering yang telah lama
dikembangkan dan dibudidayakan oleh
masyarakat untuk memenuhi kebutuhan
pangan secara subsistem.
Menurut Grist
(1953)
secara
umu m
keuntungan
pengembangan padi di lahan kering adalah
biaya yang dibutuhkan relatif lebih rendah
karena
sistem
irigasi intensif
tidak
dibutuhkan.
Semakin menyempitnya lahan pertanian di
Pulau Jawa karena telah mengalami alih
fungsi menjadi lahan perumahan dan industri
merupakan kendala bagi pemerintah dalam
budidaya padi. Oleh karena itu pemerintah
mengalihkan budidaya padi gogo ke daerah
luar Jawa yang sebagian besar lahannya
merupakan lahan asam dengan kelarutan Al
sangat tinggi. Berdasarkan data Pusat
Penelitian Tanah dan Agroklimat (1997),
lahan dengan potensi keracunan Al tinggi
yang tersebar di seluruh wilayah Indonesia
yakni seluas 42.6 juta hektar (Ha), yang terdiri
dari 14.8 juta Ha di Sumatera, 1.7 juta Ha di
Jawa dan Madura, 0.45 juta Ha di Nusa
Tenggara dan Maluku, 17.7 juta Ha di
Kalimantan, 1.3 juta Ha di Sulawesi, serta 6.6
juta Ha di Irian Jaya.
Aluminium pada larutan dengan pH netral
berada dalam bentuk kompleks hidroksida
yang tidak larut dan tidak toksik terhadap
tanaman. Akan tetapi pada larutan dengan pH
< 5, ion Al berada dalam bentuk oktahedral
heksahidrat atau sering disingkat Al3+
(Marschner 1995). Apabila Al3+ terlarut dalam
jumlah besar, maka dapat mengakibatkan
efisiensi penyerapan air dan unsur hara
menjadi berkurang (Foy 1983), pembentukan
dan pemanjangan akar menjadi terhambat
bahkan bila kondisi cekaman terus berlanjut
dapat mengakibatkan umur panen lebih lama
dan terjadi klorosis pada tanaman (Matsumoto
1991).
Ada berbagai alternatif untuk mengatasi
permasalahan di atas diantaranya melalui
peningkatan pH tanah dengan pengapuran dan
penggunaan varietas toleran Al. Banyak
kendala yang harus dihadapi melalui
pendekatan pengapuran, diantaranya biaya
yang harus dikeluarkan lebih besar,
ketersediaan pupuk dan kapur terbatas , dapat
menyebabkan hara mineral mikro menjadi
tidak
tersedia
dan
hanya
mampu
meningkatkan pH pada kedalaman tanah yang
terbatas (Kamprath 1980). Sebaliknya,
penggunaan varietas tenggang Al dianggap
lebih efisien dan efektif karena tanaman
secara alamiah memiliki ketenggangan
terhadap Al.
Tanaman dikatakan tenggang Al jika
memiliki kemampuan menekan efek meracun
dari ion Al. Menurut Sanchez (1976) beberapa
kriteria tanaman tenggang Al diantaranya 1)
kesanggupan akar untuk terus tumbuh dan
ujung akar tidak rusak 2) tanaman sanggup
mengubah kondisi di sekitar perakaran dari
asam menjadi kurang asam 3) ion Al hanya
sedikit ditranslokasikan ke bagian atas
tanaman, karena sebagian bes ar ditahan diakar
4) serapan serta translokasi unsur Ca, Mg, P
dan K tidak terganggu.
Kochian (1995) mengemukakan bahwa
mekanisme tenggang Al pada tanaman dapat
dikelompokan menjadi dua yakni 1)
mekanisme eksternal melalui sekresi ligan
pengkelat Al, induksi senyawa barrier pH
pada tanaman di daerah rhizosfer, imobilisasi
Al pada dinding sel, dan peningkatan selektif
permeabel pada membran plasma 2)
mekanisme internal melalui pengkelatan dan
kompartemensasi Al di dalam vakuola.
Detoksifikasi Al pada rhizosfer melalui
sekresi asam organik pengkelat Al telah
banyak dilaporkan, diantaranya asam malat
pada gandum (Triticum aestivum L.)
(Delhaize et al 1993), asam sitrat pada jagung
(Zea mays L.) (Pellet et al 1995) dan asam
oksalat pada Buckwheat (Ma et al 1998)
sebagai bentuk respon Al.
Sejauh ini informasi mengenai respon
fisiologi tanaman padi terhadap cekaman Al
khususnya sekresi asam organik belum
banyak diketahui. Oleh kerena itu perlu
dilakukan studi tentang pola sekresi asam
organik pada padi yang mendapat cekaman
Al.
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk
mempelajari pola sekresi asam organik pada
padi yang mendapat cekaman Aluminium.
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan
Februari 2006 hingga April 2007 di
Laboratorium Fisiologi Tumbuhan dan
Laboratorium Biologi Terpadu Departemen
Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, IPB, Bogor.
Bahan
Bahan tanaman yang digunakan dalam
penelitian ini adalah padi gogo varietas
Krowal dan padi varietas IR 64.
Komposisi hara untuk kultur hara terdiri
dari unsur hara makro yakni: 40 ppm N dalam
NH4 NO3 , 10 ppm P dalam NaH2 PO4 , 40 ppm
K dalam K2 SO4 , 40 ppm Ca dalam CaCl2 , 40
ppm Mg dalam MgSO4 . 7H2 O dan unsur-unsur
hara mikro yakni 0.5 ppm Mn dalam MnCl2 .
H2 O, 0.05 ppm Mo dalam (NH4 )6 Mo 7 O24 .
H2 O, 0.2 ppm B dalam H3 BO3 , 0.01 ppm Zn
dalam ZnSO4 . 7H2 O, 0.01 ppm Cu dalam
CuSO4 . 5H2 O dan 2.0 ppm Fe dalam FeEDTA
(Yoshida et al 1976). Untuk media adaptasi
digunakan larutan CaCl2 ) 0.5 mM. Sedangkan
untuk media cekaman digunakan larutan
CaCl2 0.5 mM ditambah AlCl3 . 6H2 O.
Phenolpthalin (PP) 1% digunakan sebagai
indikator asam dan NaOH 0.01 N sebagai
titrant pada titrasi asam organik.
Metode
Rancangan percobaan. Percobaan ini
merupakan percobaan faktorial yang disusun
berdasarkan Rancangan Acak Kelompok.
Untuk uji RRE (Relative Root Elongation),
faktor pertama berupa konsentrasi Al yang
terdiri dari 5 taraf (0, 15, 30 45 dan 60 ppm)
atau periode cekaman Al yang terdiri dari 4
taraf (0, 24, 48, dan 72 jam) sedangkan faktor
kedua berupa varietas yang terdiri dari 2 taraf
(Krowal dan IR 64). Untuk uji asam organik,
faktor pertama berupa konsentrasi Al yang
terdiri dari 5 taraf (0, 15, 30 45 dan 60 ppm)
atau periode cekaman Al yang terdiri dari 5
taraf (0, 6, 12, 24, dan 48 jam) sedangkan
faktor kedua berupa varietas yang terdiri dari
2 taraf (Krowal dan IR 64). Setiap percobaan
dilakukan dengan tiga kali ulangan. Model
linear rancangan percobaan adalah sebagai
berikut :
Yijk = µ + αi + βj + (αβ)ij + ?k + eijk
Yijk
: Nilai pengamatan pada konsentrasi Al
atau periode cekaman Al taraf ke -i,
varietas taraf ke -j dan ulangan ke-k
µ
: Rataan umum
αi
: Pengaruh konsentrasi Al atau periode
cekaman taraf ke -i
βj
: Pengaruh varietas taraf ke-j
(αβ)ij : Pengaruh interaksi konsentrasi Al
atau periode cekaman taraf ke-i dan
varietas taraf ke -j
?k
: Kelompok ke -k
eijk
: Pengaruh acak konsentrasi Al atau
periode cekaman Al taraf ke -i,
varietas taraf ke -j dan ulangan ke-k
Kultur hara. 200 benih padi tiap-tiap
varietas disterilisasi menggunakan sodium
hipoklorit 0.5 % selama lima belas menit dan
dibilas dengan air destilata sebanyak 3 kali.
Kemudian benih direndam dalam air destilata
selama 24 jam dan dikecambahkan pada
kertas buram yang telah dibasahi air destilata,
kemudian disimpan dalam ruang gelap selama
48 jam. Kecambah yang panjang akarnya
seragam ditanam di atas screen
yang
mengapung pada larutan hara (pH 4).
Kemudian ditumbuhkan pada growth chamber
(12 jam gelap dan 12 jam terang) pada suhu
ruang selama 1 hari untuk analisis RRE dan 5
hari untuk analisis titrasi asam organik. Setiap
hari pH larutan hara diukur dan dipertahankan
pada pH 4 dengan menggunakan HCl 0.1 N.
Kecambah yang tumbuh digunakan untuk
pengujian Al selanjutnya. Sebelum diberi
cekaman, kecambah diadaptasikan pada
larutan CaCl2 0.5 mM.
Analisis RRE. Sebanyak 10 kecambah
padi umur 1 hari dalam kultur hara diberi
cekaman Al dengan konsentrasi 0, 15, 30, 45
dan 60 ppm selama 24, 48 dan 72 jam.
Kemudian pertambahan panjang akar selama
periode cekaman diukur. Nilai RRE dapat
ditentukan dengan rumus :
pemanjangan akar pada cekaman Al
RRE =
pemanjangan akar tanpa cekaman
x 100%
Pengamatan Morfologi akar. Untuk
mengetahui pengaruh Al terhadap morfologi
akar maka dilakukan pengamatan morfologi
akar secara visual.
Analisis Asam Organik. Analisis asam
organik pada jaringan akar dan larutan hara
dilakukan dengan menggunakan metode
titrasi. Prinsip penggunaan titrasi untuk
3
cekaman dengan akar tanaman pada kondisi
tanpa cekaman.
Hasil analisis RRE pada varietas Krowal
dan IR 64 menunjukan bahwa peningkatan
konsentrasi
Al
dapat
menghambat
pemanjangan akar kedua varietas padi tersebut
(Gambar 1).
RRE ( %)
analisis asam organik berdasarkan pengikatan
senyawa asam organik oleh NaOH yang telah
diketahui konsentrasinya. Sehingga dari
rumus persamaan konsentrasi asam-basa
jumlah asam organik dalam suatu larutan
dapat diketahui.
Konsentrasi asam organik pada larutan
hara diketahui dengan cara 100 kecambah
umur 5 hari pada kultur hara diadaptasikan
selama 12 jam dalam 0.5 mM CaCl2 , pH 4.
Kemudian diberi cekaman Al selama 24 jam.
Sebanyak 20 ml larutan hara yang
mengandung
eksudat
akar
dititrasi
menggunakan NaOH. Nilai asam organik
pada larutan hara dihitung dengan rumus:
35
30
25
20
15
10
5
0
Krowal
IR 64
15
N NaOH x ml titrant
[ asam organik ] =
ml larutan hara
Konsentrasi asam organik dalam jaringan
akar dapat diketahui dengan cara akar dari 100
kecambah padi (umur 5 hari) yang telah
diberi cekaman Al selama 24 jam dipotong
(1.5 cm dari ujung), kemudian ditimbang dan
digerus dengan menggunakan mortar. Hasil
gerusan ditambah air destilata sebanyak 10 ml
dan disentrifuse (Heraeus, Labofuge 400 R)
dengan kecepatan 4200 rpm selama 10 menit,
kemudian supernatannya diambil, sedangkan
residunya ditambah air destilata sebanyak 10
ml dan disentrifuse kembali. Kedua
supernatan (ekstrak akar) yang diperoleh
kemudian dicampur. Sebanyak 20 ml ekstrak
akar dititrasi menggunakan NaOH dan PP.
Nilai asam organik pada jaringan akar
dihitung dengan rumus:
N NaOH x ml titrant
[ asam organik] =
: gr akar
ml air destilata
HASIL
30
45
Konsentrasi Al (ppm)
Gambar 1 Pengaruh peningkatan konsentrasi
Al selama 24 jam terhadap nilai
RRE
Cekaman Al 15 ppm selama 24 jam,
menyebabkan nilai RRE pada varietas Krowal
dan IR 64 berturut-turut sebesar 26.83% dan
21.57%. Nilai RRE terus menurun seiring
dengan peningkatan konsentrasi Al yang
diberikan. Bahkan pada tingkat cekaman Al
60 ppm, nilai RRE dari varietas Krowal dan
IR 64 berturut-turut 8.5% d an 7.1%.
Selain pengaruh peningkatan konsentrasi
Al, periode cekaman Al juga memberikan
pengaruh yang nyata terhadap nilai RRE pada
akar tanaman padi. Gambar 2 menunjukan
bahwa nilai RRE varietas Krowal dan IR 64
pada cekaman Al 15 ppm selama 48 jam
berturut-turut 2 dan 3 kali lebih rendah
dibandingkan nilai RRE kedua varietas yang
dicekam Al selama 24 jam. Bahkan pada
periode cekaman Al 72 jam nilai RRE varietas
Krowal dan IR 64 berturut-turut 10 dan 20
kali lebih rendah dibandingkan nilai RRE
kedua varietas pada periode cekaman 24 jam.
Analisis RRE
Nilai penghambatan pemanjangan akar
tanaman akibat cekaman Al dapat diketahui
mela lui
analisis
RRE,
dengan
cara
membandingkan pemanjangan akar selama
RRE (%)
40
Secara alamiah tanaman memberikan
respon fisiologi terhadap cekaman Al. Respon
fisiologi yang telah dipelajari pada penelitian
ini berupa penghambatan pemanjangan akar
padi yang dapat diketahui melalui analisis
RRE dan sekresi asam organik oleh akar padi
melalui analisis titrasi asam organik.
60
Krowal
IR 64
30
20
10
0
24
48
72
Periode Cekaman (jam)
Gambar 2 Pengaruh periode cekaman Al
konsentrasi 15 ppm terhadap nilai
RRE
Penurunan nilai RRE seiring meningkatnya