Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang Mendapat Cekaman Kekeringan dan Perlakuan Herbisida Paraquat
KOMPARASI RESPON FISIOLOGI TANAMAN KEDELAI
YANG MENDAPAT CEKAMAN KEKERINGAN DAN
PERLAKUAN HERBISIDA PARAQUAT
VIOLITA
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007
i
ABSTRAK
VIOLITA. Komparasi respon fisiologi tanaman kedelai yang mendapat cekaman
kekeringan dan perlakuan herbisida paraquat. Dibimbing oleh HAMIM dan
SOEKISMAN TJITROSEMITO.
Telah dilakukan penelitian tentang respon fisiologi tanaman kedelai yang
mendapat cekaman kekeringan dan herbisida paraquat pada 3 kedelai budidaya
(Glycine max L.), kedelai liar (G. Tomentella) dan jagung. Media tanam berupa
campuran tanah dan pasir (1:1, v/v) pada pot seberat 8 kg di rumah kaca.
Perlakuan kekeringan diberikan dengan membiarkan tanaman tanpa air selama 12
hari untuk kedelai budidaya dan jagung, dan 22 hari untuk G. Tomentella,
sementara perlakuan paraquat diberikan dengan penyemprotan pada daun tanaman
dosis 90 g ai/ha. Pengamatan dilakukan pada Kadar Air Media (KAM), Kadar Air
Relatif (KAR), tinggi tajuk, panjang akar, bobot tajuk, bobot akar, laju fotosintesis
(Pn), laju transpirasi (E), malondialdehid (MDA), aktivitas enzim antioksidan,
asam askorbat (ASA) dan kandungan prolin daun.
Perlakuan cekaman kekeringan mengakibatkan penurunan KAM dan KAR
tanaman. Walaupun tidak mempengaruhi tinggi tajuk dan panjang akar, pada
umumnya cekaman kekeringan akan mengakibatkan penurunan bobot kering
tanaman dan produksi biji. Selain itu perlakuan kekeringan mengakibatkan
penurunan Pn dan E, dan peningkatan kandungan MDA pada semua tanaman.
Namun kandungan MDA jagung tidak menunjukkan peningkatan berarti dengan
semakin lamanya kekeringan. Aktivitas enzim antioksidan umumnya meningkat
sampai 10 hari setelah perlakuan (HSP) kekeringan, dan kemudian menurun
ketika KAR daun mengalami penurunan dibawah 50% (12 HSP kekeringan).
Kandungan ASA daun terjadi peningkatan sampai hari ke-10 (Tidar) dan hari ke12 (Panderman dan jagung), namun tidak terjadi peningkatan ASA pada G.
Tomentella dan Burangrang. Adapun kandungan prolin kedelai meningkat tajam
ketika tanaman mengalami stres berat (12 HSP kekeringan). Namun pada jagung
tidak terjadi peningkatan yang berarti sampai hari terakir perlakuan kekeringan.
Pada perlakuan herbisida paraquat, tanaman juga mengalami penurunan
KAR, E, dan Pn, dan peningkatan kandungan MDA serta aktivitas enzim
antioksidan. Berbeda halnya dengan cekaman kekeringan, perlakuan PQ tidak
menyebabkan peningkatan kandungan ASA daun yang berarti pada semua
tanaman. Begitu juga dengan kandungan prolin, perlakuan PQ tidak
mengakibatkan kenaikan kandungan prolin daun. Hal ini mengindikasikan bahwa
prolin mungkin merupakan senyawa yang spesifik terhadap stres kekeringan dan
bukan senyawa yang spesifik untuk stres oksidatif.
ii
ABSTRACT
VIOLITA. Comparison of physiological response of soybean to drought and
paraquat application. Under the direction of HAMIM and SOEKISMAN
TJITROSEMITO.
Physiological responses of plant to drought and paraquat herbicide (PQ)
application were observed on 3 cultivated soybeans (Glycine max L.), wild
soybean (G. tomentella) and maize. Plants were grown in 8 kg pot containing soil
and sand (1:1, v/v) in the greenhouse. Drought stress was provided by
withholding water for 12 days for cultivated soybean and maize, and 22 days for
G. tomentella, while PQ was applied by once spray using 90 g ai/ha. Observation
was carried out by measuring media water content (MWC), plant growth, dry
weight, relative water content (RWC), photosynthesis (Pn), transpiration (E),
malondyaldehid (MDA) antioxidant enzymes activity, ascorbic acid (ASA) and
prolin content.
Drought stress caused decrease of MWC and RWC, but generally did not
influence plant growth. Meanwhile drought stress caused decrease of plant dry
weight and seed production. Reduction of RWC due to drought caused decrease of
Pn, E, and increase of MDA content of all the plants. However, MDA content of
maize did not significantly increase due to drought. Antioxidant enzyme activities
generally increased in response to drought until 10 days of the treatment, and
then decreased when leaf RWC dropped below 50% (12 days after drought
stressed). ASA as an antioksidant, generally increase until 10 days after drought
treatment (Tidar) and 12 days after drought treatment (Panderman and maize),
but it was not significantly different to Burangrang and G. tomentella. In soybean
prolin content increased dramatically when the drought was getting severe. On
the other hand, it was not increased significantly on maize.
In accordance to drought stressed, PQ treatment also caused decrease of
leaf RWC, E, and Pn, while it coused increase of MDA content and antioxidant
enzyme activities. There was no effect of PQ on ASA content for all the plant.
Paraquat did not also affect prolin content which is indication that prolin might
be a specific substance to drought stressed, not to oxidative stress.
iii
©Hak cipta milik IPB tahun 2007
Hak cipta dilindungi undag-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber.
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu
masalah.
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
iv
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa tesis yang berjudul
Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang Mendapat Cekaman
Kekeringan dan Perlakuan Herbisida Paraquat, adalah hasil karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip
dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
tesis.
Bogor, Agustus 2007
Violita
G 351050021
v
KOMPARASI RESPON FISIOLOGI TANAMAN KEDELAI
YANG MENDAPAT CEKAMAN KEKERINGAN DAN
PERLAKUAN HERBISIDA PARAQUAT
VIOLITA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Departemen Biologi
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007
vi
Judul Tesis
Nama
NRP
: Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang
Mendapat Cekaman Kekeringan dan Perlakuan Herbisida
Paraquat
: Violita
: G 351050021
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Hamim, M.Si.
Ketua
Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc.
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biologi
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Dr. Ir. Dedy Duryadi, DEA.
Prof. Dr. Ir.Khairil Anwar Notodiputro, MS
Tanggal ujian: 23 Agustus 2007
Tanggal lulus:
vii
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas limpahan
belas kasih, kemudahan dan petunjuk-Nya semata, penulis dapat menyelesaikan
Tesis ini. Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister
Sains pada Program Studi Biologi Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor.
Terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Ir. Hamim, M.Si dan
Bapak Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc selaku dosen pembimbing atas
bimbingan dan arahan yang diberikan. Penghargaan penulis sampaikan kepada Dr.
Ir. Dedy Duryadi, DEA selaku ketua Program Studi Biologi, Sekolah Pasca
Sarjana (SPS) IPB, Dr. Ir. Munif Ghulamahdi, MS selaku penguji dari
Departemen Agronomi dan Hortikultura. Terima kasih kepada Departemen
Geofisika dan Meteorologi IPB atas bantuannya dalam penggunaan alat
fotosintesis. Terima kasih juga kepada kepala Laboratorium Mikrobiologi
Lingkungan LIPI atas arahannya dalam analisis enzim, dan juga kepada Pusat
penelitian Sumber daya Hayati dan Bioteknologi IPB.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Papa, Mama, Mak etek,
Uni, @dek, Da Pong atas do’a, kasih sayang dan pengertiannya. Selain itu penulis
juga mengucapkan terima kasih pada Adisti, Jovany, Bu Dewi, Ina, Ninda, Ela,
Rina, Rina 39, atas diskusi dan sarannya dan juga pada Hasep dan Yusi atas
bantuannya serta kepada teman-teman di Program Studi Biologi SPS IPB. Penulis
juga mengucapkan terima kasih pada Mba Een, Mba Agustina atas saran dan
nasehatnya. Ucapan terima kasih pada semua pihak yang telah membantu
sehingga dapat terselesaikannya tesis ini.
Sebagai penutup, penulis mengharapkan semoga karya ilmiah ini
bermanfaat.
Bogor, Agustus 2007
Violita
viii
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Payakumbuh pada tanggal 04 Juli 1981 dari ayah
Azwin, S.Sos dan ibu Hildarnis. Penulis merupakan puteri kedua dari tiga
bersaudara. Pendidikan sarjana ditempuh di Program Studi Biologi Universitas
Andalas Padang, lulus pada tahun 2003 dengan predikat ”dengan pujian”. Pada
tahun 2005 penulis diterima sebagai mahasiswa Pasca Sarjana Program Studi
Biologi IPB.
ix
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL............................................................................................
xi
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................
xiii
PENDAHULUAN
Latar Belakang ....................................................................................
Tujuan ................................................................................................
Hipotesis ............................................................................................
1
4
4
TINJAUAN PUSTAKA
Peranan Air bagi Pertumbuhan Tanaman ............................................
Cekaman Kekeringan pada Tanaman...................................................
Efek Kekeringan terhadap Fotosintesis................................................
Cekaman Oksidatif...............................................................................
Penyelamatan dari ROS ......................................................................
Penghambatan Fotosintesis oleh Herbisida..........................................
5
6
7
9
11
14
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat ...............................................................................
Bahan dan Alat.....................................................................................
Rancangan Percobaan ..........................................................................
Pelaksanaan .........................................................................................
16
16
16
17
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kandungan Air Media (KAM).............................................................
Kandungan Air Relatif (KAR) .............................................................
Pertumbuhan Tanaman.........................................................................
Produksi Tanaman................................................................................
Morfologi Daun Tanaman yang Mendapat Perlakuan Hebisida Paraquat
Laju Transpirasi ...................................................................................
Laju Fotosintesis ..................................................................................
Peroksidasi Lipid..................................................................................
Aktivitas Enzim Antioksidan ...............................................................
Kandungan Asam Askorbat (ASA)......................................................
Kandungan Prolin ................................................................................
23
25
28
32
33
35
37
42
45
54
57
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan .........................................................................................
Saran ...................................................................................................
60
60
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................
61
LAMPIRAN.....................................................................................................
67
x
KOMPARASI RESPON FISIOLOGI TANAMAN KEDELAI
YANG MENDAPAT CEKAMAN KEKERINGAN DAN
PERLAKUAN HERBISIDA PARAQUAT
VIOLITA
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007
i
ABSTRAK
VIOLITA. Komparasi respon fisiologi tanaman kedelai yang mendapat cekaman
kekeringan dan perlakuan herbisida paraquat. Dibimbing oleh HAMIM dan
SOEKISMAN TJITROSEMITO.
Telah dilakukan penelitian tentang respon fisiologi tanaman kedelai yang
mendapat cekaman kekeringan dan herbisida paraquat pada 3 kedelai budidaya
(Glycine max L.), kedelai liar (G. Tomentella) dan jagung. Media tanam berupa
campuran tanah dan pasir (1:1, v/v) pada pot seberat 8 kg di rumah kaca.
Perlakuan kekeringan diberikan dengan membiarkan tanaman tanpa air selama 12
hari untuk kedelai budidaya dan jagung, dan 22 hari untuk G. Tomentella,
sementara perlakuan paraquat diberikan dengan penyemprotan pada daun tanaman
dosis 90 g ai/ha. Pengamatan dilakukan pada Kadar Air Media (KAM), Kadar Air
Relatif (KAR), tinggi tajuk, panjang akar, bobot tajuk, bobot akar, laju fotosintesis
(Pn), laju transpirasi (E), malondialdehid (MDA), aktivitas enzim antioksidan,
asam askorbat (ASA) dan kandungan prolin daun.
Perlakuan cekaman kekeringan mengakibatkan penurunan KAM dan KAR
tanaman. Walaupun tidak mempengaruhi tinggi tajuk dan panjang akar, pada
umumnya cekaman kekeringan akan mengakibatkan penurunan bobot kering
tanaman dan produksi biji. Selain itu perlakuan kekeringan mengakibatkan
penurunan Pn dan E, dan peningkatan kandungan MDA pada semua tanaman.
Namun kandungan MDA jagung tidak menunjukkan peningkatan berarti dengan
semakin lamanya kekeringan. Aktivitas enzim antioksidan umumnya meningkat
sampai 10 hari setelah perlakuan (HSP) kekeringan, dan kemudian menurun
ketika KAR daun mengalami penurunan dibawah 50% (12 HSP kekeringan).
Kandungan ASA daun terjadi peningkatan sampai hari ke-10 (Tidar) dan hari ke12 (Panderman dan jagung), namun tidak terjadi peningkatan ASA pada G.
Tomentella dan Burangrang. Adapun kandungan prolin kedelai meningkat tajam
ketika tanaman mengalami stres berat (12 HSP kekeringan). Namun pada jagung
tidak terjadi peningkatan yang berarti sampai hari terakir perlakuan kekeringan.
Pada perlakuan herbisida paraquat, tanaman juga mengalami penurunan
KAR, E, dan Pn, dan peningkatan kandungan MDA serta aktivitas enzim
antioksidan. Berbeda halnya dengan cekaman kekeringan, perlakuan PQ tidak
menyebabkan peningkatan kandungan ASA daun yang berarti pada semua
tanaman. Begitu juga dengan kandungan prolin, perlakuan PQ tidak
mengakibatkan kenaikan kandungan prolin daun. Hal ini mengindikasikan bahwa
prolin mungkin merupakan senyawa yang spesifik terhadap stres kekeringan dan
bukan senyawa yang spesifik untuk stres oksidatif.
ii
ABSTRACT
VIOLITA. Comparison of physiological response of soybean to drought and
paraquat application. Under the direction of HAMIM and SOEKISMAN
TJITROSEMITO.
Physiological responses of plant to drought and paraquat herbicide (PQ)
application were observed on 3 cultivated soybeans (Glycine max L.), wild
soybean (G. tomentella) and maize. Plants were grown in 8 kg pot containing soil
and sand (1:1, v/v) in the greenhouse. Drought stress was provided by
withholding water for 12 days for cultivated soybean and maize, and 22 days for
G. tomentella, while PQ was applied by once spray using 90 g ai/ha. Observation
was carried out by measuring media water content (MWC), plant growth, dry
weight, relative water content (RWC), photosynthesis (Pn), transpiration (E),
malondyaldehid (MDA) antioxidant enzymes activity, ascorbic acid (ASA) and
prolin content.
Drought stress caused decrease of MWC and RWC, but generally did not
influence plant growth. Meanwhile drought stress caused decrease of plant dry
weight and seed production. Reduction of RWC due to drought caused decrease of
Pn, E, and increase of MDA content of all the plants. However, MDA content of
maize did not significantly increase due to drought. Antioxidant enzyme activities
generally increased in response to drought until 10 days of the treatment, and
then decreased when leaf RWC dropped below 50% (12 days after drought
stressed). ASA as an antioksidant, generally increase until 10 days after drought
treatment (Tidar) and 12 days after drought treatment (Panderman and maize),
but it was not significantly different to Burangrang and G. tomentella. In soybean
prolin content increased dramatically when the drought was getting severe. On
the other hand, it was not increased significantly on maize.
In accordance to drought stressed, PQ treatment also caused decrease of
leaf RWC, E, and Pn, while it coused increase of MDA content and antioxidant
enzyme activities. There was no effect of PQ on ASA content for all the plant.
Paraquat did not also affect prolin content which is indication that prolin might
be a specific substance to drought stressed, not to oxidative stress.
iii
©Hak cipta milik IPB tahun 2007
Hak cipta dilindungi undag-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber.
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu
masalah.
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
iv
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa tesis yang berjudul
Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang Mendapat Cekaman
Kekeringan dan Perlakuan Herbisida Paraquat, adalah hasil karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip
dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
tesis.
Bogor, Agustus 2007
Violita
G 351050021
v
KOMPARASI RESPON FISIOLOGI TANAMAN KEDELAI
YANG MENDAPAT CEKAMAN KEKERINGAN DAN
PERLAKUAN HERBISIDA PARAQUAT
VIOLITA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Departemen Biologi
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007
vi
Judul Tesis
Nama
NRP
: Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang
Mendapat Cekaman Kekeringan dan Perlakuan Herbisida
Paraquat
: Violita
: G 351050021
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Hamim, M.Si.
Ketua
Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc.
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biologi
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Dr. Ir. Dedy Duryadi, DEA.
Prof. Dr. Ir.Khairil Anwar Notodiputro, MS
Tanggal ujian: 23 Agustus 2007
Tanggal lulus:
vii
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas limpahan
belas kasih, kemudahan dan petunjuk-Nya semata, penulis dapat menyelesaikan
Tesis ini. Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister
Sains pada Program Studi Biologi Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor.
Terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Ir. Hamim, M.Si dan
Bapak Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc selaku dosen pembimbing atas
bimbingan dan arahan yang diberikan. Penghargaan penulis sampaikan kepada Dr.
Ir. Dedy Duryadi, DEA selaku ketua Program Studi Biologi, Sekolah Pasca
Sarjana (SPS) IPB, Dr. Ir. Munif Ghulamahdi, MS selaku penguji dari
Departemen Agronomi dan Hortikultura. Terima kasih kepada Departemen
Geofisika dan Meteorologi IPB atas bantuannya dalam penggunaan alat
fotosintesis. Terima kasih juga kepada kepala Laboratorium Mikrobiologi
Lingkungan LIPI atas arahannya dalam analisis enzim, dan juga kepada Pusat
penelitian Sumber daya Hayati dan Bioteknologi IPB.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Papa, Mama, Mak etek,
Uni, @dek, Da Pong atas do’a, kasih sayang dan pengertiannya. Selain itu penulis
juga mengucapkan terima kasih pada Adisti, Jovany, Bu Dewi, Ina, Ninda, Ela,
Rina, Rina 39, atas diskusi dan sarannya dan juga pada Hasep dan Yusi atas
bantuannya serta kepada teman-teman di Program Studi Biologi SPS IPB. Penulis
juga mengucapkan terima kasih pada Mba Een, Mba Agustina atas saran dan
nasehatnya. Ucapan terima kasih pada semua pihak yang telah membantu
sehingga dapat terselesaikannya tesis ini.
Sebagai penutup, penulis mengharapkan semoga karya ilmiah ini
bermanfaat.
Bogor, Agustus 2007
Violita
viii
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Payakumbuh pada tanggal 04 Juli 1981 dari ayah
Azwin, S.Sos dan ibu Hildarnis. Penulis merupakan puteri kedua dari tiga
bersaudara. Pendidikan sarjana ditempuh di Program Studi Biologi Universitas
Andalas Padang, lulus pada tahun 2003 dengan predikat ”dengan pujian”. Pada
tahun 2005 penulis diterima sebagai mahasiswa Pasca Sarjana Program Studi
Biologi IPB.
ix
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL............................................................................................
xi
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................
xiii
PENDAHULUAN
Latar Belakang ....................................................................................
Tujuan ................................................................................................
Hipotesis ............................................................................................
1
4
4
TINJAUAN PUSTAKA
Peranan Air bagi Pertumbuhan Tanaman ............................................
Cekaman Kekeringan pada Tanaman...................................................
Efek Kekeringan terhadap Fotosintesis................................................
Cekaman Oksidatif...............................................................................
Penyelamatan dari ROS ......................................................................
Penghambatan Fotosintesis oleh Herbisida..........................................
5
6
7
9
11
14
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat ...............................................................................
Bahan dan Alat.....................................................................................
Rancangan Percobaan ..........................................................................
Pelaksanaan .........................................................................................
16
16
16
17
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kandungan Air Media (KAM).............................................................
Kandungan Air Relatif (KAR) .............................................................
Pertumbuhan Tanaman.........................................................................
Produksi Tanaman................................................................................
Morfologi Daun Tanaman yang Mendapat Perlakuan Hebisida Paraquat
Laju Transpirasi ...................................................................................
Laju Fotosintesis ..................................................................................
Peroksidasi Lipid..................................................................................
Aktivitas Enzim Antioksidan ...............................................................
Kandungan Asam Askorbat (ASA)......................................................
Kandungan Prolin ................................................................................
23
25
28
32
33
35
37
42
45
54
57
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan .........................................................................................
Saran ...................................................................................................
60
60
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................
61
LAMPIRAN.....................................................................................................
67
x
DAFTAR TABEL
Teks
Halaman
1. Rasio bobot akar/bobot tajuk pada tanaman kedelai dan jagung
setelah 12 hari perlakuan kekeringan ..........................................................
31
Lampiran
Halaman
1. Bahan-bahan pengukuran fotosintesis, analisis enzim antioksidan,
asam askorbat dan prolin...........................................................................
68
2. ANOVA dari pertumbuhan tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
69
3. ANOVA dari produksi tanaman pada perlakuan cekaman kekeringan.....
71
4. ANOVA dari Kadar Air Media (KAM) pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
72
5. ANOVA dari Kadar Air Relatif (KAR) tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ..................................................................................
74
6. ANOVA dari laju transpirasi tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
76
7. ANOVA dari laju fotosintesis tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
78
8. ANOVA dari peroksidasi lipid tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
80
9. ANOVA dari aktivitas glutation reduktase tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ..................................................................................
82
10. ANOVA dari aktivitas supeoksida dismutase tanaman pada
perlakuan cekaman kekeringan .................................................................
84
11. ANOVA dari aktivitas askorbat peroksidase tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ..................................................................................
86
12. ANOVA dari kandungan asam askorbat tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ..................................................................................
88
13. ANOVA dari kandungan prolin tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
90
xi
14. ANOVA dari laju transpirasi tanaman pada perlakuan herbisida
paraquat .....................................................................................................
92
15. ANOVA dari laju fotosintesis tanaman pada perlakuan herbisida
paraquat. ....................................................................................................
93
16. ANOVA dari laju peroksidasi lipid tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat......................................................................................
95
17. ANOVA dari aktivitas glutation reduktase tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat......................................................................................
96
18. ANOVA dari aktivitas superoksida dismutase tanaman pada
perlakuan herbisida paraquat.....................................................................
98
19. ANOVA dari aktivitas askorbat peroksidase tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat......................................................................................
99
20. ANOVA dari kandungan asam askorbat tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat...................................................................................... 101
21. ANOVA dari kandungan prolin tanaman pada perlakuan herbisida
paraquat ..................................................................................................... 102
xii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
22. Mekanisme pembentukan ROS ...............................................................
10
23. Produksi ROS pada transport elektron fotosintesis pada kondisi
cahaya tinggi..............................................................................................
11
24. Metabolisme redok asam askorbat ............................................................
12
25. Siklus askorbat-glutation .........................................................................
13
26. Skema penghambatan transport elektron fotosintesis oleh herbisida
paraquat dan DCMU .................................................................................
14
27. Struktur kimia paraquat .............................................................................
15
28. Kandungan Air Media (%) pada 0 sampai 12 HSP kekeringan dan
recovery .....................................................................................................
24
29. Kandungan air relatif (%) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
26
30. Kandungan air relatif (%) daun dari 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP
herbisida paraquat......................................................................................
27
31. Tinggi tajuk (a) dan panjang akar (b) 12 HSP kekeringan ........................
29
32. Bobot kering tajuk (a) dan bobot kering akar (b) 12 HSP kekeringan ......
31
33. Jumlah biji per tanaman pada perlakuan kontrol dan kekeringan .............
32
34. Bobot kering biji per tanaman pada perlakuan kontrol dan kekeringan....
32
35. Daun jagung (kiri) dan kedelai (kanan) 1 HSP herbisida paraquat ...........
34
36. Laju transpirasi (E) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
35
37. Laju transpirasi (E) dari 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
37
38. Laju fotosintesis (Pn) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
38
39. Laju fotosintesis (Pn) pada 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP paraquat ........
41
xiii
40. Kandungan MDA kedelai dan jagung 0, sampai 12 HSP kekeringan
dan recovery ..............................................................................................
43
41. Kandungan MDA kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP
herbisida paraquat......................................................................................
44
42. Aktivitas GR kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP kekeringan
dan recovery ..............................................................................................
46
43. Aktivitas GR kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
48
44. Aktivitas SOD kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
49
45. Aktivitas SOD kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
51
46. Aktivitas APX kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
52
47. Aktivitas APX kedelai dan jagung pada 0, 1, 3, dan 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
53
48. Kandungan ASA daun kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
54
49. Kandungan ASA daun kedelai dan jagung pada 0, 1, 3, dan 5 HSP
herbisida paraquat.....................................................................................
56
50. Konsentrasi prolin kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
57
51. Konsentrasi prolin kedelai dan jagung 0, 1, 3, dan 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
59
xiv
xv
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Munif Ghulamahdi, MS.
xvi
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kedelai (Glycine max (L.) Merr.) merupakan tanaman kacang-kacangan
yang digunakan sebagai bahan baku makanan tradisional seperti tempe, tahu dan
kecap yang menjadi sumber protein nabati utama bagi sebagian besar penduduk
Indonesia. Namun produktifitas kedelai nasional relatif rendah, yaitu hanya 1,2
ton/ha jika dibandingkan dengan produktifitas Cina yang sebesar 1,7 ton/ha dan
Amerika Serikat yang sebesar 2,5 ton/ha (Agroindonesia 2001). Jumlah penduduk
Indonesia yang sebesar 216 juta jiwa saat ini membutuhkan kedelai sekurangkurangnya 3,0 juta ton per tahun, sementara itu produktifitas kedelai di Indonesia
semakin menurun. Sejak tahun 2000, kondisi tersebut semakin parah, dimana
impor kedelai semakin besar, yaitu sekitar 70% dari kebutuhan kedelai penduduk
Indonesia (Hutapea dan Zum 2004).
Kendala utama dalam peningkatan produksi kedelai di lapangan salah
satunya adalah kondisi cekaman kekeringan (Darman 2000). Kondisi ini semakin
sulit karena Indonesia memiliki lahan kering yang cukup luas dibandingkan
dengan lahan yang berpengairan. Faktor kekeringan diketahui merupakan faktor
lingkungan utama yang akan menghambat pertumbuhan tanaman dan menurunkan
produksi.
Purwanto (2003) telah melakukan penelitian tentang aktivitas fotosintesis
kedelai akibat cekaman kekeringan. Pada penelitian tersebut didapatkan bahwa (1)
fotosintesis, transpirasi dan daya hantar stomata menurun dengan semakin
lamanya perlakuan kekeringan dan (2) tanaman dalam kondisi cekaman
kekeringan memiliki luas daun dan rasio berat daun yang lebih rendah dibanding
dengan yang tidak mengalami cekaman.
Jusuf et al. (1993) telah melakukan penelitian tentang aspek toleransi
tanaman kedelai terhadap cekaman kekeringan dengan mengevaluasi 750 plasma
nutfah. Berdasarkan penelitian tersebut diperoleh 20 genotipe toleran, yang
dilanjutkan dengan identifikasi morfologi dan fisiologi oleh Hamim (1995) dan
Sopandie et al. (1996). Melalui identifikasi tersebut diketahui bahwa tanaman
kedelai pada kondisi cekaman kekeringan mengalami penurunan potensial
osmotik dan peningkatan akumulasi prolin. Galur-galur tersebut merupakan
1
materi yang baik untuk mempelajari mekanisme adaptasi tanaman terhadap
cekaman kekeringan.
Hamim (2004) menyatakan bahwa pada tahap awal, kekeringan
menyebabkan berkurangnya pembukaan stomata untuk meminimalisir kehilangan
air di bawah kondisi cahaya berlebihan. Peristiwa ini mengakibatkan terjadinya
penurunan konsentrasi CO2 intrasel, sehingga tanaman mengalami overreduksi
pada transfer elektron fotosintesis (Berkowitz 1998). Overreduksi ini terjadi
karena pembentukan NADPH pada reaksi terang tidak diimbangi oleh pemakaian
NADPH pada reaksi gelap karena penurunan konsentrasi CO2 intrasel. Hal ini
mengakibatkan terbentuknya reactive oxygen species (ROS) yang diawali dengan
pengikatan elektron pada transpor elektron fotosintesis oleh oksigen. Proses
selanjutnya akan terbentuk berbagai bentuk senyawa ROS seperti; superoksida
(O2-), singlet oksigen (·O2), radikal hidroksil (OH) dan hidrogen peroksida (H2O2)
(Mckersie and Leshem, 1994). Senyawa ROS ini akan dapat menimbulkan
kerusakan pada tanaman (Aroca et al. 2001). Jika hal ini dibiarkan, maka lama
kelamaan tanaman akan mati (Apel and Hirt 2004).
Disisi lain ROS juga dapat diinduksi pada tanaman dengan adanya
senyawa herbisida, yang salah satunya adalah herbisida paraquat. Herbisida
paraquat ini akan dapat mengambil elektron pada transfer elektron fotosintesis
pada pusat reaksi fotosistem I. Herbisida paraquat memiliki afinitas tinggi
terhadap elektron, sehingga dengan mudah akan mengikat elektron fotosintesis.
Pada keadaan ini paraquat menjadi tidak stabil dan segera melepaskan elektron
tersebut. Elektron ini akan langsung diikat oleh oksigen sehingga terbentuk
superoksida (salah satu bentuk ROS) (McKersie and Leshem 1994; Reade and
Cobb 2002).
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Gossett et al. (1996)
diperoleh bahwa pemberian paraquat dapat menghambat pertumbuhan tanaman
kapas (Gossypium hirsutum L.). Taylor et al. (2002) juga menyatakan bahwa
perlakuan paraquat dan stres air pada biji kacang kapri (Pisum sativum L.) dapat
menginduksi terbentuknya peroksidasi lipid yang akan menghambat kemampuan
mitokondria dalam mengoksidasi glysin. Belum diketahui secara jelas apakah
2
kerusakan yang ditimbulkan oleh ROS akibat cekaman kekeringan sama dengan
yang ditimbulkan oleh herbisida paraquat.
Pada kenyataannya, tanaman memiliki mekanisme tertentu untuk
mempertahankan diri dari kerusakan ketika terjadi akumulasi ROS diantaranya
melalui mekanisme enzimatik (enzim antioksidan) dan non-enzimatik (senyawa
antioksidan). Enzim dan senyawa antioksidan ini akan menghambat pembentukan
ROS baik pada kondisi cekaman kekeringan (Apel and Hirt 2004) maupun pada
tanaman yang terkena herbisida paraquat (McKersie dan Leshem 1994).
Walaupun demikian masih sedikit informasi yang diperoleh terkait dengan
perubahan fisiologi tanaman yang terkena cekaman kekeringan dan herbisida
paraquat. Keduanya sama-sama mempengaruhi metabolisme tanaman terutama
pada transpor elektron fotosintesis dan dapat menginduksi stres oksidatif.
Berdasarkan hal tersebut diperlukan informasi yang cukup tentang
komparasi respon fisiologi tanaman kedelai yang mendapat cekaman kekeringan
dan perlakuan herbisida paraquat. Hal ini juga diharapkan dapat memberikan
informasi tambahan tentang usaha pemuliaan tanaman pada lahan kering di
Indonesia.
3
Tujuan
1. Melihat respon fotosintesis dan transpirasi kedelai selama perlakuan
cekaman kekeringan dan setelah mendapat perlakuan herbisida paraquat.
2. Membandingkan tingkat akumulasi malonialdehid sebagai indikator
terbentuknya ROS pada tanaman yang mendapat cekaman kekeringan dan
tanaman yang mendapat perlakuan paraquat.
3. Mengamati
aktivitas
enzim
antioksidan
dan
akumulasi
senyawa
antioksidan pada tanaman yang mendapat cekaman kekeringan dan
perlakuan paraquat.
4. Mengamati akumulasi prolin pada tanaman yang mendapat cekaman
kekeringan dan perlakuan paraquat.
Hipotesa
1. Terdapat perbedaan respon laju fotosintesis dan laju transpirasi pada
perlakuan cekaman kekeringan dan pelakuan paraquat.
2. Perlakuan cekaman kekeringan dan perlakuan herbisida paraquat
memberikan pengaruh yang sama dalam menginduksi senyawa ROS.
3. Perkembangan tingkat antioksidan dan aktivitas enzim akan mengalami
peningkatan akibat cekaman kekeringan dan perlakuan paraquat.
4. Terdapat perbedaan akumulasi prolin pada tanaman yang mendapat
cekaman kekeringan dan pemberian herbisida paraquat.
4
TINJAUAN PUSTAKA
Peranan Air bagi Pertumbuhan Tanaman
Air merupakan komponen utama tanaman, yaitu membentuk 80-90 %
bobot segar jaringan yang sedang tumbuh aktif. Air sebagai komponen esensial
tanaman memiliki peranan antara lain: (a) sebagai pelarut, di dalamnya terdapat
gas, garam, dan zat terlarut lainnya, yang bergerak keluar masuk sel, (b) sebagai
pereaksi dalam fotosintesis dan pada berbagai proses hidrolisis, (c) air esensial
untuk menjaga turgiditas diantaranya dalam pembesaran sel, pembukaan stomata
dan menyangga bentuk daun-daun muda atau struktur lainnya (Levitt 1980).
Pada keadaan normal tanaman membutuhkan keseimbangan potensial air
antara tanah-akar-daun-atmosfer. Keseimbangan ini berarti gradien potensial air
antara bagian-bagian tersebut yang memungkinkan tanaman untuk melakukan
transpor air dan hara dari akar ke daun. Air akan mengalir dari potensial air tinggi
ke potensial air rendah, sehingga potensial air di tanah haruslah lebih tinggi
dibandingkan dengan potensial air di akar, daun dan atmosfer yang dipengaruhi
oleh proses transpirasi (Taiz and Zeiger 2002).
Proses transpirasi di daun terutama terjadi pada siang hari. Transpirasi
dipengaruhi oleh cahaya matahari. Ketika terjadi proses transpirasi pada tanaman,
maka tekanan turgor akan mengalami penurunan. Penurunan ini menyebabkan
potensial air di daun lebih rendah dari pada di akar, sehingga akan mempermudah
aliran air di xylem dari akar sampai ke daun. Peningkatan aliran air ini dibutuhkan
untuk pertumbuhan sel tanaman. Aliran air ke sel akan mengakibatkan perbesaran
dan pemanjangan sel, sehingga sel dapat tumbuh (Kramer and Boyer 1995).
Pada kondisi lingkungan tertentu tanaman dapat mengalami defisit air.
Defisit air berarti terjadi penurunan gradien potensial air antara tanah-akar-daunatmosfer, sehingga laju transpor air dan hara menurun (Taiz and Zeiger 2002).
Penurunan ini akan mengakibatkan gangguan pada pertumbuhan tanaman,
terutama pada jaringan yang sedang tumbuh (Kramer and Boyer 1995). Hal ini
biasanya terjadi pada tanah yang kekurangan air, sehingga gradien potensial air di
tanah dan akar menurun. Itulah sebabnya tanaman yang tumbuh pada tanah yang
kering mengalami hambatan pertumbuhan.
5
Cekaman Kekeringan pada Tanaman
Cekaman kekeringan akan mengakibatkan rendahnya laju penyerapan air
oleh akar tanaman. Ketidakseimbangan antara penyerapan air oleh akar dan
kehilangan air akibat transpirasi membuat tanaman menjadi layu. Cekaman
kekeringan atau “drought stress” dapat terjadi karena beberapa hal yaitu: (1)
tingginya kecepatan evaporasi yang melebihi persediaan air dari tanah ke akar
yang akan mengakibatkan penurunan potensial air, (2) adanya senyawa yang
bersifat osmotik, seperti pada tanah garam, yang dapat menurunkan pengambilan
air sehingga terjadi penurunan potensial osmosis dan tidak cukupnya pengambilan
air oleh tanaman yang diserap dari tanah (Borges 2003).
Tanaman yang berada pada kondisi cekaman kekeringan akan memberikan
respon tertentu baik secara morfologis, anatomis maupun fisiologis. Pada keadaan
cekaman kekeringan tersebut terdapat dua mekanisme utama yang mungkin
terjadi pada tanaman, yaitu: (a) tanaman berusaha menghindari cekaman, baik
dengan cara melakukan perubahan struktur morfologi dan anatomi, maupun
dengan meningkatkan efisiensi penggunaaan air dengan cara mengatur laju
transpirasi, dan (b) meningkatkan toleransi terhadap cekaman kekeringan melalui
perubahan kimia sel, baik dalam bentuk peningkatan akumulasi senyawa terlarut
yang berperan sebagai pengatur tekanan osmotik sel (osmotic adjustment), dengan
mengakumulasi senyawa kimia seperti; prolin dan gula (Meyer dan Boyer 1981).
Cekaman
kekeringan
dapat
menghambat
pertumbuhan
tanaman.
Penghambatan pertumbuhan ini salah satunya dapat dilihat pada perluasan daun.
Penurunan luas daun merupakan respon pertama tanaman terhadap kekeringan.
Keterbatasan air akan menghambat pemanjangan sel yang secara perlahan akan
menghambat pertumbuhan luas daun. Kecilnya luas daun mengakibatkan
rendahnya transpirasi, sehingga menurunkan laju suplai air dari akar ke daun. Jika
kondisi ini dibiarkan terus menerus, lama kelamaan akan terjadi absisi daun (Taiz
and Zeiger 2002). Luas daun pada tanaman sangatlah penting karena proses
fotosintesis terjadi di kloroplas daun, dan fotosintesis merupakan salah satu faktor
yang mempengaruhi proses pertumbuhan tanaman.
6
Efek Kekeringan terhadap Fotosintesis
Penurunan potensial air tanaman pada kondisi kekeringan menyebabkan
terjadinya penurunan laju fotosintesis. Hal ini terjadi karena adanya hambatan
yang ditimbulkan oleh penutupan stomata (stomatal limitation) maupun hambatan
akibat penurunan proses biokimia dalam tumbuhan (non-stomatal limitation)
(Kalefetoglu dan Ekmekci 2005).
Hambatan stomata
Pada kondisi cekaman kekeringan ringan (moderat) tanaman akan segera
mengurangi pembukaan stomata. Penurunan pembukaan stomata ini dilakukan
untuk meminimalisir kehilangan air yang berlebihan. Dengan terjadinya
penurunan pembukaan stomata, maka konsentrasi CO2 daun akan menurun
sehingga dengan sendirinya proses fotosintesis juga akan menurun (Flexas and
Medrano 2002).
Comstock (2002) menambahkan bahwa pengaturan konduktan stomata
berkaitan dengan signal hidrolik (hydraulic signaling) dan signal kimia
(chemichal signaling). Ketika tumbuhan mengalami kondisi cekaman kekeringan,
terjadi perubahan potensial air pada tanaman. Pada keadaan ini terjadi penurunan
gradien potensial air antara akar dan tanah, sehingga laju penyerapan air oleh akar
menurun. Penurunan laju penyerapan air ini dan ditambah dengan peningkatan
transpirasi akibat radiasi matahari membuat tanaman mengalami kekurangan air
(Levitt 1980). Gradien potensial air akan menimbulkan hydraulic signaling
terhadap konduktansi stomata sebagai respon tanaman terhadap cekaman
kekeringan sehingga stomata menutup (Comstock 2002).
Chemical signalling berkaitan dengan terjadinya peningkatan konsentrasi
asam absisat (ABA) pada akar tumbuhan. Ketika cekaman kekeringan terdapat
bukti bahwa terjadi peningkatan sintesis ABA pada akar tanaman sebagai respon
terhadap keadaan defisit air tanah. Peningkatan ABA ini terkait dengan status air
akar tanaman. Proses selanjutnya ABA akan ditranspor melalui xylem terus ke
daun. Selain di akar, tanaman juga mensintesis ABA di daun, sehingga terjadi
peningkatan ABA di daun (Srivastava 2002). Pada kondisi ini protein channel Kout
di sel penjaga daun akan diaktifkan oleh keberadaan ABA dan protein chanel Kin
7
akan dihambat oleh ABA, sehingga banyak ion K+ yang keluar dari sel penjaga.
Kondisi ini akan menurunkan potensial osmotik sel penjaga sehingga stomata
menutup (Roberts dan Snowman 2000). Proses pensignalan oleh ABA dari akar
ke daun ini dikenal dengan istilah long-distance chemichal signaling (Comstock
2002).
Kehilangan ion ataupun larutan pada sel penjaga dapat disebabkan oleh
penurunan kandungan air daun, dan ABA memegang peranan penting dalam
proses ini. ABA disintesis secara lambat terus menerus di sel mesofil dan
terakumulasi di kloroplas. Ketika mesofil terdehidrasi, maka ada dua hal yang
akan terjadi yaitu:
1. Beberapa ABA yang disimpan di kloroplas akan dilepas ke apoplas
(permukaan dinding sel) sel mesofil. Redistribusi ABA ini bergantung
kepada gradien pH pada daun, keasaman properti molekul ABA dan
permeabilitas membran sel. Redistribusi ABA memungkinkan aliran
transpirasi untuk membawa beberapa ABA ke sel penjaga.
2. ABA disintesis dengan kecepatan tinggi di akar mengakibatkan lebih
banyak ABA yang diakumulasi pada apoplas
daun (Taiz and Zeiger
2002).
Menurut Lizana et al. (2006), ABA telah diketahui menjadi faktor yang
mengatur konduktansi stomata. Hasil penelitian pada dua varietas Phaseolus
vulgaris (Arroz and Orfeo) diperoleh bahwa peningkatan konsentrasi ABA seiring
dengan penurunan konduktan stomata dengan semakin lamanya kondisi
kekeringan.
Hambatan non-stomata
Hambatan non-stomata berkaitan dengan proses metabolik yaitu pada
proses transpor elektron fotosintesis. Jika kondisi kekeringan terus terjadi maka
tanaman akan mengalami penurunan proses metabolik, karena berkurangnya
difusi CO2 ke kloroplas (Chaves and Oliveira 2004) yang nantinya akan mengarah
kepada penurunan kandungan ribulosa 1,5-biphosphat (RuBP) pada proses
fotosintesis (Flexas and Medrano 2002). Vu et al. (1987) menambahkan bahwa
8
peningkatan stres kekeringan pada kedelai akan menurunkan total aktivitas
rubisko.
Cekaman
kekeringan
akan
menginduksi
terjadinya
fotoinhibisi,
selanjutnya akan menurunkan kandungan protein D1 pada fotosistem II (PS II)
(Pastenes et al. 2004). PS II sebagai sistem penangkap cahaya (light harvesting
system) memiliki dua fungsi esensial yaitu: (1) menangkap cahaya pada proses
fotosintesis, (2) melepas energi tereksitasi apabila terjadi kelebihan energi.
Berdasarkan hal tersebut, maka PS II akan merespon signal eksternal dari
lingkungan. Hal ini berkaitan dengan peningkatan trans-membran tilakoid ΔpH.
Peningkatan trans-membran tilakoid ΔpH ini berfungsi sebagai kontrol balik
terhadap kelebihan transpor elektron fotosintesis. Proses ini dikenal dengan nonphotochemical quenching (NPQ) yang bergantung pada siklus xanthophyll dan
protein PsbS pada fotosistem (Horton and Ruban 2004), sebagai mekanisme
pertahanan tanaman terhadap fotoinhibisi (Taiz and Zeiger 2002).
Cekaman Oksidatif
Perubahan lingkungan yang tidak menguntungkan termasuk kekeringan
pada tanaman, dapat menyebabkan terbentuknya senyawa oksidatif. Jika kondisi
ini dibiarkan, tanaman akan mengalami stres oksidatif. Pembentukan senyawa
oksidatif pada tanaman diawali dengan reduksi oksigen pada membran sel
kloroplas membentuk superoksida (O2-). Jika hal itu terjadi akan terbentuk
reactive oxygen species (ROS) yang meliputi molekul-molekul seperti:
superoksida (O2-), singlet oxygen (.O2), radikal hidroksil (OH) dan hydrogen
peroksida (H2O2) (Blokhina et al. 2003). Radikal bebas merupakan molekul yang
sangat reaktif sekali, karena memiliki elektron yang tidak berpasangan dan
merupakan molekul yang dapat mengakibatkan kerusakan pada membran
(Mckersie and Leshem 1994). Contoh reaksi tersebut adalah:
2 O2
+
Molekul
2 Fdred
O2-
2 O2- +
2 Fdox
yang reaktif akan berusaha melepaskan elektron bebasnya dan
bereaksi dengan H+ membentuk H2O2 (1). Proses selanjutnya hidrogen peroksida
dan superoksida bereaksi membentuk molekul yang sangat reaktif yaitu radikal
hidroksil (2). Selain itu radikal hidroksil bisa dibentuk dengan keberadaan ion besi
9
melalui reaksi fenton (3). Keberadaan besi atau ion metal lainnya dapat
meningkatkan kerusakan oksidatif (Mckersie and Leshem 1994). Berikut ini
adalah skema pembentukan radikal bebas:
O2O23+
Fe
+
O2- +
+
H2 O 2
+
-
Fe2+ +
O2
H 2 O2
H+
H2O2 + O2
O2
2+
Fe
+
OH
.
+
(1)
OH
-
(2)
+ O2
OH. + OH
+ Fe3+
(3)
Secara keseluruhan, reaksi pembentukan ROS dapat dilihat sebagai berikut:
Gambar 1 Mekanisme pembentukan ROS (Apel and Hirt 2004)
Menurut Mckersie and Leshem (1994) ada beberapa peluang terjadinya
pembentukan ROS pada proses fotosintesis
1. Pada PS I dapat terjadi reduksi oksigen melalui reaksi mehler. Reduksi
oksigen ini terjadi pada transport elektron feredoksin, reduksi ini terjadi
ketika NADP+ terbatas yang salah satunya disebabkan oleh berkurangnya
penggunaan NADPH untu
YANG MENDAPAT CEKAMAN KEKERINGAN DAN
PERLAKUAN HERBISIDA PARAQUAT
VIOLITA
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007
i
ABSTRAK
VIOLITA. Komparasi respon fisiologi tanaman kedelai yang mendapat cekaman
kekeringan dan perlakuan herbisida paraquat. Dibimbing oleh HAMIM dan
SOEKISMAN TJITROSEMITO.
Telah dilakukan penelitian tentang respon fisiologi tanaman kedelai yang
mendapat cekaman kekeringan dan herbisida paraquat pada 3 kedelai budidaya
(Glycine max L.), kedelai liar (G. Tomentella) dan jagung. Media tanam berupa
campuran tanah dan pasir (1:1, v/v) pada pot seberat 8 kg di rumah kaca.
Perlakuan kekeringan diberikan dengan membiarkan tanaman tanpa air selama 12
hari untuk kedelai budidaya dan jagung, dan 22 hari untuk G. Tomentella,
sementara perlakuan paraquat diberikan dengan penyemprotan pada daun tanaman
dosis 90 g ai/ha. Pengamatan dilakukan pada Kadar Air Media (KAM), Kadar Air
Relatif (KAR), tinggi tajuk, panjang akar, bobot tajuk, bobot akar, laju fotosintesis
(Pn), laju transpirasi (E), malondialdehid (MDA), aktivitas enzim antioksidan,
asam askorbat (ASA) dan kandungan prolin daun.
Perlakuan cekaman kekeringan mengakibatkan penurunan KAM dan KAR
tanaman. Walaupun tidak mempengaruhi tinggi tajuk dan panjang akar, pada
umumnya cekaman kekeringan akan mengakibatkan penurunan bobot kering
tanaman dan produksi biji. Selain itu perlakuan kekeringan mengakibatkan
penurunan Pn dan E, dan peningkatan kandungan MDA pada semua tanaman.
Namun kandungan MDA jagung tidak menunjukkan peningkatan berarti dengan
semakin lamanya kekeringan. Aktivitas enzim antioksidan umumnya meningkat
sampai 10 hari setelah perlakuan (HSP) kekeringan, dan kemudian menurun
ketika KAR daun mengalami penurunan dibawah 50% (12 HSP kekeringan).
Kandungan ASA daun terjadi peningkatan sampai hari ke-10 (Tidar) dan hari ke12 (Panderman dan jagung), namun tidak terjadi peningkatan ASA pada G.
Tomentella dan Burangrang. Adapun kandungan prolin kedelai meningkat tajam
ketika tanaman mengalami stres berat (12 HSP kekeringan). Namun pada jagung
tidak terjadi peningkatan yang berarti sampai hari terakir perlakuan kekeringan.
Pada perlakuan herbisida paraquat, tanaman juga mengalami penurunan
KAR, E, dan Pn, dan peningkatan kandungan MDA serta aktivitas enzim
antioksidan. Berbeda halnya dengan cekaman kekeringan, perlakuan PQ tidak
menyebabkan peningkatan kandungan ASA daun yang berarti pada semua
tanaman. Begitu juga dengan kandungan prolin, perlakuan PQ tidak
mengakibatkan kenaikan kandungan prolin daun. Hal ini mengindikasikan bahwa
prolin mungkin merupakan senyawa yang spesifik terhadap stres kekeringan dan
bukan senyawa yang spesifik untuk stres oksidatif.
ii
ABSTRACT
VIOLITA. Comparison of physiological response of soybean to drought and
paraquat application. Under the direction of HAMIM and SOEKISMAN
TJITROSEMITO.
Physiological responses of plant to drought and paraquat herbicide (PQ)
application were observed on 3 cultivated soybeans (Glycine max L.), wild
soybean (G. tomentella) and maize. Plants were grown in 8 kg pot containing soil
and sand (1:1, v/v) in the greenhouse. Drought stress was provided by
withholding water for 12 days for cultivated soybean and maize, and 22 days for
G. tomentella, while PQ was applied by once spray using 90 g ai/ha. Observation
was carried out by measuring media water content (MWC), plant growth, dry
weight, relative water content (RWC), photosynthesis (Pn), transpiration (E),
malondyaldehid (MDA) antioxidant enzymes activity, ascorbic acid (ASA) and
prolin content.
Drought stress caused decrease of MWC and RWC, but generally did not
influence plant growth. Meanwhile drought stress caused decrease of plant dry
weight and seed production. Reduction of RWC due to drought caused decrease of
Pn, E, and increase of MDA content of all the plants. However, MDA content of
maize did not significantly increase due to drought. Antioxidant enzyme activities
generally increased in response to drought until 10 days of the treatment, and
then decreased when leaf RWC dropped below 50% (12 days after drought
stressed). ASA as an antioksidant, generally increase until 10 days after drought
treatment (Tidar) and 12 days after drought treatment (Panderman and maize),
but it was not significantly different to Burangrang and G. tomentella. In soybean
prolin content increased dramatically when the drought was getting severe. On
the other hand, it was not increased significantly on maize.
In accordance to drought stressed, PQ treatment also caused decrease of
leaf RWC, E, and Pn, while it coused increase of MDA content and antioxidant
enzyme activities. There was no effect of PQ on ASA content for all the plant.
Paraquat did not also affect prolin content which is indication that prolin might
be a specific substance to drought stressed, not to oxidative stress.
iii
©Hak cipta milik IPB tahun 2007
Hak cipta dilindungi undag-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber.
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu
masalah.
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
iv
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa tesis yang berjudul
Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang Mendapat Cekaman
Kekeringan dan Perlakuan Herbisida Paraquat, adalah hasil karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip
dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
tesis.
Bogor, Agustus 2007
Violita
G 351050021
v
KOMPARASI RESPON FISIOLOGI TANAMAN KEDELAI
YANG MENDAPAT CEKAMAN KEKERINGAN DAN
PERLAKUAN HERBISIDA PARAQUAT
VIOLITA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Departemen Biologi
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007
vi
Judul Tesis
Nama
NRP
: Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang
Mendapat Cekaman Kekeringan dan Perlakuan Herbisida
Paraquat
: Violita
: G 351050021
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Hamim, M.Si.
Ketua
Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc.
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biologi
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Dr. Ir. Dedy Duryadi, DEA.
Prof. Dr. Ir.Khairil Anwar Notodiputro, MS
Tanggal ujian: 23 Agustus 2007
Tanggal lulus:
vii
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas limpahan
belas kasih, kemudahan dan petunjuk-Nya semata, penulis dapat menyelesaikan
Tesis ini. Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister
Sains pada Program Studi Biologi Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor.
Terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Ir. Hamim, M.Si dan
Bapak Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc selaku dosen pembimbing atas
bimbingan dan arahan yang diberikan. Penghargaan penulis sampaikan kepada Dr.
Ir. Dedy Duryadi, DEA selaku ketua Program Studi Biologi, Sekolah Pasca
Sarjana (SPS) IPB, Dr. Ir. Munif Ghulamahdi, MS selaku penguji dari
Departemen Agronomi dan Hortikultura. Terima kasih kepada Departemen
Geofisika dan Meteorologi IPB atas bantuannya dalam penggunaan alat
fotosintesis. Terima kasih juga kepada kepala Laboratorium Mikrobiologi
Lingkungan LIPI atas arahannya dalam analisis enzim, dan juga kepada Pusat
penelitian Sumber daya Hayati dan Bioteknologi IPB.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Papa, Mama, Mak etek,
Uni, @dek, Da Pong atas do’a, kasih sayang dan pengertiannya. Selain itu penulis
juga mengucapkan terima kasih pada Adisti, Jovany, Bu Dewi, Ina, Ninda, Ela,
Rina, Rina 39, atas diskusi dan sarannya dan juga pada Hasep dan Yusi atas
bantuannya serta kepada teman-teman di Program Studi Biologi SPS IPB. Penulis
juga mengucapkan terima kasih pada Mba Een, Mba Agustina atas saran dan
nasehatnya. Ucapan terima kasih pada semua pihak yang telah membantu
sehingga dapat terselesaikannya tesis ini.
Sebagai penutup, penulis mengharapkan semoga karya ilmiah ini
bermanfaat.
Bogor, Agustus 2007
Violita
viii
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Payakumbuh pada tanggal 04 Juli 1981 dari ayah
Azwin, S.Sos dan ibu Hildarnis. Penulis merupakan puteri kedua dari tiga
bersaudara. Pendidikan sarjana ditempuh di Program Studi Biologi Universitas
Andalas Padang, lulus pada tahun 2003 dengan predikat ”dengan pujian”. Pada
tahun 2005 penulis diterima sebagai mahasiswa Pasca Sarjana Program Studi
Biologi IPB.
ix
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL............................................................................................
xi
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................
xiii
PENDAHULUAN
Latar Belakang ....................................................................................
Tujuan ................................................................................................
Hipotesis ............................................................................................
1
4
4
TINJAUAN PUSTAKA
Peranan Air bagi Pertumbuhan Tanaman ............................................
Cekaman Kekeringan pada Tanaman...................................................
Efek Kekeringan terhadap Fotosintesis................................................
Cekaman Oksidatif...............................................................................
Penyelamatan dari ROS ......................................................................
Penghambatan Fotosintesis oleh Herbisida..........................................
5
6
7
9
11
14
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat ...............................................................................
Bahan dan Alat.....................................................................................
Rancangan Percobaan ..........................................................................
Pelaksanaan .........................................................................................
16
16
16
17
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kandungan Air Media (KAM).............................................................
Kandungan Air Relatif (KAR) .............................................................
Pertumbuhan Tanaman.........................................................................
Produksi Tanaman................................................................................
Morfologi Daun Tanaman yang Mendapat Perlakuan Hebisida Paraquat
Laju Transpirasi ...................................................................................
Laju Fotosintesis ..................................................................................
Peroksidasi Lipid..................................................................................
Aktivitas Enzim Antioksidan ...............................................................
Kandungan Asam Askorbat (ASA)......................................................
Kandungan Prolin ................................................................................
23
25
28
32
33
35
37
42
45
54
57
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan .........................................................................................
Saran ...................................................................................................
60
60
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................
61
LAMPIRAN.....................................................................................................
67
x
KOMPARASI RESPON FISIOLOGI TANAMAN KEDELAI
YANG MENDAPAT CEKAMAN KEKERINGAN DAN
PERLAKUAN HERBISIDA PARAQUAT
VIOLITA
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007
i
ABSTRAK
VIOLITA. Komparasi respon fisiologi tanaman kedelai yang mendapat cekaman
kekeringan dan perlakuan herbisida paraquat. Dibimbing oleh HAMIM dan
SOEKISMAN TJITROSEMITO.
Telah dilakukan penelitian tentang respon fisiologi tanaman kedelai yang
mendapat cekaman kekeringan dan herbisida paraquat pada 3 kedelai budidaya
(Glycine max L.), kedelai liar (G. Tomentella) dan jagung. Media tanam berupa
campuran tanah dan pasir (1:1, v/v) pada pot seberat 8 kg di rumah kaca.
Perlakuan kekeringan diberikan dengan membiarkan tanaman tanpa air selama 12
hari untuk kedelai budidaya dan jagung, dan 22 hari untuk G. Tomentella,
sementara perlakuan paraquat diberikan dengan penyemprotan pada daun tanaman
dosis 90 g ai/ha. Pengamatan dilakukan pada Kadar Air Media (KAM), Kadar Air
Relatif (KAR), tinggi tajuk, panjang akar, bobot tajuk, bobot akar, laju fotosintesis
(Pn), laju transpirasi (E), malondialdehid (MDA), aktivitas enzim antioksidan,
asam askorbat (ASA) dan kandungan prolin daun.
Perlakuan cekaman kekeringan mengakibatkan penurunan KAM dan KAR
tanaman. Walaupun tidak mempengaruhi tinggi tajuk dan panjang akar, pada
umumnya cekaman kekeringan akan mengakibatkan penurunan bobot kering
tanaman dan produksi biji. Selain itu perlakuan kekeringan mengakibatkan
penurunan Pn dan E, dan peningkatan kandungan MDA pada semua tanaman.
Namun kandungan MDA jagung tidak menunjukkan peningkatan berarti dengan
semakin lamanya kekeringan. Aktivitas enzim antioksidan umumnya meningkat
sampai 10 hari setelah perlakuan (HSP) kekeringan, dan kemudian menurun
ketika KAR daun mengalami penurunan dibawah 50% (12 HSP kekeringan).
Kandungan ASA daun terjadi peningkatan sampai hari ke-10 (Tidar) dan hari ke12 (Panderman dan jagung), namun tidak terjadi peningkatan ASA pada G.
Tomentella dan Burangrang. Adapun kandungan prolin kedelai meningkat tajam
ketika tanaman mengalami stres berat (12 HSP kekeringan). Namun pada jagung
tidak terjadi peningkatan yang berarti sampai hari terakir perlakuan kekeringan.
Pada perlakuan herbisida paraquat, tanaman juga mengalami penurunan
KAR, E, dan Pn, dan peningkatan kandungan MDA serta aktivitas enzim
antioksidan. Berbeda halnya dengan cekaman kekeringan, perlakuan PQ tidak
menyebabkan peningkatan kandungan ASA daun yang berarti pada semua
tanaman. Begitu juga dengan kandungan prolin, perlakuan PQ tidak
mengakibatkan kenaikan kandungan prolin daun. Hal ini mengindikasikan bahwa
prolin mungkin merupakan senyawa yang spesifik terhadap stres kekeringan dan
bukan senyawa yang spesifik untuk stres oksidatif.
ii
ABSTRACT
VIOLITA. Comparison of physiological response of soybean to drought and
paraquat application. Under the direction of HAMIM and SOEKISMAN
TJITROSEMITO.
Physiological responses of plant to drought and paraquat herbicide (PQ)
application were observed on 3 cultivated soybeans (Glycine max L.), wild
soybean (G. tomentella) and maize. Plants were grown in 8 kg pot containing soil
and sand (1:1, v/v) in the greenhouse. Drought stress was provided by
withholding water for 12 days for cultivated soybean and maize, and 22 days for
G. tomentella, while PQ was applied by once spray using 90 g ai/ha. Observation
was carried out by measuring media water content (MWC), plant growth, dry
weight, relative water content (RWC), photosynthesis (Pn), transpiration (E),
malondyaldehid (MDA) antioxidant enzymes activity, ascorbic acid (ASA) and
prolin content.
Drought stress caused decrease of MWC and RWC, but generally did not
influence plant growth. Meanwhile drought stress caused decrease of plant dry
weight and seed production. Reduction of RWC due to drought caused decrease of
Pn, E, and increase of MDA content of all the plants. However, MDA content of
maize did not significantly increase due to drought. Antioxidant enzyme activities
generally increased in response to drought until 10 days of the treatment, and
then decreased when leaf RWC dropped below 50% (12 days after drought
stressed). ASA as an antioksidant, generally increase until 10 days after drought
treatment (Tidar) and 12 days after drought treatment (Panderman and maize),
but it was not significantly different to Burangrang and G. tomentella. In soybean
prolin content increased dramatically when the drought was getting severe. On
the other hand, it was not increased significantly on maize.
In accordance to drought stressed, PQ treatment also caused decrease of
leaf RWC, E, and Pn, while it coused increase of MDA content and antioxidant
enzyme activities. There was no effect of PQ on ASA content for all the plant.
Paraquat did not also affect prolin content which is indication that prolin might
be a specific substance to drought stressed, not to oxidative stress.
iii
©Hak cipta milik IPB tahun 2007
Hak cipta dilindungi undag-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber.
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu
masalah.
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
iv
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa tesis yang berjudul
Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang Mendapat Cekaman
Kekeringan dan Perlakuan Herbisida Paraquat, adalah hasil karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun
kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip
dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
tesis.
Bogor, Agustus 2007
Violita
G 351050021
v
KOMPARASI RESPON FISIOLOGI TANAMAN KEDELAI
YANG MENDAPAT CEKAMAN KEKERINGAN DAN
PERLAKUAN HERBISIDA PARAQUAT
VIOLITA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Departemen Biologi
SEKOLAH PASCA SARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2007
vi
Judul Tesis
Nama
NRP
: Komparasi Respon Fisiologi Tanaman Kedelai yang
Mendapat Cekaman Kekeringan dan Perlakuan Herbisida
Paraquat
: Violita
: G 351050021
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Hamim, M.Si.
Ketua
Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc.
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biologi
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Dr. Ir. Dedy Duryadi, DEA.
Prof. Dr. Ir.Khairil Anwar Notodiputro, MS
Tanggal ujian: 23 Agustus 2007
Tanggal lulus:
vii
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas limpahan
belas kasih, kemudahan dan petunjuk-Nya semata, penulis dapat menyelesaikan
Tesis ini. Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister
Sains pada Program Studi Biologi Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor.
Terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Ir. Hamim, M.Si dan
Bapak Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc selaku dosen pembimbing atas
bimbingan dan arahan yang diberikan. Penghargaan penulis sampaikan kepada Dr.
Ir. Dedy Duryadi, DEA selaku ketua Program Studi Biologi, Sekolah Pasca
Sarjana (SPS) IPB, Dr. Ir. Munif Ghulamahdi, MS selaku penguji dari
Departemen Agronomi dan Hortikultura. Terima kasih kepada Departemen
Geofisika dan Meteorologi IPB atas bantuannya dalam penggunaan alat
fotosintesis. Terima kasih juga kepada kepala Laboratorium Mikrobiologi
Lingkungan LIPI atas arahannya dalam analisis enzim, dan juga kepada Pusat
penelitian Sumber daya Hayati dan Bioteknologi IPB.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Papa, Mama, Mak etek,
Uni, @dek, Da Pong atas do’a, kasih sayang dan pengertiannya. Selain itu penulis
juga mengucapkan terima kasih pada Adisti, Jovany, Bu Dewi, Ina, Ninda, Ela,
Rina, Rina 39, atas diskusi dan sarannya dan juga pada Hasep dan Yusi atas
bantuannya serta kepada teman-teman di Program Studi Biologi SPS IPB. Penulis
juga mengucapkan terima kasih pada Mba Een, Mba Agustina atas saran dan
nasehatnya. Ucapan terima kasih pada semua pihak yang telah membantu
sehingga dapat terselesaikannya tesis ini.
Sebagai penutup, penulis mengharapkan semoga karya ilmiah ini
bermanfaat.
Bogor, Agustus 2007
Violita
viii
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Payakumbuh pada tanggal 04 Juli 1981 dari ayah
Azwin, S.Sos dan ibu Hildarnis. Penulis merupakan puteri kedua dari tiga
bersaudara. Pendidikan sarjana ditempuh di Program Studi Biologi Universitas
Andalas Padang, lulus pada tahun 2003 dengan predikat ”dengan pujian”. Pada
tahun 2005 penulis diterima sebagai mahasiswa Pasca Sarjana Program Studi
Biologi IPB.
ix
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL............................................................................................
xi
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................
xiii
PENDAHULUAN
Latar Belakang ....................................................................................
Tujuan ................................................................................................
Hipotesis ............................................................................................
1
4
4
TINJAUAN PUSTAKA
Peranan Air bagi Pertumbuhan Tanaman ............................................
Cekaman Kekeringan pada Tanaman...................................................
Efek Kekeringan terhadap Fotosintesis................................................
Cekaman Oksidatif...............................................................................
Penyelamatan dari ROS ......................................................................
Penghambatan Fotosintesis oleh Herbisida..........................................
5
6
7
9
11
14
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat ...............................................................................
Bahan dan Alat.....................................................................................
Rancangan Percobaan ..........................................................................
Pelaksanaan .........................................................................................
16
16
16
17
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kandungan Air Media (KAM).............................................................
Kandungan Air Relatif (KAR) .............................................................
Pertumbuhan Tanaman.........................................................................
Produksi Tanaman................................................................................
Morfologi Daun Tanaman yang Mendapat Perlakuan Hebisida Paraquat
Laju Transpirasi ...................................................................................
Laju Fotosintesis ..................................................................................
Peroksidasi Lipid..................................................................................
Aktivitas Enzim Antioksidan ...............................................................
Kandungan Asam Askorbat (ASA)......................................................
Kandungan Prolin ................................................................................
23
25
28
32
33
35
37
42
45
54
57
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan .........................................................................................
Saran ...................................................................................................
60
60
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................
61
LAMPIRAN.....................................................................................................
67
x
DAFTAR TABEL
Teks
Halaman
1. Rasio bobot akar/bobot tajuk pada tanaman kedelai dan jagung
setelah 12 hari perlakuan kekeringan ..........................................................
31
Lampiran
Halaman
1. Bahan-bahan pengukuran fotosintesis, analisis enzim antioksidan,
asam askorbat dan prolin...........................................................................
68
2. ANOVA dari pertumbuhan tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
69
3. ANOVA dari produksi tanaman pada perlakuan cekaman kekeringan.....
71
4. ANOVA dari Kadar Air Media (KAM) pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
72
5. ANOVA dari Kadar Air Relatif (KAR) tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ..................................................................................
74
6. ANOVA dari laju transpirasi tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
76
7. ANOVA dari laju fotosintesis tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
78
8. ANOVA dari peroksidasi lipid tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
80
9. ANOVA dari aktivitas glutation reduktase tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ..................................................................................
82
10. ANOVA dari aktivitas supeoksida dismutase tanaman pada
perlakuan cekaman kekeringan .................................................................
84
11. ANOVA dari aktivitas askorbat peroksidase tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ..................................................................................
86
12. ANOVA dari kandungan asam askorbat tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ..................................................................................
88
13. ANOVA dari kandungan prolin tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan .................................................................................................
90
xi
14. ANOVA dari laju transpirasi tanaman pada perlakuan herbisida
paraquat .....................................................................................................
92
15. ANOVA dari laju fotosintesis tanaman pada perlakuan herbisida
paraquat. ....................................................................................................
93
16. ANOVA dari laju peroksidasi lipid tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat......................................................................................
95
17. ANOVA dari aktivitas glutation reduktase tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat......................................................................................
96
18. ANOVA dari aktivitas superoksida dismutase tanaman pada
perlakuan herbisida paraquat.....................................................................
98
19. ANOVA dari aktivitas askorbat peroksidase tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat......................................................................................
99
20. ANOVA dari kandungan asam askorbat tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat...................................................................................... 101
21. ANOVA dari kandungan prolin tanaman pada perlakuan herbisida
paraquat ..................................................................................................... 102
xii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
22. Mekanisme pembentukan ROS ...............................................................
10
23. Produksi ROS pada transport elektron fotosintesis pada kondisi
cahaya tinggi..............................................................................................
11
24. Metabolisme redok asam askorbat ............................................................
12
25. Siklus askorbat-glutation .........................................................................
13
26. Skema penghambatan transport elektron fotosintesis oleh herbisida
paraquat dan DCMU .................................................................................
14
27. Struktur kimia paraquat .............................................................................
15
28. Kandungan Air Media (%) pada 0 sampai 12 HSP kekeringan dan
recovery .....................................................................................................
24
29. Kandungan air relatif (%) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
26
30. Kandungan air relatif (%) daun dari 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP
herbisida paraquat......................................................................................
27
31. Tinggi tajuk (a) dan panjang akar (b) 12 HSP kekeringan ........................
29
32. Bobot kering tajuk (a) dan bobot kering akar (b) 12 HSP kekeringan ......
31
33. Jumlah biji per tanaman pada perlakuan kontrol dan kekeringan .............
32
34. Bobot kering biji per tanaman pada perlakuan kontrol dan kekeringan....
32
35. Daun jagung (kiri) dan kedelai (kanan) 1 HSP herbisida paraquat ...........
34
36. Laju transpirasi (E) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
35
37. Laju transpirasi (E) dari 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
37
38. Laju fotosintesis (Pn) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
38
39. Laju fotosintesis (Pn) pada 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP paraquat ........
41
xiii
40. Kandungan MDA kedelai dan jagung 0, sampai 12 HSP kekeringan
dan recovery ..............................................................................................
43
41. Kandungan MDA kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP
herbisida paraquat......................................................................................
44
42. Aktivitas GR kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP kekeringan
dan recovery ..............................................................................................
46
43. Aktivitas GR kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
48
44. Aktivitas SOD kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
49
45. Aktivitas SOD kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
51
46. Aktivitas APX kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
52
47. Aktivitas APX kedelai dan jagung pada 0, 1, 3, dan 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
53
48. Kandungan ASA daun kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
54
49. Kandungan ASA daun kedelai dan jagung pada 0, 1, 3, dan 5 HSP
herbisida paraquat.....................................................................................
56
50. Konsentrasi prolin kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ...........................................................................
57
51. Konsentrasi prolin kedelai dan jagung 0, 1, 3, dan 5 HSP herbisida
paraquat .....................................................................................................
59
xiv
xv
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Munif Ghulamahdi, MS.
xvi
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kedelai (Glycine max (L.) Merr.) merupakan tanaman kacang-kacangan
yang digunakan sebagai bahan baku makanan tradisional seperti tempe, tahu dan
kecap yang menjadi sumber protein nabati utama bagi sebagian besar penduduk
Indonesia. Namun produktifitas kedelai nasional relatif rendah, yaitu hanya 1,2
ton/ha jika dibandingkan dengan produktifitas Cina yang sebesar 1,7 ton/ha dan
Amerika Serikat yang sebesar 2,5 ton/ha (Agroindonesia 2001). Jumlah penduduk
Indonesia yang sebesar 216 juta jiwa saat ini membutuhkan kedelai sekurangkurangnya 3,0 juta ton per tahun, sementara itu produktifitas kedelai di Indonesia
semakin menurun. Sejak tahun 2000, kondisi tersebut semakin parah, dimana
impor kedelai semakin besar, yaitu sekitar 70% dari kebutuhan kedelai penduduk
Indonesia (Hutapea dan Zum 2004).
Kendala utama dalam peningkatan produksi kedelai di lapangan salah
satunya adalah kondisi cekaman kekeringan (Darman 2000). Kondisi ini semakin
sulit karena Indonesia memiliki lahan kering yang cukup luas dibandingkan
dengan lahan yang berpengairan. Faktor kekeringan diketahui merupakan faktor
lingkungan utama yang akan menghambat pertumbuhan tanaman dan menurunkan
produksi.
Purwanto (2003) telah melakukan penelitian tentang aktivitas fotosintesis
kedelai akibat cekaman kekeringan. Pada penelitian tersebut didapatkan bahwa (1)
fotosintesis, transpirasi dan daya hantar stomata menurun dengan semakin
lamanya perlakuan kekeringan dan (2) tanaman dalam kondisi cekaman
kekeringan memiliki luas daun dan rasio berat daun yang lebih rendah dibanding
dengan yang tidak mengalami cekaman.
Jusuf et al. (1993) telah melakukan penelitian tentang aspek toleransi
tanaman kedelai terhadap cekaman kekeringan dengan mengevaluasi 750 plasma
nutfah. Berdasarkan penelitian tersebut diperoleh 20 genotipe toleran, yang
dilanjutkan dengan identifikasi morfologi dan fisiologi oleh Hamim (1995) dan
Sopandie et al. (1996). Melalui identifikasi tersebut diketahui bahwa tanaman
kedelai pada kondisi cekaman kekeringan mengalami penurunan potensial
osmotik dan peningkatan akumulasi prolin. Galur-galur tersebut merupakan
1
materi yang baik untuk mempelajari mekanisme adaptasi tanaman terhadap
cekaman kekeringan.
Hamim (2004) menyatakan bahwa pada tahap awal, kekeringan
menyebabkan berkurangnya pembukaan stomata untuk meminimalisir kehilangan
air di bawah kondisi cahaya berlebihan. Peristiwa ini mengakibatkan terjadinya
penurunan konsentrasi CO2 intrasel, sehingga tanaman mengalami overreduksi
pada transfer elektron fotosintesis (Berkowitz 1998). Overreduksi ini terjadi
karena pembentukan NADPH pada reaksi terang tidak diimbangi oleh pemakaian
NADPH pada reaksi gelap karena penurunan konsentrasi CO2 intrasel. Hal ini
mengakibatkan terbentuknya reactive oxygen species (ROS) yang diawali dengan
pengikatan elektron pada transpor elektron fotosintesis oleh oksigen. Proses
selanjutnya akan terbentuk berbagai bentuk senyawa ROS seperti; superoksida
(O2-), singlet oksigen (·O2), radikal hidroksil (OH) dan hidrogen peroksida (H2O2)
(Mckersie and Leshem, 1994). Senyawa ROS ini akan dapat menimbulkan
kerusakan pada tanaman (Aroca et al. 2001). Jika hal ini dibiarkan, maka lama
kelamaan tanaman akan mati (Apel and Hirt 2004).
Disisi lain ROS juga dapat diinduksi pada tanaman dengan adanya
senyawa herbisida, yang salah satunya adalah herbisida paraquat. Herbisida
paraquat ini akan dapat mengambil elektron pada transfer elektron fotosintesis
pada pusat reaksi fotosistem I. Herbisida paraquat memiliki afinitas tinggi
terhadap elektron, sehingga dengan mudah akan mengikat elektron fotosintesis.
Pada keadaan ini paraquat menjadi tidak stabil dan segera melepaskan elektron
tersebut. Elektron ini akan langsung diikat oleh oksigen sehingga terbentuk
superoksida (salah satu bentuk ROS) (McKersie and Leshem 1994; Reade and
Cobb 2002).
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Gossett et al. (1996)
diperoleh bahwa pemberian paraquat dapat menghambat pertumbuhan tanaman
kapas (Gossypium hirsutum L.). Taylor et al. (2002) juga menyatakan bahwa
perlakuan paraquat dan stres air pada biji kacang kapri (Pisum sativum L.) dapat
menginduksi terbentuknya peroksidasi lipid yang akan menghambat kemampuan
mitokondria dalam mengoksidasi glysin. Belum diketahui secara jelas apakah
2
kerusakan yang ditimbulkan oleh ROS akibat cekaman kekeringan sama dengan
yang ditimbulkan oleh herbisida paraquat.
Pada kenyataannya, tanaman memiliki mekanisme tertentu untuk
mempertahankan diri dari kerusakan ketika terjadi akumulasi ROS diantaranya
melalui mekanisme enzimatik (enzim antioksidan) dan non-enzimatik (senyawa
antioksidan). Enzim dan senyawa antioksidan ini akan menghambat pembentukan
ROS baik pada kondisi cekaman kekeringan (Apel and Hirt 2004) maupun pada
tanaman yang terkena herbisida paraquat (McKersie dan Leshem 1994).
Walaupun demikian masih sedikit informasi yang diperoleh terkait dengan
perubahan fisiologi tanaman yang terkena cekaman kekeringan dan herbisida
paraquat. Keduanya sama-sama mempengaruhi metabolisme tanaman terutama
pada transpor elektron fotosintesis dan dapat menginduksi stres oksidatif.
Berdasarkan hal tersebut diperlukan informasi yang cukup tentang
komparasi respon fisiologi tanaman kedelai yang mendapat cekaman kekeringan
dan perlakuan herbisida paraquat. Hal ini juga diharapkan dapat memberikan
informasi tambahan tentang usaha pemuliaan tanaman pada lahan kering di
Indonesia.
3
Tujuan
1. Melihat respon fotosintesis dan transpirasi kedelai selama perlakuan
cekaman kekeringan dan setelah mendapat perlakuan herbisida paraquat.
2. Membandingkan tingkat akumulasi malonialdehid sebagai indikator
terbentuknya ROS pada tanaman yang mendapat cekaman kekeringan dan
tanaman yang mendapat perlakuan paraquat.
3. Mengamati
aktivitas
enzim
antioksidan
dan
akumulasi
senyawa
antioksidan pada tanaman yang mendapat cekaman kekeringan dan
perlakuan paraquat.
4. Mengamati akumulasi prolin pada tanaman yang mendapat cekaman
kekeringan dan perlakuan paraquat.
Hipotesa
1. Terdapat perbedaan respon laju fotosintesis dan laju transpirasi pada
perlakuan cekaman kekeringan dan pelakuan paraquat.
2. Perlakuan cekaman kekeringan dan perlakuan herbisida paraquat
memberikan pengaruh yang sama dalam menginduksi senyawa ROS.
3. Perkembangan tingkat antioksidan dan aktivitas enzim akan mengalami
peningkatan akibat cekaman kekeringan dan perlakuan paraquat.
4. Terdapat perbedaan akumulasi prolin pada tanaman yang mendapat
cekaman kekeringan dan pemberian herbisida paraquat.
4
TINJAUAN PUSTAKA
Peranan Air bagi Pertumbuhan Tanaman
Air merupakan komponen utama tanaman, yaitu membentuk 80-90 %
bobot segar jaringan yang sedang tumbuh aktif. Air sebagai komponen esensial
tanaman memiliki peranan antara lain: (a) sebagai pelarut, di dalamnya terdapat
gas, garam, dan zat terlarut lainnya, yang bergerak keluar masuk sel, (b) sebagai
pereaksi dalam fotosintesis dan pada berbagai proses hidrolisis, (c) air esensial
untuk menjaga turgiditas diantaranya dalam pembesaran sel, pembukaan stomata
dan menyangga bentuk daun-daun muda atau struktur lainnya (Levitt 1980).
Pada keadaan normal tanaman membutuhkan keseimbangan potensial air
antara tanah-akar-daun-atmosfer. Keseimbangan ini berarti gradien potensial air
antara bagian-bagian tersebut yang memungkinkan tanaman untuk melakukan
transpor air dan hara dari akar ke daun. Air akan mengalir dari potensial air tinggi
ke potensial air rendah, sehingga potensial air di tanah haruslah lebih tinggi
dibandingkan dengan potensial air di akar, daun dan atmosfer yang dipengaruhi
oleh proses transpirasi (Taiz and Zeiger 2002).
Proses transpirasi di daun terutama terjadi pada siang hari. Transpirasi
dipengaruhi oleh cahaya matahari. Ketika terjadi proses transpirasi pada tanaman,
maka tekanan turgor akan mengalami penurunan. Penurunan ini menyebabkan
potensial air di daun lebih rendah dari pada di akar, sehingga akan mempermudah
aliran air di xylem dari akar sampai ke daun. Peningkatan aliran air ini dibutuhkan
untuk pertumbuhan sel tanaman. Aliran air ke sel akan mengakibatkan perbesaran
dan pemanjangan sel, sehingga sel dapat tumbuh (Kramer and Boyer 1995).
Pada kondisi lingkungan tertentu tanaman dapat mengalami defisit air.
Defisit air berarti terjadi penurunan gradien potensial air antara tanah-akar-daunatmosfer, sehingga laju transpor air dan hara menurun (Taiz and Zeiger 2002).
Penurunan ini akan mengakibatkan gangguan pada pertumbuhan tanaman,
terutama pada jaringan yang sedang tumbuh (Kramer and Boyer 1995). Hal ini
biasanya terjadi pada tanah yang kekurangan air, sehingga gradien potensial air di
tanah dan akar menurun. Itulah sebabnya tanaman yang tumbuh pada tanah yang
kering mengalami hambatan pertumbuhan.
5
Cekaman Kekeringan pada Tanaman
Cekaman kekeringan akan mengakibatkan rendahnya laju penyerapan air
oleh akar tanaman. Ketidakseimbangan antara penyerapan air oleh akar dan
kehilangan air akibat transpirasi membuat tanaman menjadi layu. Cekaman
kekeringan atau “drought stress” dapat terjadi karena beberapa hal yaitu: (1)
tingginya kecepatan evaporasi yang melebihi persediaan air dari tanah ke akar
yang akan mengakibatkan penurunan potensial air, (2) adanya senyawa yang
bersifat osmotik, seperti pada tanah garam, yang dapat menurunkan pengambilan
air sehingga terjadi penurunan potensial osmosis dan tidak cukupnya pengambilan
air oleh tanaman yang diserap dari tanah (Borges 2003).
Tanaman yang berada pada kondisi cekaman kekeringan akan memberikan
respon tertentu baik secara morfologis, anatomis maupun fisiologis. Pada keadaan
cekaman kekeringan tersebut terdapat dua mekanisme utama yang mungkin
terjadi pada tanaman, yaitu: (a) tanaman berusaha menghindari cekaman, baik
dengan cara melakukan perubahan struktur morfologi dan anatomi, maupun
dengan meningkatkan efisiensi penggunaaan air dengan cara mengatur laju
transpirasi, dan (b) meningkatkan toleransi terhadap cekaman kekeringan melalui
perubahan kimia sel, baik dalam bentuk peningkatan akumulasi senyawa terlarut
yang berperan sebagai pengatur tekanan osmotik sel (osmotic adjustment), dengan
mengakumulasi senyawa kimia seperti; prolin dan gula (Meyer dan Boyer 1981).
Cekaman
kekeringan
dapat
menghambat
pertumbuhan
tanaman.
Penghambatan pertumbuhan ini salah satunya dapat dilihat pada perluasan daun.
Penurunan luas daun merupakan respon pertama tanaman terhadap kekeringan.
Keterbatasan air akan menghambat pemanjangan sel yang secara perlahan akan
menghambat pertumbuhan luas daun. Kecilnya luas daun mengakibatkan
rendahnya transpirasi, sehingga menurunkan laju suplai air dari akar ke daun. Jika
kondisi ini dibiarkan terus menerus, lama kelamaan akan terjadi absisi daun (Taiz
and Zeiger 2002). Luas daun pada tanaman sangatlah penting karena proses
fotosintesis terjadi di kloroplas daun, dan fotosintesis merupakan salah satu faktor
yang mempengaruhi proses pertumbuhan tanaman.
6
Efek Kekeringan terhadap Fotosintesis
Penurunan potensial air tanaman pada kondisi kekeringan menyebabkan
terjadinya penurunan laju fotosintesis. Hal ini terjadi karena adanya hambatan
yang ditimbulkan oleh penutupan stomata (stomatal limitation) maupun hambatan
akibat penurunan proses biokimia dalam tumbuhan (non-stomatal limitation)
(Kalefetoglu dan Ekmekci 2005).
Hambatan stomata
Pada kondisi cekaman kekeringan ringan (moderat) tanaman akan segera
mengurangi pembukaan stomata. Penurunan pembukaan stomata ini dilakukan
untuk meminimalisir kehilangan air yang berlebihan. Dengan terjadinya
penurunan pembukaan stomata, maka konsentrasi CO2 daun akan menurun
sehingga dengan sendirinya proses fotosintesis juga akan menurun (Flexas and
Medrano 2002).
Comstock (2002) menambahkan bahwa pengaturan konduktan stomata
berkaitan dengan signal hidrolik (hydraulic signaling) dan signal kimia
(chemichal signaling). Ketika tumbuhan mengalami kondisi cekaman kekeringan,
terjadi perubahan potensial air pada tanaman. Pada keadaan ini terjadi penurunan
gradien potensial air antara akar dan tanah, sehingga laju penyerapan air oleh akar
menurun. Penurunan laju penyerapan air ini dan ditambah dengan peningkatan
transpirasi akibat radiasi matahari membuat tanaman mengalami kekurangan air
(Levitt 1980). Gradien potensial air akan menimbulkan hydraulic signaling
terhadap konduktansi stomata sebagai respon tanaman terhadap cekaman
kekeringan sehingga stomata menutup (Comstock 2002).
Chemical signalling berkaitan dengan terjadinya peningkatan konsentrasi
asam absisat (ABA) pada akar tumbuhan. Ketika cekaman kekeringan terdapat
bukti bahwa terjadi peningkatan sintesis ABA pada akar tanaman sebagai respon
terhadap keadaan defisit air tanah. Peningkatan ABA ini terkait dengan status air
akar tanaman. Proses selanjutnya ABA akan ditranspor melalui xylem terus ke
daun. Selain di akar, tanaman juga mensintesis ABA di daun, sehingga terjadi
peningkatan ABA di daun (Srivastava 2002). Pada kondisi ini protein channel Kout
di sel penjaga daun akan diaktifkan oleh keberadaan ABA dan protein chanel Kin
7
akan dihambat oleh ABA, sehingga banyak ion K+ yang keluar dari sel penjaga.
Kondisi ini akan menurunkan potensial osmotik sel penjaga sehingga stomata
menutup (Roberts dan Snowman 2000). Proses pensignalan oleh ABA dari akar
ke daun ini dikenal dengan istilah long-distance chemichal signaling (Comstock
2002).
Kehilangan ion ataupun larutan pada sel penjaga dapat disebabkan oleh
penurunan kandungan air daun, dan ABA memegang peranan penting dalam
proses ini. ABA disintesis secara lambat terus menerus di sel mesofil dan
terakumulasi di kloroplas. Ketika mesofil terdehidrasi, maka ada dua hal yang
akan terjadi yaitu:
1. Beberapa ABA yang disimpan di kloroplas akan dilepas ke apoplas
(permukaan dinding sel) sel mesofil. Redistribusi ABA ini bergantung
kepada gradien pH pada daun, keasaman properti molekul ABA dan
permeabilitas membran sel. Redistribusi ABA memungkinkan aliran
transpirasi untuk membawa beberapa ABA ke sel penjaga.
2. ABA disintesis dengan kecepatan tinggi di akar mengakibatkan lebih
banyak ABA yang diakumulasi pada apoplas
daun (Taiz and Zeiger
2002).
Menurut Lizana et al. (2006), ABA telah diketahui menjadi faktor yang
mengatur konduktansi stomata. Hasil penelitian pada dua varietas Phaseolus
vulgaris (Arroz and Orfeo) diperoleh bahwa peningkatan konsentrasi ABA seiring
dengan penurunan konduktan stomata dengan semakin lamanya kondisi
kekeringan.
Hambatan non-stomata
Hambatan non-stomata berkaitan dengan proses metabolik yaitu pada
proses transpor elektron fotosintesis. Jika kondisi kekeringan terus terjadi maka
tanaman akan mengalami penurunan proses metabolik, karena berkurangnya
difusi CO2 ke kloroplas (Chaves and Oliveira 2004) yang nantinya akan mengarah
kepada penurunan kandungan ribulosa 1,5-biphosphat (RuBP) pada proses
fotosintesis (Flexas and Medrano 2002). Vu et al. (1987) menambahkan bahwa
8
peningkatan stres kekeringan pada kedelai akan menurunkan total aktivitas
rubisko.
Cekaman
kekeringan
akan
menginduksi
terjadinya
fotoinhibisi,
selanjutnya akan menurunkan kandungan protein D1 pada fotosistem II (PS II)
(Pastenes et al. 2004). PS II sebagai sistem penangkap cahaya (light harvesting
system) memiliki dua fungsi esensial yaitu: (1) menangkap cahaya pada proses
fotosintesis, (2) melepas energi tereksitasi apabila terjadi kelebihan energi.
Berdasarkan hal tersebut, maka PS II akan merespon signal eksternal dari
lingkungan. Hal ini berkaitan dengan peningkatan trans-membran tilakoid ΔpH.
Peningkatan trans-membran tilakoid ΔpH ini berfungsi sebagai kontrol balik
terhadap kelebihan transpor elektron fotosintesis. Proses ini dikenal dengan nonphotochemical quenching (NPQ) yang bergantung pada siklus xanthophyll dan
protein PsbS pada fotosistem (Horton and Ruban 2004), sebagai mekanisme
pertahanan tanaman terhadap fotoinhibisi (Taiz and Zeiger 2002).
Cekaman Oksidatif
Perubahan lingkungan yang tidak menguntungkan termasuk kekeringan
pada tanaman, dapat menyebabkan terbentuknya senyawa oksidatif. Jika kondisi
ini dibiarkan, tanaman akan mengalami stres oksidatif. Pembentukan senyawa
oksidatif pada tanaman diawali dengan reduksi oksigen pada membran sel
kloroplas membentuk superoksida (O2-). Jika hal itu terjadi akan terbentuk
reactive oxygen species (ROS) yang meliputi molekul-molekul seperti:
superoksida (O2-), singlet oxygen (.O2), radikal hidroksil (OH) dan hydrogen
peroksida (H2O2) (Blokhina et al. 2003). Radikal bebas merupakan molekul yang
sangat reaktif sekali, karena memiliki elektron yang tidak berpasangan dan
merupakan molekul yang dapat mengakibatkan kerusakan pada membran
(Mckersie and Leshem 1994). Contoh reaksi tersebut adalah:
2 O2
+
Molekul
2 Fdred
O2-
2 O2- +
2 Fdox
yang reaktif akan berusaha melepaskan elektron bebasnya dan
bereaksi dengan H+ membentuk H2O2 (1). Proses selanjutnya hidrogen peroksida
dan superoksida bereaksi membentuk molekul yang sangat reaktif yaitu radikal
hidroksil (2). Selain itu radikal hidroksil bisa dibentuk dengan keberadaan ion besi
9
melalui reaksi fenton (3). Keberadaan besi atau ion metal lainnya dapat
meningkatkan kerusakan oksidatif (Mckersie and Leshem 1994). Berikut ini
adalah skema pembentukan radikal bebas:
O2O23+
Fe
+
O2- +
+
H2 O 2
+
-
Fe2+ +
O2
H 2 O2
H+
H2O2 + O2
O2
2+
Fe
+
OH
.
+
(1)
OH
-
(2)
+ O2
OH. + OH
+ Fe3+
(3)
Secara keseluruhan, reaksi pembentukan ROS dapat dilihat sebagai berikut:
Gambar 1 Mekanisme pembentukan ROS (Apel and Hirt 2004)
Menurut Mckersie and Leshem (1994) ada beberapa peluang terjadinya
pembentukan ROS pada proses fotosintesis
1. Pada PS I dapat terjadi reduksi oksigen melalui reaksi mehler. Reduksi
oksigen ini terjadi pada transport elektron feredoksin, reduksi ini terjadi
ketika NADP+ terbatas yang salah satunya disebabkan oleh berkurangnya
penggunaan NADPH untu