FISIOLOGI CEKAMAN

93
FISIOLOGI CEKAMAN Baik dalam kondisi pertanian maupun alamiah, tumbuhan sering terpapar pada cekaman lingkungan. Beberapa faktor lingkungan seperti suhu udara, dapat menyebabkan cekaman dalam beberapa menit, lainnya seperti kandungan air, mungkin memerlukan waktu berminggu-minggu, dan faktor seperti kahat mineral tanah dapat makan waktu bulanan untuk dapat menyebabkan cekaman.Diperkirakan bahwa karena cekaman akibat kondisi iklim dan tanah yang suboptimal hasil dari tanaman budidaya yang ditanam dilapangan di Amerika Serikat hanya 22% dari potensi hasil genetik Cekaman biasanya didefinisikan sebagai faktor eksternal yang memberikan pengaruh tidak menguntungkan pada tumbuhan

Transcript of FISIOLOGI CEKAMAN

Page 1: FISIOLOGI CEKAMAN

FISIOLOGI CEKAMAN

• Baik dalam kondisi pertanian maupun alamiah, tumbuhan sering terpapar pada cekaman lingkungan. Beberapa faktor lingkungan seperti suhu udara, dapat menyebabkan cekaman dalam beberapa menit, lainnya seperti kandungan air, mungkin memerlukan waktu berminggu-minggu, dan faktor seperti kahat mineral tanah dapat makan waktu bulanan untuk dapat menyebabkan cekaman.Diperkirakan bahwa karena cekaman akibat kondisi iklim dan tanah yang suboptimal hasil dari tanaman budidaya yang ditanam dilapangan di Amerika Serikat hanya 22% dari potensi hasil genetik

• Cekaman biasanya didefinisikan sebagai faktor eksternal yang memberikan pengaruh tidak menguntungkan pada tumbuhan

Page 2: FISIOLOGI CEKAMAN

Konsep cekaman secara sangat mudah dihubungkan dengan konsep toleransi terhadap cekaman ( stress tolerance)yang artinya kebugaran (fitness) dari tumbuhan untuk menghadapi lingkungan yang tidak bersahabat. Dalam literatur istilah stress resistance ( pertahanan terhadap cekaman) sering tertukar dengan istilah toleransi terhadap cekaman ( Stress tolerance) walaupun istilah terakhir yang lebih disukai. Perhatikan bahwa lingkungan yang menimbulkan cekaman terhadap satu tumbuhan belum tentu menimbulkan cekaman pada tumbuhan lainnya.

Misalnya buncis ( Pisum sativum) dan kedelai ( Glycine max) masing masing tumbuh paling baik pada suhu

200C dan 300 C. Ketika suhu bertambah, buncis memperlihatkan tanda2 tercekam panas lebih cepat daripada kedelai. Jadi kedelai mempunyai toleransi terhadap cekaman panas lebih besar.

Page 3: FISIOLOGI CEKAMAN

Apabila toleransi bertambah sebagai akibat dari pemaparan sebelum cekaman, tumbuhan itu dikatakan teraklimasi (atau mengeras) . Aklimasi dapat dibedakan dari adaptasi , yang biasanya mengacu pada suatu tingkat resistensi yang ditentukan secara genetik yang diperoleh dari proses seleksi melalui banyak generasi. Sayangnya istilah adaptasi kadang2 dipakai di dalam literatur untuk menyatakan aklimasi.

Page 4: FISIOLOGI CEKAMAN

KAHAT AIR DAN RESISTENSI TERHADAP KEKERINGAN

1. Strategi resistensi thd kekeringan bervariasi dng ikilim dan kondisi tanah

2. Berkurangnya luas permukaan daun adalah respon penyesuaian awal terhadapkahat air.

3. Kahat air memacu gugur daun4. Kahat air mendorong perpanjangan akar kedalam tanah yang

lebih dalam dan lebih lembab5. Stomata tertutup kahat air sebagai respon terhadap asam absisat6. Kahat air membatasi fotosintesis dalam kloroplas7. Pengaturan osmosis sel membantu tumbuhan menjaga

keseimbangan sir.8. Kahat air meningkatkan resistensi aliran air fase liquid9. Kahat air meningkatkan timbunan lilin permukaan daun10. Kahat air merubah pelepasan energi daun11. Cekaman osmosis menginduksi metabolisme CAM pada

beberapa tumbuhan12. Cekaman osmosis merubah ekspresi gen13. Gen yang responsif terhadap cekaman diregulasi oleh proses

yang tergantung pada ABA dan yang tidak tergantung pada ABA

Page 5: FISIOLOGI CEKAMAN

• Mekanisme resistensi terhadap kekeringan, ada beberapa tipe. – Pertama, dapat dibedakan antara penundaan desikasi – desiccation

postponement ( kemampuan untuk menjaga hidrasi jaringan ) dan toleransi desikasi –desiccation tolerance (kemampuan berfungsi walaupun terdehidrasi), yang kadang2 masing2 diacu sebagai toleran kekeringan pada potensi air tinggi dan rendah.

– Kedua, dalam literatur lama sering dipakai istilah penghindaran kekeringan ( drought avoidance) –bukannya drought tolerance – toleransi kekeringan, tetapi istilah ini tidak tepat karena kekeringan (drought) adalah kondisi meteorologis yang ditolerir oleh semua tumbuhan yang mampu bertahan hidup dan tidak dihindari oleh siapapun.

– Ketiga , pelepasan diri dari kekeringan ( drought escape) meliputi tumbuhan yang menyelesaikan siklus hidupnya selama musim basah, sebelum musim kering mulai. Ini termasuk yang benar benar drought avoider (penghindar kekeringan).

• Di antara penunda desikasi ada pengirit air, dan pemboros air. Pengirit air ( water savers) memanfaatkan air secara konservatif, menyimpan sebagian dalam tanah untuk dimanfaatkan menjelang akhir siklus hidupnya; pemboros air ( water spenders) secara agresif mengkonsumsi air , sering memakai jumlah yang sangat banyak. Pohon mesquite ( Prosopis sp.) yang bersifat sebagai gulma lingkungan adalah contoh dari pemboros

Page 6: FISIOLOGI CEKAMAN

Strategi Resistensi Kekeringan Bervariasi menurut Kondisi Iklim dan Tanah.

• Produktivitas tumbuhan pada keadaan air terbatas tergantung pada jumlah total air tersedia dan pada efisiensi pemakaian air dari tumbuhan itu.

• Tumbuhan yang mampu memperoleh lebih banyak air atau yang mempunyai efisiensi pemanfaatan air yang lebih tinggi akan bertahan terhadap kekeringan lebih baik.

Kahat air (water defisit) dapat didefinisikan sebagai kandungan air jaringan atau sel yang berada kurang dari kandungan air tertinggi yang ditunjukkan oleh status yang paling terhidrasi. Ketika kekurangan air terjadi cukup perlahan untuk memungkinkan perubahan dalam proses perkembangan, cekaman air mempunyai beberapa efek terhadap pertumbuhan, satu di antaranya adalah pembatasan perluasan daun. Luas daun adalah penting karena fotosintesis biasanya sebanding dengan itu. Tetapi perluasan daun yang cepat dapat merugikan ketersediaan air.

Page 7: FISIOLOGI CEKAMAN

Strategi resistensi terhadaap kekeringan

• Apabila presipitasi terjadi hanya pada musim dingin dan semi, dan musim panasnya kering, pertumbuhan awal yang cepat dapat mengarah pada luas daun yang besar; pengurangan air yang cepat, menyisakan terlalu sedikit kelembaman tanah untuk tumbuhan menyelesaikan siklus hidupnya. Pada situasi yang demikian hanya tumbuhan yang mempunyai air- tersedia untuk reproduksinya di akhir musim itu atau yang menyelesaikan siklus hidupnya dengan cepat sebelum mulai masa kekeringan (menunjukkan pelepaskan diri dari kekeringan) akan memproduksi biji untuk generasi berikutnya. Kedua strategi itu akan memungkinkan beberapa keberhasilan reproduksi.

• Situasinya berbeda apabila cuarh hujan musim panas cukup walaupun tidak menentu. Dalam kasus demikian, tumbuhan dengan luas daun yang besar atau tumbuhan yang mampu mengembangkan luas daun yang besar dengan sangat cepat, lebih sesuai untuk mengambil manfaat musim panas yang kadang basah. Satu strategi aklimasi pada kondisi seperti ini adalah kapasitas untuk pertumbuhan vegetatif dan berbunga dalam rentang waktu yang panjang. Tumbuhan demikian disebut tumbuhan-takberbatas ( indeterminate) dalam kebiasaan tumbuhnya, berbeda dengan tumbuhan terbatas (determinate) yang mengembangkan jumlah daun yang telah ditentukan sebelumnya dan berbunga pada periode yang sangat pendek.

Page 8: FISIOLOGI CEKAMAN

Secara tipikal, ketika kandungan air dari tumbuhan turun, selnya mengerut dan dinding sel mengendor. Penurunan volume sel ini mengakibatkan tekanan turgor menjadi lebih rendah dan berikutnya solut menjadi pekat dalam sel. Membran plasma menjadi lebih tebal dan lebih padat karena hanya menutup luasan yang lebih kecil daripada sebelumnya. Oleh karena penurunan turgor adalah pengaruh biofisika paling awal yang signifikan dari cekaman air, aktivitas yang tergantung turgor seperti perluasan daun dan perpanjangan akar adalah paling peka terhadap kahat air.

Perbesaran sel adalah proses yang didorong oleh turgor dan sangat peka terhadap kahat air. Perbesaran sel digambarkan oleh hubungan

GR = m( ψp – Y)Dimana GR adalah laju pertumbuhan, ψp adalah turgor, Y adalah ambang hasil

(tekanan di bawah mana dinding sel menolak deformasi plastis atau non reversible). Dan m adalah daya melar (ekstensibilitas) dinding sel ( kepekaan dinding terhadap tekanan).

•Berkurangnya luas permukaan daun adalah respon penyesuaian awal terhadap kahat air.

Page 9: FISIOLOGI CEKAMAN

GR = m (ψp – Y)1.6

1.2

0.8

0.4

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Turgor (MPa), ψp

Tumbuhan selalu dalam cekaman air

Tumbuhan tidak pernah terpaparkan pada cekaman air

Gb.1. Ketergantungan perluasan daun pada turgor daun. Bunga matahari (Helianthus annuus) ditanam dengan cukup air atau dengan air tanah terbatas untuk menimbulkna cekaman ringan. Setelah pemberian air, tumbuhan pada kedua perlakuan dicekam dengan tidak memberi air. Laju pertumbuhan (GR) dan turgor ( ψp) diukur secara periodik. Keadaan keduanya menurunkan m dan menaikkan ambang turgor untuk pertumbuhan (Y), membatasi kapasitas daun untuk tumbuh setelah terpapar cekaman

Page 10: FISIOLOGI CEKAMAN

Pertahanan tumbuhan terhadap kekeringan

• Reduksi pada luas daun adalah garis pertama dalam pertahanan melawan kekeringan.

• Pertumbuhan akar lebih dalam kearah tanah basah dapat dikatakan sebagai garis pertahanan kedua melawan kekeringan.

• penutupan stomata dapat diyakini sebagai garis pertahanan ketiga melawan kekurangan air.

Page 11: FISIOLOGI CEKAMAN

Kahat air memicu luruh daun

• Total luas daun dari suatu tumbuhan (jumlah daun x luas permukaan tiap daun) tidak konstan setelah semua daun dewasa

• Apabila tumbuhan menjadi tercekam air setelah sebagian besar daun telah terbentuk , daun akan menua dan akhirnya akan luruh – banyak tumbuhan padang pasir menggugurkan seluruh daunnya

pada saat kekeringan, dan bertunas kembali setelah hujan. Siklus demikian dapat terjadi dua atau tiga kali dalam satu musim.

– Peluruhan daun ketika tercekam air terutama akibat dari sintesis yang menguat dari dan tanggap hormon endogen etilen

Page 12: FISIOLOGI CEKAMAN

Kahat air mendorong perpanjangan akar kedalam tanah yang lebih dalam dan lembab

• Tajuk akan tumbuh sampai sedemikian besar sehingga pengambilan air oleh akar menjadi pembatas untuk pertumbuhan selanjutnya; sebaliknya akar akan tumbuh sampai permintaannya untuk hasil fotosintesis dari tajuk sama dengan suplai

– perluasan daun akan segera terpengaruh – Menurunkan konsumsi karbon dan energi,

– proporsi lebih besar dari hasil asimilasi tumbuhan dapat didistribusikan ke sistem akar,

– ujung akar pada tanah yang kering kehilangan turgor

• Semua faktor ini akan mengarah kepada preferensi pertumbuhan akar ke dalam zona tanah yang masih basah.

• Pertumbuhan akar lebih dalam kearah tanah basah dapat dikatakan sebagai garis pertahanan kedua melawan kekeringan

Page 13: FISIOLOGI CEKAMAN

Stomata metutup ketika kahat air sebagai respon terhadap asam absisat

• Ketika cekaman datang dan tumbuhan sudah mencapai luas daun penuh, respon lain akan melindungi tumbuhan dari desikasi.

• Dalam keadaan demikian ini, penutupan stomata akan mengurangi evaporasi dari luas daun yang ada.

• Pengambilan dan kehilangan air pada sel penjaga merubah turgornya dan mengatur pembukaan dan penutupan.– Karena sel penjaga pada jaringan epidermis sel itu kehilangan

turgornya sebagai akibat langsung kehilangan air dan stomata menutup ,mekanisme demikian disebut penutupan hidropasif ( Hydropassive closure).

– Mekanisme lain penutupan hidroaktif ( hydroactive closure Penurunan kandungan solut sel penjaga mengakibatkan kehilangan air dan turgor turun, yang menyebabkan stomata menutup

Page 14: FISIOLOGI CEKAMAN

H+

Grana

H+ + ABA-

ABA●H

ABA●H

ABA-+ H+

stroma

Khloroplas

3. ABA●H berdifusi dari sitosol ke stroma

2. Pada stroma basa ABA●H terdisosiasi

1. Cahaya mensimulir ftsintesis dan transport aktif H+ ke grana, menaikkan pH stroma

Cahaya 4. Membran khloroplas impermeabel terhadap ABA-

Gambar 2. Akumulasi ABA oleh khloroplast ketika cukup cahaya . Cahaya menstimulir aliran proton ke grana ( lumen) membuat stroma menjadi basa (alkalin). Makin basa, ABA•H sebagai asam lemah akan terdisosiasi menjadi ion H+ dan anion ABA-. Karena itu konsentrasi ABA●H dalam stroma menurun dibawah konsentrasi ABA●H sitosol. Perbedaan konsentrasi ini menyebabkan ABA●H berdifusi dari sitosol ke stroma melewati membran khloroplas. Pada saat yang sama konsentrasi ABA- dalam stroma naik, tetapi membran khloroplas tidak permeabel bagi ABA- sehingga ABA- ini terperangkap dalam stroma. Proses ini berjalan terus sampai konsentrasi ABA●H stroma sama dengan sitosol. Tetapi selama stroma bersifat alkalin total konsentrasi ABA (ABA●H + ABA-) stroma jauh melampaui konsentrasi dalam sitosol

Page 15: FISIOLOGI CEKAMAN

Ketika mesofil terdehidrasi ringan, dua hal terjadi • Sebagian dari ABA yang disimpan dalam khlorolas dilepas

ke apoplast (ruang dinding sel ) dari sel mesofil. Redistribusi ABA tergantung pada perbedaan pH dalam daun, pada sifat asam lemah molekul ABA dan pada sifat permeabilitas dari membran sel. Redistribusi dari ABA memungkinkan bagi aliran transpirasi untuk membawa beberapa ABA kepada sel penjaga

• ABA disintesis dengan kecepatan lebih tinggi dan lebih banyak ABA terakumulasi didalam apoplast daun. Konsentrasi ABA yang lebih tinggi akibat dari laju sintesis ABA yang lebih tinggi nampak menguatkan atau memperpanjang pengaruh penutupan awal dari ABA tersimpan.

Page 16: FISIOLOGI CEKAMAN

Kahat Air Membatasi Fotosintesis dalam Khloroplas

• Laju fotosintesis daun ( dinyatakan dalam satuan luas daun) jarang seresponsif terhadap cekaman ringan air seperti perluasan daun

• Akan tetapi cekaman air ringan biasanya memang mempengaruhi keduanya, fotosintesis daun dan daya hantar stomata, efsiensi pemakaian air bahkan naik

• Pada cekaman air berat metabolisme mesofil rusak, dan efisiensi pemakaian air biasanya turun – Daya hantar stomata sangat turun dan fotosintesis rusak

– Ketersediaan CO2 turun, tidak tersedia lagi NADP+ untuk direduksi, terdapat kelebihan elektron

– Elektron ini akan mereduksi oksigen dan menjadi superoksida yang merusak

Page 17: FISIOLOGI CEKAMAN

PARADOKS KEHIDUPAN DI PLANET BUMI :MOLEKUL YANG MENUNJANG KEHIDUPAN AEROBIK TERNYATAJUGA BERTANGGUNG JAWAB TERHADAP PENYAKIT DEGENERATIF,SEPERTI PENUAAN, ARTHRITIS, KANKER DAN PENYAKITDEGENERATIF LAINNYA

OKSIGEN (O2)

PARAMAGNETIK, dengan konfigurasi elektron, 1s2, 2s2, 2p4 BIRADIKAL - mempunyai 2 elektron dengan spin yang sama TIDAK MUDAH BEREAKSI DENGAN SENYAWA ORGANIK KECUALI DIAKTIVASI :

1. Merubah satu spin dari elektron 2. Reduksi O2 menjadi superoksida, hidrogen peroksida, dan

radikal hidroksi

Page 18: FISIOLOGI CEKAMAN

OKSIGEN PADA TINGKAT ENERGI SINGLET

OKSIGEN PADA TINGKAT ENERGI TRIPLET GROUND STATE

SUPEROKSIDA RADIKAL PERHIDROKSI

HIDROGEN PEROKSIDA

AIR

-53,7

-8.8RADIKAL HIDROKSI

-21,7

+7,6

+22

+e-

+e-

+2H+

-H+

+H+

+e-

+H++e-

+H+

Page 19: FISIOLOGI CEKAMAN

Superoksida dapat bersifat sebagai oksidan atau reduktan mengoksidasi sulfur, asam askorbat atau NADPH mereduksi cytochrome C dan ion metal dengan ensim SOD, membentuk oksigen dan H2O2

kalau diprotonisasi membentuk radikal perhidroksil

Hidrogen peroksida• Reduksi univalen superoksida menghasilkan hidrogen peroksida• peroksida bukan radikal• radikal adalah atom atau molekul dengan elektron tidak berpasangan• oksigen tereduksi bukan radikal tetapi oksigen teraktivasi• H2O2 dapat melewati membran • bereaksi dengan metal reduktan, menghasilkan radikal hidroksi (.OH)• yang sangat reaktif terhadap molekul organik -reaksi Fenton

Page 20: FISIOLOGI CEKAMAN

Reaksi Fenton

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + .OH + OH- (1)

Dalam sistem biologi ketersediaan ion Fe2+ membatasi reaksi ini.tetapi siklus antara Fe2+ dan Fe3+ oleh agen pereduksi dapat membuat reaksi Fenton ini berjalan terus dan menghasilkan radikal hidroksi.Salah satu agen pereduksi adalah superoksida itu sendiri, seperti dalam rekasi dibawah ini :

O2• + H2O2 O2 + •OH + OH- (2)

Fe2+ + 2H2O2 Fe3+ + •OH + OH- (3)

O2• + Fe3+ O2 + Fe2+ (4)Olehkarena itu adanya sedikit (trace) ion Fe2+, reaksi superoksida dan hidrogen peroksida akan membentuk radikal hidroksil yang akanmengoksidasi bahan organik yang ada.

Page 21: FISIOLOGI CEKAMAN

Ada 2 cara oksidasi bahan organik oleh superoksida : (1). Menambahkan •OH pada molekul organik, dan(2). Mengekstrak ion H dari molekul organik

•OH + R •ROH (5)•ROH + Fe3+ ROH + Fe2+ + H+ (6)•ROH + O2 ROH + O2• + H+ (7)•ROH + •ROH R -R + 2H2O (8)

Dalam reaksi adisi ini radikal hidroksi ditambahkan pada substansi organik R menghasilkan bahan yang terhidroksilasi yang selanjutnyadioksidasi oleh ion ferro dan gas oksigen menjadi bahan organikyang stabil (ROH). Bahan organik itu dapat juga mengalami dismutasi dan membentuk produk yang tergabung dalam cross-link R-R.

Menambahkan •OH pada molekul organik

Page 22: FISIOLOGI CEKAMAN

Mengekstrak ion H dari molekul organik

Dalam reaksi abstraksi ini, radikal hidroksil mengoksidasi substrat organik membentuk air dan radikal organik lainnya. Radikal organik ini mempunyai elektron tunggal tanpa pasangan, karena itu dapat bereaksi dengan oksigen pada tingkat triplet. Tambahan oksigen triplet pada radikal karbon menyebabkan terjadinya sebuah radikal peroksil yangdapat mengekstrak hidrogen dari senyawa organik lainnya lalu terbentuk radikal organik kedua. Karena reaksi berantai inilah radikal oksigen dapat merusak jauh lebih besar daripada konsentrasi awalnya.

•OH + RH R• + H2O (9)

•R + O2 ROO• (10)

ROO• + RH R• + ROOH (11)

Page 23: FISIOLOGI CEKAMAN

REAKSI BIOLOGIS RADIKAL OKSIGEN

Kerusakkan oksidatif yang menyebabkan sel mati tidak selalu jelasMekanisme bagaimana radikal oksigen merusakkan membran sudah lama difahami, dan kerusakkan karena oksigen dengan mudah diasosiasikan dengan reaksi peroksidasi dari lipid komponen membranTetapi oksigen aktif juga merusak protein dan DNA dan berakibat fatal

Kerusakkan oksidatif terhadap lipid Reaksi dengan polyunsaturated lipid menyebabkan bau tengik Lapisan rangkap dari lipid membran terdiri dari campuran fosfolipid dan gycolipid dimana asam lemak berikatan ester dengan C nomer 1 dan 2 dari gliserol Reaksi peroksidasi bervariasi dengan asam lemak, tergantung dari posisi dan jumlah ikatan rangkapnya. Peroksidasi terdiri dari 3 langkah : (1). Inisiasi, (2), propogasi, dan (3), terminasi

Page 24: FISIOLOGI CEKAMAN

Reaksi inisiasi antara a.lemak tak jenuh dan radikal hidroksi berupa abstraksi atom H dari metilvinil pada a lemak (reaksi 9). Pada asam linoleat terjadi pada C no 11. Sisa karbon lainnya mengumpul pada radikal, membentuk struktur resonan dengan C no 9 dan no 13, berbagi elektron tak berpasangan itu.

Pada reaksi propogasi struktur resonan bereaksi dengan oksigen triplet, membentuk radikal peroksi (reaksi 10). Radikal peroksi yang terjadi akan mengambil H dari a.lemak satunya lagi dan membentuk hidroperoksida baru, sedang C lainnya mengumpul dekat elektron tak berpasangan itu dan bersifat sebagai radikal berpropogasi terus. Jadi radikal hidroksi berperan sebagai busi untuk mulai perapian.

Hidroperoksida (ROOH) tidak stabil, dan dengan adanya Fe terjadi rekasi Fenton menghasilkan radikal alkoksi

ROOH + Fe2+ OH- + RO• + Fe3+

Reaksi peroksidasi klasik

Page 25: FISIOLOGI CEKAMAN

12 9

•OH H2OO2 O2

atau•O-O O-O•

139

11

12 109

13. OOH 9. OOH

+H +H

PEROKSIDASI ASAM LINOLEAT

Page 26: FISIOLOGI CEKAMAN

Terminasi dari reaksi peroksidasi terjadi apabila radikal peroksi cross link membentuk konyugasi yang bukan radikal

R• + R• R -R

R• + ROO• ROOR

ROO• + ROO• ROOR + O2

Oksigen singlet dapat bereaksi dengan asam lemak tidak jenuh menghasilkan berbagai jenis hidroperoksida dan berbeda denganhasil dari reaksi dari radikal hidroksi. Sekali terbentuk lipid dengan hidroperoksida ini akan terdekomposisi menjadi berbagai jenis product beberapa diantaranya dapat menghasilkan radikal oksigen bebas atau oksigen teraktivasi kalau ada katalis metalnya.

Page 27: FISIOLOGI CEKAMAN

Reaksi pada membran sel tumbuhanDiprediksi terjadi peroksidasi thd. komponen asam lemak tak jenuhTetapi analisis hasil reaksi tidak spesifik hanya pada a.l.tak jenuh

Degradasi fosfolipid dan asam lemak teresterifikasi pada 2 sistem membran dengan produk dari reksi Fenton ( McKersie et al 1990)

Asam Lemak Persen Rekoveri

Liposom Mikrosom

Sebelum sesudah Sebelum sesudah

16:0 21 34 29 30

18:0 3 5 1 1

18:1 7 10 6 7

18:2 61 47 28 29

18:3 8 4 37 35

Rekoveri (%) fosofolipid 100 51 100 65

Page 28: FISIOLOGI CEKAMAN

Disamping peroksidasi juga terjadi deesterifikasi

• Superoksida menyerang ester dengan mekanisme “nucleophilic reaction”

O2• + R1-C-O-R2

O

R1-C-O-R2

O

O•

O-

R1-C + R2O-

O

O•

O

• Radikal peroksi yang terjadi RC(O)OO• akan mengambil satu atom H dan terbentuk hidroperoksida yang akan terdekomposisi menjadi RCOO- , yang dalam hal fosfolipid itu adalah asam lemak

Page 29: FISIOLOGI CEKAMAN

Reaksi deesterifikasi tidak selektif, terjadi secara acak.

Tetapi deesterifikasi dapat terjadi karena ensim misalnya fosfolipase atau lipase lainnya

Superoksida dapat saja terjadi dari ensim yang disfungsi dlm keadaan stress.

Kerusakkan oksidatif terhadap protein

Serangan oksidatif pada protein menyebabkan : modifikasi asam amino yang spesifik lokasi fragmentasi rantai peptida agregasi produk reaksi cross link perubahan muatan listrik, dan menambah kerentanan terhadap proteolisis

Page 30: FISIOLOGI CEKAMAN

■ A.amino pd rantai peptida berbeda kerentanannya terhadap serangan, dan berbagai bentuk oksigen aktif berbeda kemampuan serangnya. Struktur primer, sekunder, tersier juga merubah kerentanan a.amino, tetapi umumnya a. amino yang mengandung sulfur, grup thiol secara spesifik merupakan titik yang amat rentan – Oksigen aktif dapat mengambil H dari cysteine membentuk radikal thiyl, yang dengan cross link membentuk jembatan disulfida – Oksigen aktif dpt menambahkan diri ke metionin dlm suatu asam amino untuk membentuk turunan sulfoksida metionin – Ensim reduktase dapat merubah sulfoksida metionin kembali menjadi metionin seperti dlm asam amino awal■ Bentuk serangan radikal bebas pada protein lainnya adalah tidak reversible, oksidasi pada pusat Fe-S oleh radikal misalnya akan menghancurkan fungsi ensim sama sekali. Banyak a.a. berubah irreversible, seperti histidin, lisin, prolin, srgini, serin, membentuk gugus karbonil kalau dioksidasi.

Page 31: FISIOLOGI CEKAMAN

Kerusakkan oksidatif terhadap DNAOksigen aktif menyebabkan lesion pd DNA dan menyebabkan delesi, mutasi dan pengaruh genetik letal lainnya. Kedua gugus gula dan basa rentan thd. oksidasi yang menyebabkan degradasi basa, putusnya satu pita, dan cross link dng protein

Sebab utama putusnya pita tunggal adalah oksidasi gugus gula oleh radikal hidroksi.Terjadi melalui reaksi Fenton (ada katalis metal). Pada E.coli metal itu terchelasi pada ikatan fosfodiester Cross link antara DNA dan protein terjadi karena oksidasi oleh radikal hidroksi yang menyebabkan hubungan volen tambahan antara thiamin-cystein yang fatal apabila tidak direpair. DNA adalah titik paling lemah dalam serangan oksigen aktif, karena (1). DNA paling efektif mengikat metal hingga terjadi reaksi Fenton (2). Kurang toleran thd. kerusakkan drpada makromolekul lainnya (3). Karena itu ada ensim untuk mereparasi DNA dan DNA disimpan dalam nukleus, jauh dari daerah reaksi oksidasi

Page 32: FISIOLOGI CEKAMAN

LOKASI SUBSELULER

DIMANA TERJADI OKSIGEN AKTIF

Mekanisme terjadinya oksigen aktif:

(1) reduksi O2 menjadi superoksida, hidrogen peroksida, dan radikal hidroksi, sedang

(2) pd tumbuhan terjadinya oksigen singlet karena proses dalam fotosistem juga penting.

(3). Oksigen aktif sering terbentuk untuk mengoksidasi xenobiotik atau polimerasi lignin, tetapi

(4) oksigen aktif terbentuk karena disfunctioning ensim atau sistem transpor elektron karena stress lingkungan.

Page 33: FISIOLOGI CEKAMAN

P680

Khl

Khl

O2

O2.•LHCII

Foton

Khl

H2O O2

O2• , H2O2

Z

PSII

QPQ

PQH2

Cyt b6

P700

PC

Fe/S

PSI

Fd

NADP

O2•

O2

Lokasi dimana terjadi oksigen aktif : 1. Oksigen singlet mungkin terbentuk dr triplet khlorofil dlm LHCII 2. Superoksida dan H2O2 ,mungkin terbentuk dari oksidasi air, dan 3. Triplet O2 mungkin terreduksi menjadi superoksida oleh ferredoksin pada PSI

STROMA

LUMEN

LOKASI PRODUKSI O2 AKTIF :

A. KHLOROPLAS

Page 34: FISIOLOGI CEKAMAN

Ada 4 titik dalam khloroplast dimana oksigen aktif mungkin terbentuk : 1. Pada PSI, paling penting, terjadi apabila siklus Calvin tidak cukup cepat mengoksidasi NADPH daripada transpor elektron pada PSI2. Khlorofil yang telah tereksitasi normalnya memberikan energinya ke pusat reaksi, tetapi dapat saja energi itu diterima O2 triplet dan meru bah menjadi O2 singlet yang sangat reaktif; ini disebabkan mungkin karena kekeringan, kerusakan membran, kekurangan unsur hara dsb.3. Sisi oksidatif pd PSII mentranspor 4 elektron dari air ke pusat reaksi dengan mengeluarkan triplet O2. Kebocoran elektron dapat ditangkap O2 yang tereduksi menjadi O2• walaupun ini kontribusinya kecil.4. Fotorespirasi merupakan proses oksigenasi dlm khloroplas. Rubisco menambahkan O2 pd C no2 dari RUBP membentuk fosfoglikolat, kemudian fosfogliserat. Walaupun tidak menimbulkan oksigen aktif di khloroplast tetapi metabolisme glikolat dalam peroxisome akan menghasilkan oksigen aktif.

Page 35: FISIOLOGI CEKAMAN

Cyt C

Compleks I

Compleks II

Compleks III

Oksidasealternatif

UQ

UQH2

O2• O2

succinatefumarate

O2 H2O

Compleks IV

O2 H2O

NAD(P)H NAD(P)

Diagram sistem transpor elektron dlm membran mitokondria dimana mungkin terbentuk oksigen aktif oleh ubiquinon tereduksi

B. MITOKHONDRIA

Page 36: FISIOLOGI CEKAMAN

- 0.4 -0.8 -1.2 -1.6

15

10

5

0

20

10

0

fotosintesis

Perluasan daun

50

40

30

-1.5 -2.0 -2.5

Potensi air Daun (MPa)Potensi air Daun (MPa)

Gambar 4. Pengaruh cekaman air pada fotosintesis dan translokasi pada cantel ( Sorghum bicolor). Tumbuhan dipaparkan pada 14CO2 sejenak. Radioaktif difiksasi pada daun menunjukkan fotosintesis; hilangnya radioaktif dianggap sebagai ukuran laju asimilasi. Ftsintesis dipengaruhi oleh cekaman ringan, sedang translokasi tidak terpengaruh, dan terpengaruh ketika cekaman sudah dahsyat sekali

Fotosintesis mulai turun pada cekaman ringan

Translokasi tetap sampai cekaman dahsyat

Gambar 3. Pengaruh cekaman air pada fotosintesis dan perluasan daun bunga matahari ( Helianthus annus). Jenis ini tipikal untuk banyak tumbuhan; perluasan daun sangat sensitif cekaman air, terhenti total pada cekaman ringan pada tingkat mana sedikit saja pengaruhnya pada laju fotosintesis.

Laju ekspansi daun (% t.d/hari)La

ju f

otos

inte

sis

(um

ol C

O2/

m2/

s

Laju

fot

osin

tesi

s (u

mol

CO

2/m

2/s

35

30

25

20

0

Laju

tra

nslo

kasi

(%

14C

/jam

Page 37: FISIOLOGI CEKAMAN

Penyesuaian Osmosis dari Sel Membantu Menjaga Keseimbangan Air Tumbuhan

• Begitu tanah mengering, potensial matriknya menjadi negatif. Tumbuhan dapat terus mengabsorpsi air hanya selama potensi airnya ( ψw) lebih rendah ( lebih negatif) daripada potensial air dari air tanah.

• Penyesuaian osmosis , atau akumulasi solut dari sel adalah suatu proses dengan mana potensial air dapat diturunkan tanpa disertai penurunan dari turgor atau penurunan dari volume sel

– Enzim sitosol dari sel tumbuhan dapat terhambat hebat oleh konsentrasi ion yang tinggi. Akumulasi ion selama penyesuaian osmosis nampak terbatas pada vakuola, dimana ion-ion dicegah agar tidak kontak dengan ensim dari sitosol atau dari organel subseluler.

– Solut lain, disebut solut yang sesuai (compatible solute atau compatible osmolytes) adalah senyawa organik yang tidak menganggu fungsi enzim meliputi asam amino prolin, gula alkohol ( mis. sorbitol, dan manitol), dan amina quarterner disebut glisin betain (glycine betaine.).

• Penyesuaian osmosis adalah suatu aklimasi yang memperkuat toleransi terhadap dehidrasi tetapi tidak mempunyai pengaruh besar pada produktivitas

Page 38: FISIOLOGI CEKAMAN

Kahat Air Menambah Resistensi Aliran Air pada Fase Liquid.

• Ketika tanah mengering, resistensinya terhadap aliran air meningkat sangat tajam, terutama dekat titik layu permanent ( Permanen Wilting Point). ( biasanya sekitar – 1.5 MPa). penyampaian air ke akar terlalu lambat untuk memungkinkan rehidrasi diwaktu malam dari tumbuhan yang sudah layu pada siang hari.

• Rehidrasi lebih lanjut terkendala oleh resistensi didalam tumbuhan, yang ternyata lebih besar daripada resistensi didalam tanah– Ketika akar mengerut , permukaan akar lepas dari partikel tanah yang

memegang air, dan akar rambut yang lembut itu dapat rusak. – Perpanjangan akar melambat, lapisan luar dari korteks akar ( hypodermis)

menjadi tertutup lebih ekstensif oleh suberin, menambah resistensinya terhadap aliran air.

– Faktor penting lainnya yang menambah resistensi terhadap aliran air adalah kavitasi, putusnya benang air dalam xilem

– Kavitasi mulai pada sebagian besar tumbuhan pada potensial air sedang (- 1 s/d – 2 MPa) dan tabung xilem terbesar akan kena pertama.

• Kalau sudah kena kavtasi, jalur resisten rendah yang orisinal tetap tidak berfungsi, yang menurunkan efisiensi aliran air.

Page 39: FISIOLOGI CEKAMAN

Kahat Air Menambah deposisi Lilin permukaan Daun

• Respon umum terhadap cekaman air adalah produksi kutikula yang tebal untuk mengurangi kehilangan air dari epidermis melalui trasnpirasi kutikula

• Transpirasi kutikula memberikan hanya 5-10% dari total transpirasi, dan hanya menjadi penting apabila cekaman amat ekstrem atau kalau kutikula rusak

Page 40: FISIOLOGI CEKAMAN

Kahat Air Merubah Disipasi Energi dari Daun• Kehilangan panas evaporatif menurunkan suhu daun. Pengaruh

pendinginan ini dapat hebat sekali. Ketika cekaman air membatasi transpirasi, daun menjadi panas, sehingga cekaman air dan cekaman panas terkait erat.

• Menjaga suhu daun lebih rendah daripada suhu udara memerlukan evapotranspirasi sejumlah besar air. Adaptasi yang mendinginkan daun dengan cara selain evaporasi ( misalnya : perubahan pada ukuran daun dan orientasi daun) amat efektif dalam menghemat air. – Tumbuhan berdaun kecil dpt memperkecil resistensi boundary layer untuk

transfer panas dari daun ke udara, suhu daun daun kecil tetap dekat suhu udara

– Gerakan daun dapat memberikan proteksi tambahan thd pemanasan cekaman air. Daun yang mengorientasikan dirinya menjauhi matahari paraheliotropik; daun yang tegak lurus terhadap sinar matahari disebut diaheliotropik .

– Pelayuan, merubah sudut daun, dan penggulungan daun pada rumput, memperkecil profil jaringan yang terpapar matahari.

– Absorpsi energi dapat dikurangi dengan rambut pada permukaan daun atau dengan lapisan lilin reflektif di luar kutikula. Tetapi Kondisi pubescence ini, juga memantulkan panjang gelombang tampak yang aktif dalam fotosintesis, dan dengan demikian ini menurunkan asimilasi karbon

Page 41: FISIOLOGI CEKAMAN

Cekaman Osmotiks Menginduksi CAM

pada Beberapa Tumbuhan • CAM adalah adaptasi tumbuhan dimana stomata terbuka pada

malam hari dan tertutup pada siang hari. Perbedaan tekanan uap ( Vapour pressure difference=VPD) dari daun ke udara sangat berkurang pada malam hari, transpirasi turun

• Beberapa spesies sukulen memperlihatkan CAM fakultatif, berubah ke CAM ketika menderika kekurangan air atau kondisi salin. – Perubahan dalam metabolisme ini adalah suatu adaptasi yang

hebat terhadap cekaman, yang melibatkan akumulasi ensim fosfoenolpiruvat karboksilase, piruvat-ortofostat dikinase dan enzim NADP malat, untuk menyebut beberapa saja. Metabolisme CAM melibatkan banyak bentuk struktural, fisiologis dan biokemis, meliputi perubahan pola karboksilisasi dan dekarboksilisasi, transpor sejumlah besar malat dari dan ke vakuola, dan kebalikan dari periodisitas gerakan stomata.

• Efisiensi penggunaan air tumbuhan CAM adalah sangat tinggi

Page 42: FISIOLOGI CEKAMAN

Cekaman Osmotik Merubah Ekspresi Gen • Akumulasi solut kompatibel sebagai respon terhadap cekaman osmotik

memerlukan aktivasi lintasan metabolisme biosintesis solut itu• Beberapa gen yang menyandi enzim penyesuaian osmosis diaktifkan

( diatur keatas) oleh cekaman osmotik dan/atau salinitas, dan cekaman dingin. Gen2 ini menyandi enzim sebagai berikut :– (1). ∆'1-Pirrolin-5-carboxilat sintase, ensim kunci jalur biosintesis prolin

– (2). Betainaldehida dehidrogenase, enzsim terkait akumulasi glycin betain

– (3). Mio-Inositol 6-O-metiltransferase, enzim yang membatasi laju reaksi akumulasi gula alkohol siklik yang disebut pinitol

• Beberapa gen lain yang menyandi enzim terkenal juga diinduksi oleh cekaman osmotik. – Ekspresi enzim gliceraldehida-3-fosfat dehidrogenase meningkat

– Penurunan aktivitas enzim kunci juga terjadi, regulasi turun ensim produksi sukrosa dan degradasi manitol.

– Gen terkait dengan transpor membran juga diinduksi• ATP-ase dan protein saluran air (water channel) aquaporin

Page 43: FISIOLOGI CEKAMAN

Cekaman Osmotik Merubah Ekspresi Gen (lanjutan 1)

• Beberapa gen protease juga terinduksi oleh cekaman, dan enzim-enzim ini mungkin mendegradasi ( memindahkan dan mendaur ulangkan) protein lain yang didenaturasi oleh episode cekaman. Protein ubiquitin menandai protein yang ditargetkan untuk degradasi proteolitik. Sintesis mRNA untuk ubiquitin meningkat pada Arabidopsis dalam cekaman desikasi. Di samping itu beberapa protein kejut- panas ( heat shock protein) diinduksi secara osmotik dan mungkin melindungi atau merenaturasi protein yang diinaktivasi oleh desikasi.

• Sensitivitas ekspansi sel terhadap cekaman osmotik telah mendorong studi bermacam gen yang menyandi protein terkait dengan komposisi structural dan integritas dinding sel. Gen gen yang menyandi ensim demikian ini seperti S-adenosilmetionin sintase dan peroksidase, yang mungkin terkait dalam biosintesis lignin, diperlihatkan dikendalikan oleh cekaman.

• Gen yg menyandi LEA protein (Late Embryogenesis Abundant Proteins) diinduksi oleh cekaman. Protein ini hidrofilik dan sangat kuat mengikat air. Peran protektifnya terkait dengan kemampuan memegang air itu dan mencegah kristalisasi protein sel penting dan molekul lain selama desikasi, yang penting dlm stabilitas membran.

Page 44: FISIOLOGI CEKAMAN

Cekaman Osmotik Merubah Ekspresi Gen (lanjutan 2)

• Cekaman osmotik secara tipikal mengarah pada akumulasi ABA, oleh karena itu tidak mengherankan bahwa produk dari gen responsif ABA terakumulasi saat cekaman osmotik. Studi pada mutan yang tidak peka ABA dan kahat ABA memperlihatkan banyak sekali gen yang diinduksi oleh cekaman osmotik ternyata diinduksi oleh akumulasi ABA dalam episode cekaman. Akan tetapi, tidak semua gen yang diregulasi naik oleh cekaman osmotik adalah diregulasi oleh ABA

Page 45: FISIOLOGI CEKAMAN

• Transkripsi gen dikendalikan melalui interaksi protein regulator ( faktor transkripsi) dengan sekuen regulatori spesifik pada promoter dari gen yang diatur. Gen berbeda yang diinduksi oleh isyarat yang sama ( misalnya desikasi atau salinitas) dikendalikan oleh lintasan isyarat yang menuju aktivasi faktor transkripsi yang spesifik itu.

– Promoter gen yang diregulasi ABA mengandung elemen sekuen enam nukelotida yang disebut ABA response element (ABRE), yang mungkin mengikat faktor transkripsi yang terkait dengan aktivasi gen yang diregulasi ABA

– Promoter gen yang diatur oleh cekaman osmotik dengan cara ABA- dependent, mengandung elemen sekuen regulatori sembilan nukelotida alternatif, dehydration response elemen (DRE) yang dikenal sebagai perangkat alternatif dari protein yang mengatur transkripsi.

• Jadi gen yang diatur oleh cekaman osmotik nampak diatur oleh lintasan transduksi isyarat yang dimediasi oleh aksi ABA (ABA- dependent genes) atau oleh lintasan tranduksi isyarat yang responsif terhadap cekaman osmotik , ABA-independent.

• Setidaknya ada dua lintasan pengiriman isyarat dibawah ABA-independent: – Pertama yang terkait dengan pengoperasian faktor transkripsi (disebut DREB1 dan

DREB2) yang terikat pada elemen DRE pada promoter gen yang responsif terhadap cekaman, diaktivasi oleh rangkaian isyarat yang ABA-independent.

– Kedua, gen lain yang ABA-idependent, dan reposif terhadap cekaman osmotik kelihatannya dikendalikan langsung oleh apa yang disebut MAP kinase yang mengisyaratkan rangkaian protein kinase.

Gen Responsif Cekaman diregulasi proses yang ABA dependent) dan ABA independent.

Page 46: FISIOLOGI CEKAMAN

ABA ABA independent

bZIP factortranskripsi

Sintesis proteinMYC/MYB

Ekspresi gen yang berubah Ekspresi gen yang berubah

RangkaianMAP kinase

DREB/CBF

Toleran cekaman osmosis

Cekaman OsmotikPenerima signalCekaman Osmotik

Lintasan transduksi isyarat cekaman osmotik pada sel tumbuhan. Cekaman osmotik diterima oleh penerima yg blm diketahui pada membran yang mengaktivasi lintasan transduksi isyarat ABA independent/dependent .Sintesis protein berpartisipasi pada satu lintasan ABA independent yang melibatkan MYC/MYB.intasan ABA dependentbZIP trkait dng pengenalan elemen responsif ABA pada promoter gen

Page 47: FISIOLOGI CEKAMAN

CEKAMAN PANAS DAN KEJUTAN PANAS

• Sebagian besar jaringan tumbuhan tidak mampu bertahan hidup dari paparan yang lama pada suhu diatas 450C.

• Sel yang tidak sedang tumbuh atau jaringan terdehidrasi ( misalnya biji dan serbuk sari) dapat bertahan hidup pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada sel vegetatif, terhidrasi, yang sedang tumbuh.

• Jaringan yang sedang aktif tumbuh jarang bertahan hidup pada suhu di atas 450C, tetapi biji yang kering dapat tahan suhu 1200C, dan butir tepung sari dari beberapa species tahan sampai 700C.

• Umumnya hanya eukariot sel tunggal yang dapat menyelesaikan hidupnya pada suhu diatas 500C dan hanya prokariot dapat membelah dan tumbuh di atas suhu 600C.

Page 48: FISIOLOGI CEKAMAN

Tabel 2. Suhu panas mematikan pada beberapa tumbuhan

TumbuhanSuhu panas mematikan (0C)

Waktu pemaparan

Nicotiana rustica ( tembakau liar)Cucurbeta pepo (squash)Zea maysBrassica napusCitrus aurantium (citrus masam)Opuntia (cactus)Sempervivum arachnoideum (sukulen)Daun kentangKecambah pinusBiji Medicago (alfalfa)Buah anggurBuah tomatSerbuk sari pinusBeberapa lumut terhidrasiterdehidrasi

49 – 5149 – 5149 – 5149 – 5150.5›6557 – 6142.554 – 55120634570

42 – 5185 - 110

10 menit10 menit10 menit10 menit15 – 30 mnit--1 jam5 menit30 menit- -1 jam

--

Page 49: FISIOLOGI CEKAMAN

Pemaparan singkat secara periodic pada cekaman panas sublethal sering menginduksi toleransi terhadap panas; suatu fenomena yang disebut sebagai termotoleran terinduksi (Induced thermotolerance). Seperti telah disebut sebelumnya, cekaman air dan suhu saling berhubungan; tajuk tumbuhan dari sebagian besar C3 dan C4 dengan akses terhadap suplai air yang melimpah dijaga dibawah 450C oleh pendinginan evaporasi; ketika air menjadi terbatas, pendinginan evaporasi menurun dan suhu jaringan naik. Kecambah yang sedang muncul pada tanah yang lembab dapat membangun perkecualian pada aturan umum ini. Kecambah ini mungkin terpapar pada cekaman suhu yang lebih besar daripada yang tumbuh pada tanah yang lebih kering, karena tanah yang basah terbuka lebih gelap dan mengabsorbsi lebih banyak radiasi matahari daripada tanah yang lebih kering.

Page 50: FISIOLOGI CEKAMAN

CEKAMAN PANAS DAN KEJUTAN PANAS

• Suhu Daun yang Tinggi dan Kahat Air mengarah pada Cekaman Panas

• Pada Suhu tinggi, Fotosintesis dihambat sebelum Respirasi • Tumbuhan Teradaptasi pada Suhu Dingin Beraklimasi Buruk

pada Suhu Tinggi• Suhu Tinggi mengurangi Stabilitas Membran• Beberapa Adaptasi Melindungi Daun dari Panas Berlebihan• Pada Suhu Tinggi, Tumbuhan Menhasilkan Protein Kejutan

Panas

• Faktor Transkripsi Memediasi Akumulasi HSP dalam Respon

terhadap Kejutan Panas.• HSPs memediasi termotoleran• Adaptasi pada Cekaman Panas dimediasi oleh Calsium sitosol.

Page 51: FISIOLOGI CEKAMAN

Suhu Daun yang Tinggi dan Kahat Air mengarah pada Cekaman Panas

• Tumbuhan CAM, seperti Opuntia dan Sempervivum tahan suhu jaringan 600-650C pada kondisi radiasi matahari yang terik di musim panas. CAM menjaga stomatanya tertutup pada siang hari, tidak dapat didinginkan oleh transpirasi, panas dari radiasi matahari dilepas dengan memancarkan kembali radiasi gelombang panjang (infra red) dan kehilangan panas dengan konduksi dan konveksi.

• tumbuhan C3 dan C4 mengandalkan pada pendinginan transpirasi untuk menurunkan suhu daun. Suhu daun dapat segera naik 4-50C di atas suhu udara sekitarnya ketika kekurangan air tanah menyebabkan penutupan parsial stomata atau ketika kelembaban relatif yang tinggi menurunkan potensi pendinginan transpirasi.

• Pada kapas yang diirigasi, pendinginan transpirasi yang besar berhubungan dengan hasil agronomi yang tinggi.

Page 52: FISIOLOGI CEKAMAN

Pada Suhu tinggi, Fotosintesis dihambat sebelum Respirasi

• Fotosintesis dan respirasi keduanya dihambat pada suhu tinggi, tetapi ketika suhu naik, laju fotosintesis turun tajam sebelum laju respirasi .

• Pada suhu dimana jumlah CO2 yang difiksasi oleh fotosintesis sama dengan jumlah CO2 yang dilepas oleh respirasi, disebut titik kompensasi suhu ( temperature compensastion point).

• Pada suhu di atas suhu kompensasi , fotosintesis tidak dapat mengganti karbon yang dipakai sebagai substrat respirasi – cadangan karbohidrat menurun,

– sayuran dan buah2an kehilangan rasa manis.

– titik suhu kompensasi biasanya lebih rendah pada daun yang ternaungi daripada daun yang terpapar cahaya matahari (dan panas).

– Laju respirasi yang diperkuat relatif terhadap fotosintesis pada suhu tinggi lebih merusak pada tumbuhan C3 daripada tumbuhan C4 atau tumbuhan CAM, sebab laju respirasi gelap dan fotorespirasi pada tumbuhan C3, pada suhu yang lebih tinggi keduanya naik.

Page 53: FISIOLOGI CEKAMAN

35 40 45 50 55 60 65

fotosintesis

Respirasi

Kebocoran ion

T.oblongifolia

A.sabulosa

A

B

C

Gambar 5. Respon T.oblongifolia dan A.sabulosa terhadap cekaman suhu. A.Fotosintesis, B.Respirasi diukur pada daun yang masih melekat, dan kebocoran ion (C) diukur pada potongan daun dalam air.Pada awal percobaan , laju kontrol diukur pada suhu tidak mencederai 300C. Daun yang akan diukur dipaparkan pada suhu yang dikehendaki selama 15 menit .dan dikembalikan ke kondisi kontrol sebelum diukur.Panah menunjukkan suhu ambang inhibisi pada fotosintesis bagi kedua jenis. Fotosintesis dan respirasi dan permiabilitas membran lebih sensitif terhadap kerusakan suhu pada A.sabulosa daripada T. oblongi olia. Pada kedua jenis fotosintesis lebih sensitif pada cekaman suhu daripada kedua proses lainnya., dan fotosintesisberhenti total pada suhu yang tidak merugikan pada respirasi.

Perubahan konduktivitas(persen/menit) 0.1 0.2 0.3

Pelepasan CO2 Pengamblan CO2

Persen dari control tidal kena panas

50 100

50 100

Tumbuhan Teradaptasi pada Suhu Dingin Beraklimasi Buruk pada Suhu Tinggi

Page 54: FISIOLOGI CEKAMAN

Suhu Tinggi mengurangi Stabilitas Membran

• Stabilitas membran sel penting pada cekaman suhu, baik suhu tinggi, rendah dan beku. Fluiditas berlebihan dari lipid membran pada suhu tinggi hilang fungsi fisiologisnya. Pada oleander (Nerium oleander), aklimasi pada suhu tinggi berhubungan dengan derajat kejenuhan yang lebih tinggi dari asam lemak pada lipid membran yang membuat membran kurang liquid.

• Pada suhu tinggi kekuatan ikatan hidrogen turun dan interaksi elektronik antara gugus polar dari protein dalam fase cair dari membran. Dengan demikian suhu tinggi merubah komposisi dan struktur membran dan dapat menyebabkan kebocoran ion (lihat gambar 5.) Kerusakan membran juga menyebabkan penghambatan proses seperti fotosintesis dan respirasi, yang tergantung pada aktivitas pembawa elektron dan enzim yang berasosiasi dengan membran.

• Akan tetapi, suhu dimana enzim- enzim itu mulai terdenaturasi dan kehilangan aktivitasnya jauh lebih tinggi daripada suhu dimana fotosintesis mulai menurun. Hasil ini menunjukkan bahwa status awal cedera panas pada fotosintesis lebih langsung dihubungkan pada perubahan sifat membran dan pada ketidaksesuaian mekanisme transfer energi dalam kloroplas dari pada denaturasi umum protein.

Page 55: FISIOLOGI CEKAMAN

Beberapa Adaptasi Melindungi Daun dari Panas Berlebihan

• Pada lingkungan dengan radiasi matahari yang terik dan suhu tinggi, tumbuhan menghindari pemanasan berlebihan dengan menurunkan absorpsi radiasi matahari. Pada kondisi demikian , energi absorpsi yang bertambah dapat merusakan daun

• Resitensi kekeringan dan panas, tergantung pada adaptasi yang sama; rambut2 daun dan lilin daun yang reflektif; penggulungan daun dan orientasi daun tegak; daun kecil dan sangat terbelah untuk meminimasikan boundary layer; ketebalan dan karena itu memaksimumkan kehilangan panas konvektif dan konduktif. – Beberapa semak padang pasir – misalnya Encelia

farrinosa (semak rumpil putih dari suku Compositae) – mempunyai daun dimorfik untuk menghindari pemanasan berlebihan: Daun yang hijau yang hampir tidak berbulu yang ditemukan pada musim dingin digantikan dengan daun berbulu putih pada musim panas.

Page 56: FISIOLOGI CEKAMAN

Pada Suhu Tinggi, Tumbuhan Menhasilkan Protein Kejutan Panas

• Respon terhadap kenaikan suhu 5-100C yang tiba-tiba, tumbuhan memproduksi Protein Kejutan Panas (heat shock proteins -HSPs). Sebagian besar fungsi HSPs adalah untuk membantu sel bertahan terhadap cekaman panas dengan berlaku sebagai pendamping (Chaperons) molekul. Cekaman panas menyebabkan banyak protein sel yang berfungsi sebagai ensim atau komponen structural menjadi terbuka lipatannya atau terlipat salah , dengan demikian menyebabkan hilangnya struktur dan aktivitas ensim yang benar.

• Protein yang salah lipatannya sering beragregasi dan mengendap menimbulkan masalah serius dalam sel. HSPs berlaku sebagai pendamping molekul dan memberikan layanan agar lipatannya benar dan untuk mencegah melipatan yang salah dari protein. Ini semua memfasilitasi fungsi sel yang benar pada suhu yang tinggi yang cenderung menyebabkan cekaman.

• Protein kejutan panas ditemukan pada lalat buah (Drosophila melanogaster) dan sejak itu telah diindentifikasi pada hewan lain, pada manusia, serta pada tumbuhan, fungi, dan mikroorganisme.

Page 57: FISIOLOGI CEKAMAN

Tabel 3. Lima kelas HSPs yang ditemukan pada tumbuhan

Kelas HSP

Ukuran (kDa)

Contoh (Arabidopsis/prokariot)

Lokasi dalam sel

HSP 100HSP 90HSP 70HSP 60smHSP

100 – 11480 – 9469 – 7157 – 6015 – 30

AtHSP101 / ClpB, ClpA/CAtHSP90 / HtpGAtHSP70 / DnaKAtTCP-1 / GroEL, GroESBerbagai macam AtHSP22, AtHSP20, AtHSP18.2, AtHSP17.6 / IBPA/B

Sitosol, mitochondria, khloroplasSitosol, endoplasmic reticulumSitosol/inti, mitochondria, khloroplasMitokhondria, khloroplasSitosol, mitochondria, khloroplas, endoplasmic reticulum

●HSP60, HSP70, HSP90 dan HSP100 berperan sebagai pendamping molekul yang terlibat dalam stabilisasi dan pelipatan protein yang tergantung pada ATP, dan penggerombolan protein yang oligomerik. ● Beberapa HSP membantu transport polipeptida menyeberangi membran kedalam kompartemen sel.

Page 58: FISIOLOGI CEKAMAN

● Sel yang diinduksi untuk mensintesis HSP memperlihatkan toleransi suhu yang lebih baik dan dapat mentolerir paparan suhu yang kalau tidak bersifat letal. ● Beberapa HSP tidak unik untuk cekaman suhu tinggi. Mereka juga diinduksi oleh cekaman yang sangat berbeda, meliputi kahat air, perlakuan ABA, pelukaan, suhu rendah, dan salinitas. ● Jadi, sel yang sebelumnya terpaparkan pada satu cekaman mungkin memperoleh proteksi silang terhadap cekaman lainnya.

Pada buah tomat, kejutan panas (48 jam pada suhu 380C) menunjang akumulasi HSP

dan melindungi sel untuk 21 hari dari pendinginan pada suhu 20C.

Page 59: FISIOLOGI CEKAMAN

Faktor Transkripsi Memediasi Akumulasi HSP dalam Respon terhadap Kejutan Panas.

• Semua sel tampak mengandung pendamping molekul yang terekspresikan secara konsitutif dan berfungsi seperti HSPs. Pendamping ini disebut protein pengenal kejutan panas (heat shock cognate proteins). Akan tetapi ketika sel dipaparkan pada episode panas yang mencekam tetapi tidak letal. Sintesis HSPs secara dramatis naik sementara keterlajutan translasi dari protein lain secara dramatis diturunkan atau berhenti samasekali.Respon terhadap kejutan panas ini kelihatnnya dimediasi oleh faktor transkripsi spesifik (HSF) yang beraksi pada transkripsi mRNA HSP.

• Ketika tidak ada cekaman panas HSF berada sebagai monomer yang tidak mampu mengikat DNA dan mengarahkan transkripsi. Cekaman menyebabkan monomer HSF berasosiasi menjadi trimer yang kemudian mampu mengikat elemen sekuen spesifik pada DNA yang disebut sebagai elemen kejutan panas ( HSEs).Begitu terikat pada HSE trimerrik HSF difosforilisasi dan mendorong transkripsi mRNA HSP. HSP70 kemudian mengikat HSF menyebabkan disosiasi kompleks HSF/HSE dan HSF kemudian didaur ulangkan menjadi bentuk monomer HSF. Dengan demikian dengan aksi HSF,HSP terakumulasi sampai mereka menjadi cukup melimpah untuk mengikat HSF yang mengarah pada pemberhentian produksi mRNA HSP.

Page 60: FISIOLOGI CEKAMAN

HSPs memediasi termotoleran• Kondisi yang menginduksi toleransi suhu pada tumbuhan sesuai

dengan yang menginduksi akumulasi HSP, tetapi korelasi itu sendiri tidak membuktikan bahwa HSPs memainkan peran penting dalam aklimasi terhadap cekaman panas. Percobaan yang lebih konklusif memperlihatkan bahwa ekspresi dari HSF teraktivasi menginduksi sintesis HSPs yang konstitutif dan menaikkan termotoleran dari Arabidopsis. Studi dengan tumbuhan Arabidopsis yang mengandung antisense sekuen DNA yang menurunkan sintesis HSP70 memperlihatkan bahwa suhu tinggi ekstrem pada mana tumbuhan dapat survive diturunkan 20C dibandingkan dengan kontrol, walaupun tumbuhan mutant tumbuh secara normal pada suhu optimal.

• Mungkin kegagalan untuk mensintesis keseluruhan bentuk dari HSPs yang biasanya diinduksi pada tumbuhan akan mengarah pada kehilangan yang lebih dramatic. Lain studi dengan mutan Arabidopsis maupun tumbuhan transgenic mendemonstrasikan bahwa setidaknya HSP101 adalah komponen kritis dari keduanya termotoleran terinduksi maupun konstitutif pada tumbuhan.

Page 61: FISIOLOGI CEKAMAN

Adaptasi pada Cekaman Panas dimediasi oleh Calsium sitosol

• Ensim yang berpartisipasi dalam lintasan metabolik dapat mempunyai respon suhu yang berbeda, dan termostabilitas yang berbeda demikian ini dapat menyebabkan ketidakseimbangan yang sukar untuk dikoreksi.

• Disamping itu, cekaman panas dapat mempengaruhi aktivitas ATP-ase yang memompa proton dari sitosol kedalam apoplas atau vakuola sehingga menyebabkan asidifikasi dari sitosol, yang dapat menyebabkan gangguan metabolik tambahan pada saat cekaman. Sel dapat mempunyai mekanisme aklimasi metabolik yang memperbaiki pengaruh dari cekaman panas pada metabolime.

• Satu dari aklimasi metabolik pada cekaman panas adalah akumulasi dari asam amino nonprotein -amino asam butirat (-aminobutyric acid –GABA). Dalam episode cekaman panas, GABA terakumulasi sampai pada level 6-10 kali lipat lebih tinggi daripada tumbuhan yang tidak kena cekaman. GABA disitesis dari asam amino L-glutamat dekarboksilase (GAD). GAD adalah satu dari beberapa ensim yang aktivitasnya dimodulasi oleh calmodulin, regulatory protein yang diaktivasi oleh Calcium.

• Calmodulin yang diaktivasi oleh Ca, mengaktivasi GAD dan menaikkan laju biosintesis GABA. Pada tumbuhan transgenik yang mengekspresikan aquaporin, protein yang men-sense calcium, diperlihatkan bahwa cekaman suhu tinggi menaikkan level Calsium sitosol dan kenaikkan ini menyebabkan aktivasi GAD yang dimediasi calmodulin dan akumulasi GABA yang diinduksi oleh suhu tinggi.

• Walaupun GABA adalah molekul israrat penting pada jaringan otak mamalia, tidak ada bukti bahwa ini berfungsi sebagai molekul isyarat pada tumbuhan. Fungsi yang mungkin dari GABA pada resitensi cekaman panas masih dalam penelitian.

Page 62: FISIOLOGI CEKAMAN

PENDINGINAN DAN PEMBEKUAN• Suhu yang mendinginkan adalah suhu yang terlalu rendah untuk

pertumbuhan normal tetapi tidak cukup rendah bagi es untuk terbentuk.umumnya , jenis tropis dan subtropis rentan terhadap cedera dingin.

• Ketika tumbuhan tumbuh pada suhu yang relatih hangat (25 – 350C) didinginkan pada suhu 10 – 150C, cedera pendinginan terjadi; pertumbuhan melambat, perubahan warna atau bercak kerusakan terlihat pada daun, dan tajuk kelihatan rebah lembek basah seperti kalau direndam dalam air untuk waktu yang lama. Kalau akar juga kedinginan, tumbuhan mungkin layu.

• Jenis yang sensitif pendinginan memperlihatkan variasi respon yang besar terhadap suhu yang mendinginkan. Adaptasi genetik pada suhu yang lebih dingin memperbaiki resistensi terhadap pendinginan.. Kerusakan karena pendinginan dengan demikian dapat diminimumkan apabila pemaparannya lambat dan gradual. Pemaparan yang tiba-tiba pada suhu dekat 00C, disebut kejutan dingin, menaikkan peluang cedera besar sekali.

• Cedera beku, sebaliknya terjadi pada suhu dibawah titik beku air. Induksi penuh agar toleran terhadap pembekuan, seperti terhadap dingin, memerlukan periode aklimasi pada suhu dingin.

Page 63: FISIOLOGI CEKAMAN

PENDINGINAN DAN PEMBEKUAN• Sifat Membran Berubah dalam Merespon Cedera dingin • Pembentukan Kristal Es dan Dehidrasi Protoplas Membunuh

Sel.• Pembatasan Pembentukan Es berkontribusi pada toleransi

terhadap pembekuan• Beberapa Tumbuhan Berkayu dapat beraklimasi terhadap Suhu

Amat Rendah.• Resistan terhadap Suhu Beku terkait dengan Supercooling dan

Dehidrasi Lambat.• Beberapa bacteria yang Hidup pada Permukaan Daun

meningkatkan kerusakan frost• ABA dan Sintesis Protein terkait dengan Aklimasi untuk

pembekuan • Banyak gen diinduksi ketika aklimasi dingin • Faktor Transkripsi meregulasi Ekspresi Gen yang diinduksi

oleh dingin.

Page 64: FISIOLOGI CEKAMAN

Sifat Membran Berubah dalam Merespon Cedera dingin

• Daun tumbuhan yang cedera karena kedinginan memperlihatkan penghambatan fotosintesis, translokasi karbohidrat, laju respirasi, sintesis protein, dan meningkatnya degradasi protein. Semua respon tergantung pada mekanisme primer yang sama terkait dengan kehilangan fungsi membran selama pendinginan.

• Misalnya solut bocor dari daun Passiflora maliformis yang peka terhadap kedinginan, yang ditaruh pada air pada suhu 00C , tetapi tidak dari daun Passiflora caerulea yang resistan terhadap kedinginan. Kehilangan solut kedalam air merefleksikan kerusakan pada membran plasma dan mungkin juga pada tonoplas. Pada gilirannya hambatan pada fotosintesis dan respirasi merefleksikan kerusakan pada membran khloroplas dan mitokhondria.

• Kenapa membran dipengaruhi oleh pendinginan? Membran tumbuhan terdiri dari lapisan rangkap lipid yang diselingi dengan protein dan sterol. Sifat fisik dari lipid sangat mempengaruhi aktivitas dari protein membran integral , meliputi H+-ATPases, carriers dan protein pembentuk channel yang meregulasi transport ion dan solut lainnya, juga transport ensim pada mana metabolisme tergantung.

Page 65: FISIOLOGI CEKAMAN

Tabel 4. Komposisi asam lemak dari mitokhondria diisolasi dari jenis yang resisten dan peka terhadap kedinginan

Asam lemak utamaPersen kandungan bobot total asam lemak

Jenis resisten kedinginan Jenis peka kedinginan

Tunas Cauli flower

Akar turnip

Tajuk pea Tajuk bean

Ubu jalar Tajuk jagung

Palmitat (16:0)Stearat (18:0)Oleat (!8:0)Linoleat (18:2)Linolenat (18:3)

12.31.97.016.449.4

19.01.112.220.644.9

12.82.93.161.913.2

24.02.23.843.624.3

24.92.60.650.810.6

28.31.64.654.66.8

Ratio antara asam lemak tidak jenuh : jenuh

3.2 3.9 3.8 2.8 1.7 2.1

Page 66: FISIOLOGI CEKAMAN

Pembentukan Kristal Es dan Dehidrasi Protoplas Membunuh Sel.

• Kemampuan untuk mentoleransi suhu beku bervariasi diantara jaringan. Biji, jaringan lain yang terdehidrasi sebagian, dan spora fungi dapat disimpan tanpa batas pada suhu dekat nol absolute (00K atau -2730C), mengindikasikan bahwa suhu yang begini rendah secara intrinsic tidak merugikan

• Sel vegetatif, yang terhidrasi penuh dapat juga menjaga viabilitas kalau mereka didinginkan dengan sangat cepat untuk menghindari pembentukan kristal es besar yang tumbuh lambat.yang akan merobek dan menghancurkan struktur subseluler. Kristal es yang terbentuk dalam pembekuan yang sangat cepat adalah terlalu kecil untuk menyebabkan kerusakan mekanis.

• Sebaliknya, pemanasan yang cepat dari jaringan yang beku diperlukan untuk menghindari pertumbuhan kristal es kecil menjadi kristal dari ukuran yang merusak, atau untuk menjaga kehilangan uap air dengan sublimasi, keduanya itu terjadi pada suhu intermediate (-100 s/d -100C).

Page 67: FISIOLOGI CEKAMAN

Pembentukan Kristal Es dan Dehidrasi Protoplas Membunuh Sel.

• Dibawah kondisi alam, pendinginan organ tumbuhan multiseluler, utuh tidak pernah cukup cepat untuk membatasi pembentukan kristal es pada sel yang terhidrasi penuh hanya kristal kecil tidak membahayakan. Es biasanya terbentuk pertama dalam ruang intersel dan dalam vessel xylem, sepanjang mana es dapat dengan cepat bertambah. Pembentukan es ini tidak letal pada tumbuhan yang keras, dan jaringan akan sembuh sempurna kalau dihangatkan. Akan tetatpi, ketika tumbuhan dipaparpan pada suhu beku untuk periode yang lama, pertumbuhan kristal es estraseluler mendorong air yang masih cair dari protoplast ke es extraseluler, yang menyebabkan dehidrasi berlebihan.

• Dalam pembekuan yang cepat , protoplas, meliputi vakuola, mengalami pedinginan super (supercools) ; yaitu air sel tetap liquid bahkan pada suhu beberapa derajad dibawah titik bekunya teoritis. Beberapa ratus molekul diperlukan untuk suatu kristal es agar mulai terbentuk. Proses dengan mana ratusan molekul air mulai membentuk kristal es yang stabiil disebut nukleasi es ( ice nucleation), dan ini sangat tergantung pada sifat dari permukaan terkait. Beberapa polisakarida besar dan protein memfasilitasi pembentukan kristal es dan disebut nukleator es.

• Beberapa protein nukleasi es yang dibuat oleh bakteri nampak memfasilitasi nukleasi es dengan menjajarkan molekul air sepanjang domain asam amino ulang dalam protein. Pada sel tumbuhan, kristal es mulai tumbuh dari nukleator es endogenus , dan es kristal intraseluler yang relatif besar, yang terjadi , menyebabkan kerusakan yang intensif pada sel dan biasanya letal (mematikan).

Page 68: FISIOLOGI CEKAMAN

Pembatasan Pembentukan Es berkontribusi pada toleransi terhadap pembekuan

• Beberapa protein tumbuhan terspesialisasi membantu membatasi pertumbuhan kristal es dengan mekanisme nonkoligatif – yaitu suatu pengaruh yang tidak tergantung pada penurunan titik beku air oleh adanya solute. Protein antibeku ini diinduksi oleh suhu dingin, dan mereka menempel pada permukaan kristal es mencegah pertumbuhan kristal selanjutnya.

• Pada daun rye protein antibeku ditempatkan pada sel sel epidermis dan sel sekitar ruang antarsel , dimana mereka dapat menghambat pertumbuhan es ekstraseluler. Tumbuhan dan hewan mungkin memakai mekanisme yang mirip untuk membatasi kristal es.

• Gen yang diinduksi dingin (cold) diindentifikasi pada Arabidopsis mempunyai homolog DNA pada gen yang mensandi protein antibeku ikan seperti ikan winter flounder. Gula dan beberapa protein diinduksi yang dingin (cold) diduga mempunyai pengaruh cryoprotective (cryo=”cold” dingin); mereka menstabilasi protein dan membrane selama dehidrasi yang diinduksi oleh suhu rendah. Pada gandum musim dingin, makin besar konsentrasi sukrosa makin besar pula toleransi terhadap suhu beku. Sukrosa mempredominasi diantara gula yang larut terkait dengan toleransi suhu beku yang berfungsi secara coligatif, tetapi pada beberapa jenis tumbuhan rafinosa, fruktan, sorbitol, atau mannitol memberikan fungsi yang sama.

Page 69: FISIOLOGI CEKAMAN

Beberapa Tumbuhan Berkayu dapat beraklimasi terhadap Suhu

Amat Rendah • Pada tingkat pertama, pengerasan diinduksi pada awal musim

gugur dengan pemaparan pada hari pendek dan suhu dingin non beku, keduanya berkombinasi untuk menghentikan pertumbuhan. Faktor yang dapat berdifusi yang mendorong aklimasi (mungkin ABA) bergerak dalam phloem dari daun ke batang yang sedang mengalami overwinter dan mungkin bertangung jawab untuk perubahan. Selama periode ini , species berkayu juga mengambil air dari vessel xylem, dengan demikian mencegah batang pecah sebagai respon terhadap ekspansi air pada pembekuan berikutnya. Sel sel pada tingkat pertama aklimasi ini dapat survive suhu jauh dibawah 00C, tetapi mereka belum mengeras secara penuh.

• Pada tingat kedua pemaparan langsung pada pembekuan adalah stimulus ; tidak diketahui adanya factor yang translocatable dapat menjelaskan pengerasan akibat dari pemaparan pada pembekuan. Ketika mengeras penuh, sel dapat mentolerir pepamaran pada suhu -50 sampai -1000C.

Page 70: FISIOLOGI CEKAMAN

Resistan terhadap Suhu Beku terkait dengan Supercooling dan

Dehidrasi Lambat.• Pada banyak jenis hutan kayu keras dari selatan Canada dan timur

Amerika Serikat , aklimasi pada pembekuan terkait dengan pengurangan pembentukan kristal es pada suhu jauh dibawah titik beku teoritis. Supercooling yang dalam ini dilihat pada species seperti oak, elm, maple, beech, peach, dan plum. Suprcooling dalam juga terjadi pada jaringan batang dan daun dari species pohon seperti Picea engelmannii dan Abies lasiocarpa yang tumbuh di Rocky Mountain Colorado.

• Resistansi terhadap pembekuan dengan cepat melemah begitu pertumbuhan mulai lagi pada musim semi. Jaringan batang dari A.lasiocarpa yang mengalami supercooling dalam (deep supercooling) dan tetap viable dibawah – 350C pada bulan Mei, kehilangan kemampuannya untuk menekan pembentukan es pada bulan Juni dan dapat mati pada suhu – 100C.

• Sel dapat ber –supercool hanya sampai kira-kira – 400C, pada suhu mana es terbentuk secara spontan. Pembentukan es secara spontan menentukan batas suhu rendah pada mana banyak species alpine dan subartic yang menjalani deep supercooling dapat survive. Ini juga menjelaskan mengapa ketinggian dari timberline pada pegunugan ada pada atau dekat dengan isoterm minimum – 400C.

Page 71: FISIOLOGI CEKAMAN

Resistan terhadap Suhu Beku terkait dengan Supercooling dan

Dehidrasi Lambat.• Protoplasma sel menghalangi nukleasi es ketika menjalani deep

supercooling. Disamping itu dinding sel juga menahan pertumbuhan es dari ruang intraseluler kedalam dinding sel, dan menahan kehilangan air dari protoplasma ke es extraseluler, yang didorong oleh perbedaan tekanan uap yang tajam.

• Banyak kuncup bunga ( misalnya anggur, blueberry, peach, azalea, dll) tahan musim dingin dengan deep supercooling , dan kerugian ekonomis serius terutama peach dapat terjadi dari penurunan toleransi terhadap pembekuan kuncup bunga pada musim semi. Sel pada saat ini tidak lagi supercool dan kristal es yang terbentuk secara extraseluler pada kuncup daun menarik air dari meristem apikal, mematikan pucuk bunga dengan dehidrasi.

• Pucuk bunga dari apel dan pear, kuncup vegetatif dari pohon buah2an iklim sedang dan sel yang hidup pada kulit pohon tidak supercool, tetapi mereka tahan dehidrasi oleh pembentukan es extraseluler. Resistensi terhadap dehidrasi seluler dikembangkan hebat pada species berkayu yang terpaparkan pada suhu minimum tahunan rata rata dibawah – 400C, terutama species yang ditemukan utara Canada, Alaska, utara Eropa dan Asia.

Page 72: FISIOLOGI CEKAMAN

Resistan terhadap Suhu Beku terkait dengan Supercooling dan Dehidrasi Lambat.

• Pembentukan es mulai pada -3 ke -50C pada ruang interseluler, dimana kristal akan terus tumbuh, disuplai oleh penarikan gradual air dari protoplasma, yang tetap tidak membeku. Resistan terhadap suhu beku tergantung pada kapasitas ruang extraseluler untuk mengakomodasi volume dari kristal es yang tumbuh dan pada kemampuan dari protoplas untuk bertahan dehidrasi.

• Pembatasan pembentukan kristal es pada ruang extraseluler diikuti oleh dehidrasi protoplas secara gradual, mungkin menerangkan mengapa beberapa species berkayu yang resisten terhadap pembekuan juga resisten terhadap kekurangan air pada musim pertumbuhan. Misalnya species willow (Salyx), Betula papyrifera, Populus tremuloides, Prunus pensylvanica, Prunus virginianan dan Pinus contorta mentolerer suhu yang amat rendah dengan membatasi pembentukan kristal es pada ruang extrasel. Akan tetapi, perolehan resistensi tergantung pada pendinginan yang lambat dan pembentukan kristal es dan dehidrasi. protoplas yang gradual. Pemaparan yang tiba-tiba pada suhu yang amat rendah sebelum aklimasi penuh menyebabkan pembekuan intraseluler dan kematian sel.

Page 73: FISIOLOGI CEKAMAN

Beberapa bacteria yang Hidup pada Permukaan Daun meningkatkan kerusakan frost

• Ketika daun didinginkan pada suhu dalam sebaran -3 ke -50C , pembentukan kristal es pada permukaan daun (frost) dipercepat oleh bacteria tertentu yang secara natural mendiami permukaan daun, seperti Pseudomonas syringae dan Erwinia herbicola, yang berperan sebagai nukleator es. Ketika secara artifisial diinokulasikan dengan kultur dari bacteria ini, daun dari species yang frost sensitive membeku pada suhu yang lebih hangat daripada daun yang bebas bakteri.Es permukaan dengan cepat menyebar keruang interseluler dalam daun, yang menjurus pada dehidrasi seluler.

• Strain bakteri dapat secara genetika dimodifikasi sehingga mereka kehilangan karakternya membuat nukeus es. Strain yang demikian sudah dipakai secara komersial pada semprotan daun dari tanaman budidaya yang mahal, tetapi peka terhadap frost, seperti strawberry untuk berkompetisi dengan strain bakteri natif dan dengan demikian meminimkan angka dari titik potensial nukleasi es.

Page 74: FISIOLOGI CEKAMAN

ABA dan Sintesis Protein terkait dengan Aklimasi untuk pembekuan.

• ABA menginduksi toleransi terhadap pembekuan. Toleransi terhadap pembekuan ini meningkat pada suhu non aklimasi oleh kekurangan air ringan, atau pada suhu rendah, yang manapun dari keduanya ini meningkatkan konsentrasi ABA endogenus pada daun.

• Tumbuhan mengembangkan toleransi terhadap pembekuan pada suhu nonaklimasi ketika diperlakukan dengan ABA eksogen. Banyak dari gen atau protein yang diekspresikan pada suhu rendah atau dibawah kekurangan air juga dapat diinduksi oleh ABA dibawah kondisi nonaklimasi. Semua penemuan ini mendukung peran ABA dalam toleransi terhadap pembekuan.

Page 75: FISIOLOGI CEKAMAN

ABA dan Sintesis Protein terkait dengan Aklimasi untuk pembekuan

• Mutan Arabidopsis yang tidak sensitif ABA (abi1) atau defisien ABA (aba1) tidak dapat melakukan aklimasi suhu rendah untuk pembekuan. Akan tetapi, hanya pada aba1, pemaparan pada ABA mengembalikan kemampuan untuk mengembangkan toleransi terhadap pembekuan.

• Sebaliknya, tidak semua gen yang diinduksi oleh suhu rendah adalah ABA dependen, dan belum jelas apakah ekspresi gen yang diinduksi oleh ABA kritikal untuk pengembangan penuh dari toleransi terhadap pembekuan. Misalnya , penelitian toleransi tajuk rye terhadap pembekuan ditemukan bahwa suhu letal untuk 50% tajuk (LT50) adalah -2 sampai -50C untuk control yang tumbuh pada suhu 250C, -80C untuk tajuk yang diperlakukan dengan ABA, dan -280C setelah aklimasi pada 20C.

Page 76: FISIOLOGI CEKAMAN

ABA dan Sintesis Protein terkait dengan Aklimasi untuk pembekuan

• Jelas bahwa ABA eksogen tidak dapat memberikan aklimasi pembekuan yang sama seperti pemaparan pada suhu rendah. Kultur sel dari Bromus inermis memperlihatkan induksi yang lebih dramatic dari toleransi pembekuan ketika diperlakukan dengan ABA: sementara control ditumbuhkan pada 250C dapat survive pada –90C, 7 hari pemaparan pada ABA meningkatkan toleransi pembekuan ke -400C.

• Secara tipikal, minimum beberapa hari pemaparan pada suhu rendah diperlukan untuk resistensi pembekuan untuk diinduksi secara penuh. Kentang memerlukan 15 hari pemaparan pada suhu dingin. Sebaliknya ketika dihangatkan tanaman kehilangan toleransinya terhadap pembekuan dengan cepat, dan mereka dapat menjadi rentan terhadap pembekuan lagi dalam waktu 24 jam.

• Keperluan suhu rendah untuk menginduksi aklimasi terhadap pendinginan (chilling) atau pembekuan (freezing) dan kehilangan yang cepat dari aklimasi pada penghangatan , menerangkan kerentanan tanaman diselatan Amerika Serikat ( dan zona iklim yang sama dengan musim dingin yang sangat bervariasi) terhadap ekstrem dari suhu pada bulan bulan musim dingin, ketika suhu udara dapat anjlok dari 20-250C menjadi 00C dalam beberapa jam saja.

Page 77: FISIOLOGI CEKAMAN

Banyak gen diinduksi ketika aklimasi dingin • Ekspresi dari gen tertentu dan sintesis protein yang spesifik adalah sama bagi

cekaman panas maupun dingin, tetapi beberapa aspek ekspresi gen yang diinduksi dingin berbeda dari yang dihasilkan oleh cekaman panas. Ketika episode dingin sintesis protein “penjaga rumah” (protein yang dibuat ketika tidak ada cekaman) tidak diregulat turun secara substansial, selama cekaman panas sintesis protein penjaga rumah secara esensial berhenti.

• Sebaliknya sintesis dari beberapa protein kejutan panas yang dapat berperan sebagai molekul chaperon diregulat naik dibawah cekaman dingin dengan jalan yang sama seperti pada cekaman panas. Ini menyarankan bahwa destabilisasi protein menyertai keduanya cekaman panas dan cekaman dingin dan bahwa mekanisme untuk menstabilkan struktur protein selama episode panas dan dingin adalah penting untuk survival.

• Kelas protein lainnya yang penting yang ekspresinya adalah regulat-naik oleh cekaman dingin adalah protein antibeku ( Antifreeze proteins). Protein antibeku pertama ditemukan pada ikan yang hidup dalam air dibawah gunung es kutub, protein ini mempunyai kemampuan untuk menghambat pertumbuhan kristal es dengan cara nonkoligatif, jadi mencegah kerusakan beku pada suhu intermediate beku.

• Protein antibeku memberi larutan cair sifat histeresis suhu, thermal hysteresis (transisi dari liquid ke solid didorong pada suhu rendah daripada transisi dari solid ke liquid), dengan demikian mereka kadang disebut sebagai Protein histeresis suhu ( thermal hysteresis proteins) -THPs

Page 78: FISIOLOGI CEKAMAN

Banyak gen diinduksi ketika aklimasi dingin

• Beberapa tipe protein antibeku yang diinduksi dingin, telah ditemukan pada monocot yang mengeras pada musim dingin yang diaklimasi dingin. Ketika gen spesifik yang mensandi protein ini diklon dan disekuen, ditemukan bahwa semua protein antibeku termasuk dalam kelas protein seperti endochitanses dan endoglucanases, yang diinduksi pada infeksi pathogen yang berbeda-beda. Protein ini disebut protein terkait patogenesis ( pathogenesis related (PR) proteins) diduga untuk melindungi tumbuhan dari patogens. Jadi nampak bahwa setidaknya pada monocot peran ganda dari protein sebagai antibeku dan protein terkait patogenesis melindungi sel tumbuhan dari keduanya cekaman dingin dan serangan pathogen.

• Grup protein lainnya yang ditemukan terkait dengan cekaman osmosis juga diregulat naik selama cekaman dingin. Grup ini meliputi protein yang terkait dalam sintesis osmolytes, protein untuk stabilisasi membrane , dan protein LEA. Karena pembentukan kristal es extraselular menimbulkan cekaman osmotik yang signifikan dalam sel , mengatasi cekaman pembekuan juga memerlukan cara untuk mengatasi cekaman osmotik.

Page 79: FISIOLOGI CEKAMAN

Faktor Transkripsi meregulasi Ekspresi Gen yang diinduksi oleh dingin

• Lebih dari 100 gen diregulasi-naik oleh cekaman dingin. Olehkarena cekaman dingin terkait dengan respon ABA dan dengan cekaman osmosis, tidak semua gen diregulasi naik oleh cekaman dingin perlu dikaitkan dengan toleransi dingin, tetapi paling mungkin memang banyak dari mereka adalah demikian. Banyak gen yang diinduksi cekaman dingin diaktivasi oleh aktivactor transkripsi yang disebut C-repeat binding factor (CBF1, CBF2, CBF3, juga disebut masing-masing DREB1b, DREB1c, DREB1a).

• Faktor transkripsi tipe CBF/DREB1 menempel pada elemen CRT/DRE( C- repeat/dehydration responsive, ABA- dependent sequence elements) pada sekuen promoter gen. CBF/DREB1 terlibat dalam respon transkripti koordinat dari banyak gen yang diregulasi oleh cekaman dingin dan osmotic, yang semuanya mengandung elemen CRT/DRE pada promoternya. CBF1/DREB1b adalah unik dimana dia ini diinduksi terutama oleh cekaman dingin dan tidak oleh cekaman osmotic atau cekaman salinitas, sedangkan elemen pengikat DRE dari tipe DREB2 diinduksi hanya oleh cekaman osmotic dan salinitas dan tidak oleh cekaman dingin.

• Ekspresi dari CBF1/DREB1b dikendalikan oleh factor transkripsi terpisah, disebut ICE (Inducer of CBF Expression). Faktor trsankripsi ICE tidak nampak dikendalikan oleh dingin, dan diperkirakan bahwa ICE atau protein terkait adalah diaktivasi setelah transkripsi ( posttranscriptionally) , yang memungkinkan aktivasi dari CBF1/DREB1b, tetapi jalur isyarat yang persis dari persepsi dingin, isyarat calsium dan aktivasi ICE sedang dalam investigasi.

Page 80: FISIOLOGI CEKAMAN

CEKAMAN GARAM

• Dibawah kondisi alamiah, tumbuhan tinggi daratan mendapati konsentrasi garam tinggi dekat dengan pantai dan estuari dimana air laut dan air tawar bercampur atau saling menggantikan sesuai pasang surut air laut. Jauh kedarat, rembesan garam alamiah dari deposit marin geologi dapat mengalir ke daerah didekatnya yang menjadikan daerah itu tidak dapat dipakai untuk pertanian. Akan tetapi suatu masalah yang jauh lebih ekstensif pada pertanian adalah akumulasi garam dari air irigasi.

• Evaporasi dan transpirasi memindahkan air murni ( sebagai uap) dari tanah, dan kehilangan air ini mengkonsentrasian solute dalam tanah. Ketika air irigasi mengandung konsentrasi solute yang tinggi dan ketika tidak ada peluang untuk membilas keluar garam yang terakumulasi kepada suatu system drainase, maka garam dapat dengan cepat mencapai tingkat mencederai jenis yang sensitif.

• Diperkirakan sepertiga dari tanah irigasi di dunia terpengaruh oeh garam.

Page 81: FISIOLOGI CEKAMAN

CEKAMAN GARAM

• Akumulasi Garam di Tanah Menganggu Fungsi Tumbuhan dan Struktur Tanah

• Salinitas Menekan Pertumbuhan dan Fotosintesis pada Jenis yang Sensitif

• Cedera Garam Melibatkan kedua Pengaruh Osmosis dan Ion Spesifik

• Tumbuhan menggunakan Strategi berbeda untuk Menghindari Cedera Garam

• Eksklusi Ion adalah Kritikal untuk Aklimasi dan Adaptasi terhadap Cekaman Salinitas

• Sodium Ditransportasikan Melewati Membran Plasma dan Tonoplas

Page 82: FISIOLOGI CEKAMAN

Akumulasi Garam di Tanah Menganggu Fungsi Tumbuhan dan Struktur Tanah

• [Na+], tinggi =sodisitas, • [ garam total] tnggi = salinitas. • Dua konsep ini sering berkaitan tetapi pada beberapa

daerah Ca2+, Mg2+, dan SO42- , begitu juga NaCl dapat

memberikan kontribusi substansial pada salinitas. • Konsentrasi Na+ yang tinggi dari tanah yang sodik dapat

bukan saja mencederai tumbuhan secara langsung tetapi juga mendegradasikan struktur tanah, menurun porositas, dan permeabilitas air. Tanah liat sodik yang diketahui sebagai caliche begitu keras dan tidak permiabel sehingga dinamit kadang2 diperlukan untuk menggali tanah ini.

Page 83: FISIOLOGI CEKAMAN

Tabel 1. Sifat air laut dan air irigasi yang baik

SifatAir Laut Air Irigasi

Konsentrasi ion (mM)Na+

K+

Ca++

Mg++

Cl-

SO42-

HCO3-

Potensi osmotik (MPa)Garam total terlarut (mg l-1 atau ppm)

4579.71056536282.3-2.4

32,000

‹2.0‹1.0

0.5 – 2.50.25 – 1.0

‹2.00.25 – 2.5

‹1.5-0.039

500

Page 84: FISIOLOGI CEKAMAN

Salinitas Menekan Pertumbuhan dan Fotosintesis pada Jenis yang Sensitif.

• Tumbuhan dapat dibagi dalam 2 kelompok besar berdasarkan responnya pada konsentrasi tinggi garam. – Halofita (Halophytes) adalah tumbuhan yang asli pada tanah2 salin dan

menyelesaikan siklus hidupnya pada lingkungan yang demikian ini. • Suaela maritima (tumbuhan pada air asin • Atriplex nummularia (semak garam),

– Glikofita ( Glycophytes- secara leterlek ”tumbuhan manis”) atau non halofita yang tidak mampu untuk menahan garam sederajat halofita. Biasanya ada ambang konsentrasi dari garam garam diatas tadi dimana glikofita mulai menampakkan tanda hambatan pertumbuhan, perubahan warna daun, dan kehilangan bobot kering.

• jagung, bawang merah, jeruk, pekan, selada, dan buncis adalah sangat sensitif terhadap garam,

• kapas dan barley toleran moderat • gula bit, kurma, adalah sangat toleran.

Page 85: FISIOLOGI CEKAMAN

0 100 200 300 400 500 600 700

20

4

0

6

0

80

100

12

0

140

Pet

um

buh

an

Per

sen

co

ntro

l p

ada

Cl-

lua

r re

nda

h

III

II

IA

IB

Grup IA (halofita) meliputi Suaeda maritime dan Atriplex nummularia. Jenis ini memperlihatkan stimulasi pertumbuhan dengan Cl- dibawah 400 mMGrup IB(halofita) meliputi Spartina townsendii dan gula bit ( Beta vulgaris) . Tumbuhan ini mentolerir garam tetapi pertumbuhan terhambat.Grup II ( Halofita dan nohalofita). Meliput rumput halofitik yang toleran garam yang tidak punya kelenjar garam, seperti Festuca rubra subs. Red fescue (littoralis) dan Puccinellia peisonis, dan nonhalofita seperti kapas dan barley ( Hordeum vulgare). Semua dihambat oleh konsentrasi garam yang tinggi.Dalam kelompok ini, tomat (Lycopersicon esculentum) adalah intermediat dan buncis ( Phaseolus vulgaris) dan kedelai adalah sensitif.Grup III ( Nonhalofita yang sangat sensitif garam) sangat dihambat atau mati oleh konsentrasi garam tinggi, meliputi pohon buah2an jeruk, advokat dsb.

Cl- (mM) larutan eksternal

20 4

0 6

0 8

0 10

0120

140

Pet

umbu

han

Per

sen

cont

rol p

ada

Cl-

luar

ren

dah

Gambar 6. Pertumbuhan beberapa species dengan perlakuan salinitas relatif terhadap kontrol yang tidak diperlakukan dengan salinitas. Kurva yang membagi wilayah itu didasarkan pada data dari species berbeda. Tumbuhan ditumbuhkan selama 1- 6 bulan

Page 86: FISIOLOGI CEKAMAN

Cedera Garam Melibatkan kedua Pengaruh Osmosis dan Ion Spesifik.

• Solut terlarut pada zona perakaran menimbulkan potensi osmosis yang rendah (lebih negatif) yang menurunkan potensi air tanah.

• Perbedaan besar antara lingkungan dng potensi air rendah yang disebabkan oleh salinitas versus desikasi tanah adalah jumlah air yang tersedia. – Pada desikasi tanah sejumlah air tertentu dapat diperoleh dari profil

tanah oleh tumbuhan yang menyebabkan penurunan yang terus menerus dari potensi air.

– Pada lingkungan yang salin sejumlah besar air tersedia pada potensi air yang konstan dan rendah.

• Sebagian besar tumbuhan dapat mengatur secara osmosis ketika tumbuh pada tanah salin. Pengaturan yang demikian mencegah hilangnya turgor (yang akan memperlambat pertumbuhan sel) sementara menghasilkan potensi air yang lebih rendah, tetapi tumbuhan2 ini sering berlanjut tumbuh lebih lambat setelah pengaturan ini untuk alasan yang tidak diketahui, yang sangat mengusik karena tidak terkait dengan turgor yang tidak cukup.

Page 87: FISIOLOGI CEKAMAN

Cedera Garam Melibatkan Pengaruh Osmosis dan Ion Spesifik

• Disamping respon tumbuhan terhadap potensi air rendah, pengaruh toksisitas ion spesifik juga terjadi ketika konsentrasi ion terutama Na+, Cl-, atau SO4

2-, terakumulasi dalam sel mecapai batas konsentrasi yang mencederai. Dibawah kondisi non-salin sitosol dari sel tumbuhan tinggi mengandung 100 sampai 200 mM K+ dan 1 sampai 10 mM Na+, suatu lingkungan ionik dimana banyak ensim berfungsi optimal. Suatu rasio tinggi abnormal dari Na+ dan K+ dan konsentrasi yang tinggi dari total garam menginaktivasi ensim dan menhambat sintesis protein. Pada konsentrasi yang tinggi Na+ dapat mengganti Ca++ dari membran plasma rambut akar kapas , yang mengkibatkan suatu perubahan permiabilitas membran plasma yang dapat dideteksi sebagai kebocoran K+ dari sel.

• Fotosintesis terhambat ketika konsentrasi tinggi Na+ dan/atau Cl- terakumulasi dalam kholoplast. Karena transpor elektron fotosintesis nampaknya relatif tidak sensitif terhadap garam, metabolisme karbon atau fosforilisasi mungkin yang terpengaruh. Ensim yang diekstrak dari jenis yang tahan garam, adalah sensitif pada adanya NaCl seperti ensim dari glikofita yang sensitif terhadap garam. Olehkarena itu resistensi halofita pada garam bukan sebagai konsekuensi dari metabolisme resisten garam. Sebaliknya ada mekanisme lain yang berperan penting menghindari cedera garam.

Page 88: FISIOLOGI CEKAMAN

Tumbuhan menggunakan Strategi berbeda untuk Menghindari Cedera Garam

• Tumbuhan meminimalkan cedera garam dengan mengeluarkan garam dari meristem, tergantung sebagian pada kemampuan akar untuk mencegah ion sampai tajuk.

• Pita Caspari mencegah gerakan ion kedalam xylem. ion harus bergerak dari jalur apoplast kedalam jalur simplas menyeberangi membran sel. Transisi ini memberikan tumbuhan yang resisten terhadap garam suatu mekanisme untuk secara parsial menolak ion ion yang dapat merusak.

• Ion sodium masuk kedalam akar secara pasif (bergerak kearah yang lebih rendah mengikuti gradien potensi elektrokimia ) sehingga sel akar harus menggunakan energi untuk mengeluarkan Na+ secara aktif kembali kedalam larutan diluar sel. Sebaliknya, Cl- dicegah masuk dengan potensi listrik negatif dari membran sel, dan permeabilitas yang rendah dari membran plasma akar terhadap ion ini. Grakan ion Na+ kedalam daun lebih lanjut diminimalkan oleh absorpsi Na+ aliran transpirasi (cairan xylem) dalam gerakannya dari akar ke tajuk dan daun.

Page 89: FISIOLOGI CEKAMAN

DEFISIENSI OKSIGEN• Akar biasanya memperoleh cukup oksigen (O2) untuk

respirasi aerobik langsung dari pori udara dalam tanah.. Oksigen terlarut berdifusi lambat sekali pada air yang stagnan yang hanya beberapa sentimeter dari tanah dekat permukaan yang masih teroksigenasi.

• Ketika suhu rendah dan tumbuhan dorman permintaan oksigen sedikit sekali, karena itu relatif tidak membahayakan. Akan tetapi ketika suhu tinggi (lebih besar dari 200C), konsumsi oksigen oleh akar tumbuhan dan fauna tanah serta mikroorganisme , dapat secara total menghabiskan oksigen dari keseluruhan air tanah dalam waktu sependek 24 am saja.

• Tumbuhan yang sensitif terhadap penggenangan akan sangat menderita dalam 24 jam anoksia saja.

Page 90: FISIOLOGI CEKAMAN

Mikroorganisme Anaerobik aktif pada Tanah yang Jenuh Air.

• Ketika tanah kehabisan molekul oksigen secara total, fungsi dari mikroba tanah menjadi signifikan untuk kehidupan dan pertumbuhan tumbuhan. Mikroorganisme tanah anaerobik ( anaerob) memeproleh energi dari reduksi nitrat (NO3-) ke nitrit (NO2-) atau ke dinitrogen oksida ( N2O)dan notrogen molekul (N2). Gas gas ini ( N2O dan N2) hilang ke atmosfir dalam suatu proses yang disebut denitrifikasi. Begitu keadaan menjadi lebih reduktif, mikroorganisme anaerob mereduksi Fe3+ menjadi Fe2+, dan karena solubi litasnya yang lebih besar Fe2+ dapat naik mencapai konsentrasi beracun ketika tanah menjadi anaerobik untuk beberapa minggu. Mikroorganisme anaerob yang lain mengkin mereduksi sulfat (SO42-) menjadi hidrogen sulfida (H2S) yang merupakan racun respirasi.

• Ketika mikroorganisme anaerob mempunyai suplai melimpah substrat organik, hasil metabolisme bakteri seperti asam asetat, dan asam butirat dilepas ke air tanah .dan asam ini bersma dengan senyawa sulfur tereduksi menjadi sebab dari bau tidak sedap dari tanah yng tergenang air. Semua substansi yang dibuat oleh mikroorganisme dibawah keadaan anaerob adalah toksik bagitumbuhan pada konsentrasi tinggi.

Page 91: FISIOLOGI CEKAMAN

Akar rusak dalam lingkunan anoksik

• Laju respirasi dan metabolisme akar dipengaruhi bahkan sebelum O2 habis total dari lingkungan akar. Tekanan Oksigen kritis (critical xygen pressure- COP) adalah tekanan oksigen dimana laju respirasi pertama diperlambat oleh kekurangan oksigen. COP untuk ujung akar jagung yang tumbuh pada larutan nutrient yang teraduk baik pada suhu 250C , adalah 0.20 atmosfir (20kPa, atau 20% O2 terhadap volume), hampir sama dengan konsentrasi oksigen pada udara ambien. Pada tekanan parsial oksigen ini, laju difusi dari oksigen terlarut dari larutan kedalam jaringan dan dari sel ke sel sukar sekali menyesuaikan dengan laju pemakaian oksigen. Akan tetapi, pucuk akar secara metabolik adalah aktif sekali, dengan laju respirasi dan hasil ATP sebanding dengan nilai dari jaringan mamalia.

• Di zona lebih tua dari akar, dimana sel telah menua, bervakuola penuh dan laju respirasi lebih rendah, COP sering berada pada sebaran 0.1-0.05 atm. Ketika konsentrasi O2 dibawah COP, pusat akar menjadi anoksik (tidak ada oksigen samasekali) atau hipoksik (kekurangan oksigen secara parsial)

• COP lebih rendah ketika respirasi melambat pada suhu lebih dingin, ini juga tergantung pada berapa bulky organ tersebut dan bagaimana rapat sel sel diatur.Buah yang besar dan bulky mampu untuk tetap aerobik penuh karena ruang antar sel yang besar yang mudah memungkinkankan terjadinya difusi gas. Untuk sek tunggal tekanan parsial oksigen serendah 0.01 atm (1% dalam fase gas) cukup memadai sebab difusi pada jarak pendek memastikan suplai O2 yang cukup bagi mitokhondria. Tekanan parsial yang sangat rendah dari O2 pada mitokhondria adalah cukup untuk menjaga fosforilasi oksidatif

Page 92: FISIOLOGI CEKAMAN

UDPfruktosa

UDP-glukosa Glukosa-1-P Glukosa

Glukosa-6-P

ATP

ADPFruktosa-6-P

Glikolisis

Asam piruvat

NADH + 2H++

Asam laktat

Siklus Krebs

Anoksia(-)

NADH + H+

NAD

Lactatedehydrogenase

Asetaldehida

Etanol

pH turun

(-) (+)

H+

CO2

Pyruvate decarboxylase

Alcohol dehy drogenase

NADH + H+

NAD

Sukrosa glukosa + fruktosaH2O

Anoksia, a,piruvat hasil glikolisis difermentasi jadi a.laktat. Produksi proton Menurun kan pH sitosol, menghambat laktat dehidrogenase, tetapi mendorong piruvat dekar boksilase; jadi fermentasi etanol naik fermentasi laktat turun. F.etanol perlu H+ >darif.a.lakat, sehingga pH sitosol naik, meningkatkan kemampuan tumbuhan tahan anoksia

Page 93: FISIOLOGI CEKAMAN