Rabu, 06 Februari 2019

MENGENAL KARRIKINS

MENGENAL “ KARRIKINS”  ZAT PENGATUR TUMBUH BERBASIS ASAP
OLEH IMAS AISYAH SP., M.Si
(FUNGSIONAL UMUM P4TK PERTANIAN CIANJUR)

Zat pengatur tumbuh adalah senyawa organik yang diproduksi secara alami di dalam tumbuhan, dan pada konsentrasi rendah  memiliki peran penting dalam mengontrol proses biologi dalam jaringan tanaman.  Zat pengatur tumbuh juga dikenal dengan sebutan fitohormon, yang berperan sebagai pembawa pesan kimia yang mengontrol siklus hidup dan kegiatan fisiologis seperti perkecambahan, regulasi pertumbuhan dan perkembangan tanaman seperti pembentukan batang, daun, tunas, buah, pengembangan dan pemtangan buah, perkembangan akar, pemanjangan akar rambut dan pembentukan akar lateral, dan lain-lain (Davies, 1995; Gaba, 2005).  Ada 5 jenis ZPT yang diproduksi secara alami oleh tumbuhan yang sudah dikenal khalayak yaitu: auksin, sitokinin, etilen, giberelin, dan asam absisat (ABA).  Selain itu, ada juga fitohormon dari kelas butenolide yang dilepaskan oleh akar tanaman sebagai adaptasi tanaman pada saat tanaman mengalami stress dari lingkungan, salah satunya adalah Strigolactone (Koltai & Kapulnik 2011).   Strigolactones adalah kelompok sesquiterpen lakton yaitu sejenis metabolit sekunder yang dilepaskan oleh akar tanaman pada saat kondisi stres biotik dan abiotik.  Sesquiterpen lakton yang dilepaskan oleh akar tanaman dari kelompok Asteraceae dilaporkan memiliki efek biologis yang menguntungkan bagi pertumbuhan dan perkembangan tanaman (Chadwick et al. 2013).  Strigolactone sendiri adalah fitohormon yang memiliki efek positif pada pengembangan akar, yaitu terhadap pemanjangan akar rambut dan pembentukan akar lateral (Koltai 2011).  Strigolactone juga diduga menjadi regulator kunci dari respon adaptif tanaman terhadap fosfat rendah dengan  memodulasi keseimbangan antara auksin dan etilen signaling yang bertanggung jawab atas perkembangan akar (Koltai 2013).  Dalam tulisan ini penulis akan menginformasikan satu jenis ZPT yang mungkin belum dikenal oleh khalayak secara luas, baik namanya, peran, dan mekanisme kerjanya dalam mengatur pertumbuhan tanaman. 
Ada yang berpendapat karrikins bukanlah fitohormon kerena tidak dproduksi oleh tumbuhan, pendapat ini ada benarnya, karena karrikins  hanya ditemukan di dalam asap hasil pembakaran kayu.  Namun, senyawa karrikins (3-methyl-2H-furo[2,3-c]pyran-2-one) memiliki kemiripan struktur dan kemiripan efek fisiologis dengan fitohormon tanaman “strigolactone”, dari kelas butenolide, sehingga karrikin kemudian dimasukkan ke dalam zat pengatur tumbuh baru dari kelas butenolide yang berasal dari asap (Chiwocha et al. 2009).  
Senyawa dalam asap (pada teknik pengasapan langsung) diyakini selain dapat menurunkan kadar air benih hasil panen, juga dapat memperpanjang masa simpan benih atau mengawetkan benih, meminimalkan kerusakan  benih  dari serangan hama  atau patogen benih,  dan dapat meningkatkan perkecambahan benih dan vigor bibit (Paasonen et al. 2003).  Peran asap dalam memecahkan dormansi benih, merangsang perkecambahan beih dan pertumbuhan bibit telah dipelajari sejak tahun 1990, dan baru pada tahun 2004 senyawa aktif di dalam asap yang berperan dalam memecahkan dormansi benih, merangsang perkecambahan benih dan pertumbuhan bibit ditemukan, dan senyawa tersebut adalah “karrikins” (Flematti et al. 2004).  Menurut Flematti et al. (2011), senyawa karrikins berasal dari penguraian termal (pirolisis) karbohidrat seperti selulosaKarrikins dilaporkan dapat meningkatkan pertumbuhan bibit dan vigor bibit pada banyak spesies yaitu sekitar 1200 spesies lebih dari 80 famili (Dixon et al. 2009)Karrikins memiliki rumus kimia C8H6O3, dan strukturnya dapat dilihat pada Gambar 1.

                                                               

Gambar 1.  Struktur karrikins

Menurut Kepczynski &Van Stade (2012) dan Johnson & Ecker (1998), karrikins bekerja sebagai sinyal positif untuk pembentukan ACC (Aminocyclopropane-1-carboxylate) yang menjadi prekursor dalam pembentukan etilen endogen dalam tanaman.  Mekanisme biosintesis etilen dari metionine dapat dilihar pada Gambar 2Biosintesis etilen dari metionin diawali dengan konversi metionin menjadi SAM (S-Adenosylmethionine) yang diaktivasi oleh enzim SAM synthase, selanjutnya konversi SAM menjadi ACC(Aminocyclopropane-1-carboxylate) diaktivasi oleh ACC synthase dan konversi ACC menjadi etilen diaktivasi oleh ACC oxidase (Pratt & Goeschl 1969)

                        


Gambar 2.  Mekanisme biosintesis etilen (Pratt&Goeschl 1969) 
Keterangan:      SAM= S-Adenosylmethionine; ACC=Aminocyclopropane-1-carboxylate

Sebagaimana fitohormon berperan sebagai sinyal yang dapat mengaktifkan gen yang potensial, senyawa karrikins juga berperan sebagai sinyal biologis/prekursor yang dapat mengaktifkan transkripsi keluarga gen IAA (Indole-3-Acetic Acid ), seperti IAA1, IAA5 dan IAA6, yang berperan dalam biosintesis auksin (Waters et al. 2014).  Mekanisme karrikins dalam menginduksi gen auksin (IAA) digambarkan dalam Gambar  3
Dari Gambar 3 dijelaskan bahwa senyawa karrikin juga berperan sebagai sinyal biologis/prekursor yang dapat mengaktifkan transkripsi keluarga gen IAA (Indole-3-Acetic Acid), seperti IAA1, IAA5 dan IAA6, yang berperan dalam biosintesis auksin (Waters et al. 2014).  Mekanisme karrikins dalam menginduksi gen auksin (IAA) digambarkan dalam Gambar  5.  Dari Gambar 5 dijelaskan bahwa sinyal karrikin dapat dikenali oleh protein reseptor yaitu KAI2 (Karrikin Insensitive 2), KAI2 adalah protein α/β-hydrolase yang memiliki aktivitas mengkatalisis hidrolisis atom karbonil dari cincin butenolide dari karrikin, pembukaan cincin butenolide ini akan mempercepat proses tranduksi sinyal karrikin pada tanaman.  KAI2 ini akan berikatan dengan komplek SCF-MAX2 (F-Box), dan kompleks KAI2-SCF-MAX2 (F-Box), akan dikenali dan diikat oleh represor (SMAX1), SMAX1 adalah protein penekan MAX2 (F-Box), sehingga transkripsi gen-gen target tidak terjadi.  Supaya transkripsi gen-gen target terjadi,  maka  SMAX1 ini harus dihancurkan.  SMAX1 ini dihancurkan oleh protein ubiquitin (Ub) yaitu SCF.  SCF mempunyai peran yang sama dengan domain APC (Anaphase-Promoting-Complex), yang dapat mengenali protein target secara spesifik yang akan dihancurkannya.   Setelah protein target (SMAX1) hancur, maka kompleks KAI2-SCF-MAX2 (F-Box), ini kemudian akan aktif bekerja untuk mentrankripsi gen-gen target, salah satunya gen IAA1 dan IAA5, IAA6 yang berperan dalam biosintesis auksin (Indole-3-Acetic Acid), kehadiran auksin ini akan menginduksi gen GA3ox yang berperan dalam biosintesis giberelin, dan giberelin ini bekerja mengatur petumbuhan tanaman, termasuk proses perkecambahan biji, pengembangan bibit, daun dan bunga.  Karrikins juga dilaporkan dapat menginduksi transkripsi gen GA3ox1 dan GA3ox2 yang berperan dalam biosintesis giberelin (GA) (Nelson et al. 2009).

                       

Gambar 3.  Mekanisme karrikin dalam menginduksi gen IAA 
(Waters et al. 2014)

Karrikins juga diduga menjadi sinyal yang menengahi pengaturan cross-talk antar hormonal seluler, sesuai dengan pendapat  Johnson & Ecker (1998) dan Chang & Stadler (2001) melaporkan bahwa karrikin berperan sebagai sinyal yang memicu pembentukan etilen endogen dalam tanaman, dan sinyal etilen dapat memicu pembentukan hormon auksin, selanjutnya sinyal auksin dapat mengaktifkan hormon giberelin, dan giberelin tersebut kemudian akan meregulasi pertumbuhan tanamanInteraksi antar hormon etilen, auksin dan gibberelin dalam meregulasi pertumbuhan tanaman dijelaskan dalam Gambar 4. 

                      


Gambar 4.       Skema integrasi hormon etilen, auksin dan giberelin (GA) dalam meregulasi pertumbuhan tanaman (Archard et a.l 2003)

Dari Gambar 4 dapat dijelaskan bahwa interaksi antar hormon etilen, auksin dan gibberelin dalam meregulasi pertumbuhan tanaman.  Menurut Archard et al. (2003),  sinyal etilen dikenali dan diikat oleh protein reseptor, salah satunya oleh ETR,  pengikatan sinyal etilen oleh ETR ini akan menginaktivasi CTR1 (regulator negatif EIN2 (Ethylen Insensitive 2)), dan  inaktivasi CTR1 ini akan memungkinkan EIN2 (Ethylen Insensitive 2) aktif dan berinteraksi dengan EIN3 (Ethylen Insensitive 3), selanjutnya EIN3 ini akan berikatan dengan ERF1 (Ethylen Responsive Factor 1), selanjutnya kompleks EIN3-ERF1 ini menjadi faktor transkripsi yang akan pergi dan bergerak ke daerah mRNA, yang terdapat di nukleus, kemudian akan duduk berdekatan dengan Cis Acting Element (GCC Box) (AGCCGCC) yang terdapat di daerah promotor, dan kondisi ini akan memediasi transkripsi gen-gen target termasuk gen yang mengatur biosintsis Auksin.  pada saat tidak ada auksin, hormon ABA hadir untuk menekan giberelin dan protein DELLA yang berperan dalam menekan aktivitas giberelin akan mengikat giberelin (GA) sehingga giberelin (GA) menjadi tidak aktifTetapi setelah sinyal auksin hadir, hormon ABA akan ditekan dan GA akan setengah aktif karena masih berikatan dengan protein DELLA, untuk melepaskan ikatan protein DELLA, GA akan berikatan dengan reseptor protein GID1 (GA-INSENSITIVE DWARF 1) melalui ikatan hidrogen, sehingga terbentuk ikatan kompleks GA-GIDI, selanjutnya GA-GIDI ini akan dikenali dan diikat oleh protein SCFSLY1 (Protein SCFSLY1 ini dapat mengenali protein target (protein DELLA) yang akan dihancurkannya  secara spesifik).  Kemudian kompleks GA-GID1-SCFSLY1 ini akan mengenali dan mengikat protein DELLA, dan kemudian menghancurkan protein DELLA, jika protein DELLA terdegradasi, maka GA menjadi aktif dan jika sudah aktif GA akan meregulasi berbagai aspek dari siklus hidup tanaman dan respon pertumbuhan lainnya. 
Semoga tulisan ini bermanfaat dan menambah wawasan bagi siapa saja yang membacanya.  Terimakasih.

DAFTAR PUSTAKA

Archard P, Vriezen HW, Van Der Straeten D, Harberd PN.  2003.  Ethylene Regulates Arabidopsis Development via the Modulation of DELLA Protein Growth Repressor Function.  Plant Cell15(12): 2816-2825.
Chadwick M, Trewin H,  Gawthrop F, Wagstaff C.  2013.  Sesquiterpenoids Lactones: Benefits to Plants and People.  Int J Mol Sci. 14(6): 12780–12805.
Chang C and Stadler R. 2001.  Ethylen hormon receptor action in Arabidopsis.  Bioessay. 23(7): 619-627. 
Chiwocha SDS,  Dixon WK, Flematti RG,  Ghisalberti LE,  Merritt JD, Nelson CD, Riseborough MJ, Smith MS, Stevens CJ.  2009.  Karrikins: a new family of plant growth regulators in smoke. Plant Sci. 177: 252–256.  https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2009.06.007
Davies, P.J. 1995. The plant hormone their nature, occurence and function. In Davies (ed.) Plant Hormone and Their Role in Plant Growth Development. Dordrecht Martinus Nijhoff Publisher
Dixon KW, Merrtit DJ, Flematti GR, Ghisalberti EL. 2009.  Karrikinolide a phytoreactive compound derived from smoke with application in horticulture, ecological restoation and agriculture.  Acta Horti.  813: 155-170.
Flematti RG,  Ghisalberti LE, Dixon WK, Trengove DR.  2004.  A compound from smoke that promotes seed germination.  Science. 305: 977
Flematti RG,  Merritt JD, Piggott JM, Trengove DR, Smith MS, Dixon WK, Ghisalberti LE.  2011.  Burning vegetation produces cyanohydrins that liberate cyanide and promote seed germination.  Nat. Commun. 2: 360.
Gaba, V.P. 2005. Plant Growth Regulator. In R.N. Trigiano and D.J. Gray (eds.) Plant Tissue Culture and Development. CRC Press. London. p. 87-100
Johnson PR, Ecker JR. 1998.  The ethylen gas signal transduction pathway: a molecular perspective.  Annu Rev. Genet. 32: 227-254.
Kepczynski, J., Van Staden, J. 2012.  Interaction of karrikinolide and ethylen in controlling germination of dormant Avea fatua L. Caryopsis.  Plant Growth Regul67:185-190.
Koltai H.  2011.  Strigolactones are regulators of root development.  New Phytol. 3:545-9.
Koltai H, Kapulnik Y.  2011.  Strigolactones as mediators of plant growth responses to environmental conditions. Plant Signal Behav. 6(1):37-41
Koltai H.  2013.  Strigolactones activate different hormonal pathways for regulation of root development in response to phosphate growth conditions.  Ann Bot. 2013 Jul;112(2):409-15. Doi: 10.1093/aob/mcs21
Nelson DCAnne Riseborough J, Flematti GR, Stevens J,  Ghisalberti SJ, Dixon KW, Smith SM. 2009.  Karrikins discovered in smoke trigger Arabidopsis seed germination by a mechanism requiring gibberellic acid synthesis and light. Plant Physiol 149:863–873.
Paasonen, M., Hannukkala, A., Ramo, S., Haapala, H., Hietaniemi, V. (2003). Smoke-a novel application of a traditional means to improve grain quality. In: Nordic Association of Agricultural Scientists 22nd Congress, Turku, Finland.
Pratt HK, Goeschl JD.  1969.  Physiological roles of ethylen in plants.  Annual Revies of Plant Physiology. 20: 541-584

Waters TM, Scaffidi A, Sun KY, Flematti RG,  Smith MS.  2014.  The karrikin response system of Arabidopsis.  The Plant Journal. 79: 623–631. Doi: 10.1111/tpj.12430

Tidak ada komentar:

Posting Komentar