Jawaban Ujian MK Metabolisme Tumbuhan Program Studi S2 Biokimia (Januari 2011) Dosen: Dr. Syamsul Falah, S.Hut, M.Si Mahasiswa: Syaefudin, S.Si (G851090051) 1. Jelaskan perbedaan hormon tumbuhan (fitohormon) dengan hormon pada manusia Tabel 1 Perbedaan hormon pada tumbuhan dan hewan Hormon tumbuhan (fitohormon) Hormon pada hewan diproduksi oleh bagian sel yang dihasilkan oleh sel-sel kelenjar aktif membelah (meristematik: ujung (misal: kelenjar endokrin) batang, akar) dan atau yang masih berkembang pesat (buah). semua jenis fitohormon bisa hormon parakrin hanya bisa didistribusikan ke sel-sel lain berfungsi di sel sekitar kelenjar, (dalam tumbuhan) melalui xylem adapun hormon endokrin bisa atau floem. ditransfer ke sel-sel yang jauh dari kelenjar penghasil melalui sirkulasi darah. belum diketahui pasti sistem rantai rantai sinyal transduksi antara sinyal transduksi hormon- hormon dan reseptor melibatkan reseptornya. Ada kemungkinan sistem enzim dan transkripsi gen berjalan seperti sistem tertentu (network). multikomponen (multicomponent system). pengontrol utama kerja sistem sistem kontrol (waktu tepat bekerja, hormon belum diketahui. jumlah yang dibutuhkan) oleh kelenjar hipotalamus. 2. Jelaskan perbedaan hormon dan zat pengatur tumbuhan lainnya dalam proses pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan Fitohormon (Gambar 1) dibuat secara alami melalui proses biosintesis dalam tanaman. Adapun Zat Pengatur Tumbuh (ZPT) lainnya (misalnya yang sintetis) bisa sama dengan fitohormon; tetapi bukan hasil biosintesis tanaman. Keduanya merupakan senyawa organik non-nutrisi yang meskipun memiliki konsentrasi sangat rendah memiliki efek fisiologi dan morfologi pada tanaman. Jadi, fitohormon adalah ZPT, namun tak semua ZPT adalah fitohormon.

Gambar 1 Beberapa jenis fitohormon. Ada enam syarat yang harus dipenuhi sehingga suatu zat bisa dikatakan sebagai fitohormon. Syarat pertama, zat tersebut harus terdapat dalam tumbuhan dan dapat didemonstrasikan keberadaannya (presence). Kedua, excision, yakni sumber zat (organ, jaringan, sel, atau subseluler) harus dapat dipisahkan. Ketiga, zat tersebut dapat dimurnikan untuk keperluan analisis yang tepat (substitution). Keempat, zat itu harus dapat diisolasi dan didemonstrasikan efek spesifiknya (isolation). Kelima, generality, yakni kandidat zat dapat didemonstrasikan dan dalam kondisi sama menghasilkan pengaruh yang sama. Keenam, zat harus spesifik (specificity). Selain syarat-syarat di atas, suatu fitohormon juga memiliki ciri dan sifat sebagai berikut: berupa senyawa kimia yang berasal dari bisosintesis dalam tumbuhan dan terdapat meluas dalam dunia tumbuhan, harus memiliki pengaruh yang spesifik dan aktif dalam konsentrasi yang sangat kecil, harus menunjukkan peran fundamental dalam mengatur fenomena fisiologi secara in vivo dalam dosis/bergantung pada spesies atau perubahan kepekaan jaringan tanaman selama pertumbuhan.

Adapun yang dimaksud dengan Zat Pengatur Tumbuh (ZPT), bisa berupa fitohormon dan juga non-fitohormon. ZPT dapat dikelompokkan menjadi dua jenis, yakni kelompok promotor dan inhibitor. Kelompok promotor meliputi: a. Auksin atau yang sekarang dikenal dengan indoleacetic acid (IAAalami). Auksin juga dapat dibuat tiruannya dan dapat berupa indole butyric acid (IBA) maupun naphthaleneacetic acid (NAA). Hormon sekaligus ZPT ini berperan dalam proses pemanjangan akar, menginduksi pembentukan buah, diferensiasi dan percabangan akar, pembiakkan vegetatif, pemanjangan sel, dominansi apikal, fototropisme, dan geotropisme. Beberapa tipe auksin aktif dalam konsentrasi yang sangat rendah antara 0.01 sampai 10 mg/L. Beberapa bagian tubuh tanaman yang menghasilkan senyawa ini adalah meristem apikal tunas ujung, daun muda, serta embrio dalam biji. b. Sitokinin, misalnya zeatin (alami), benzyl aminopurine atau benzyl adenine (BAP/BAbuatan), kinetin (buatan). Sitokinin dapat merangsang pembelahan sel, pertumbuhan tunas, mempengaruhi pertumbuhan dan diferensiasi akar, mendorong perkecambahan, serta menunda penuaan. Secara umum, konsntrasi sitokinin yang digunakan antara 0.1 sampai 10 mg/L. Tempat dihasilkannya adalah akar, embrio, dan buah. c. Gibberellin, contohnya gibberellic acid (GA3; GA7 sampai dengan GA47), ditemukan pertama pada cendawan Gibberella fujikuroi (bentuk sempurna dari Fusariumpenyebab penyakit gigantisme padi). Peran zat ini terlihat pada proses pembungaan, perkembangan biji), perkembangan kuncup, pemanjangan batang dan pertumbuhan daun, perkembangan buah, pertumbuhan dan diferensiasi akar. Ada sekitar 100 jenis gibberellin, namun yang paling umum adalah GA3. Gibberellin dihasilkan di meristem apikal tunas ujung dan akar, daun muda, serta embrio. d. Asam absisat atau Absisic Acid (ABA), berinteraksi dengan auksin dan sitokinin. Selain itu, ABA juga penghambat pertumbuhan (antagonis dengan gibberellin), memaksa terjadinya dormansi, mempertahankan dormansi, merangsang penutupan stomata pada waktu kekurangan air,serta menyebabkan daun rontok. Secara alami, tingginya konsentrasi asam absisat ini dipicu oleh adanya stress oleh lingkungan (misal: kekeringan). Daun, batang, akar, serta buah berwarna hijau adalah tempat dihasilkannya asam absisat. e. Etilen (C2H4 ), berbentuk gas dan dapat berinteraksi terutama dengan auksin. Gas tersebut dapat menstimulasi pematangan buah, penuaan jaringan, serta menghambat pertumbuhan dan perkembangan akar, daun, batang dan bunga. Konsentrasi etilen fluktuatif terhadap musim. Perubahan tersebut bermafaat dalam pengaturan waktu penumbuhan daun dan saat pematangan buah. Bagian tanaman yang menghasilkan etilen adalah buah yang matang, buku pada batang, serta daun yang sudah menua.

Kelompok kedua zat pengatur tumbuh lain bersifat inhibitor (menghambat). Beberapa senyawa yang termasuk kelompok ini meliputi: a. Asam lunularat, dapat menghambat perkecambahan propagul vegetatif (gema). Senyawa ini dapat ditemukan dalam lumut. Asam lunurat terbentuk di dalam mangkuk gema sampai gema gugur dari talus tumbuhan induknya. b. Batasin. Senyawa yang diduga menyebabkan dormansi pada siungan (struktur reproduksi vegetatif) ini ditemukan pada tumbuhan gadung (Dioscorea batatus). c. Asam jasmonat dan metal esternya (metal jasmonat) merupakan turunan asam lemak yang terdapat pada beberapa jenis tumbuhan. Dinamakan jasmonat, karena banyak ditemukan di minyak melati. Jasmonat terbentuk melalui biosintesis asam linoleat bebas. Senyawa ini dapat menghambat pertumbuhan beberapa bagian tumbuhan tertentu dan dapat menstimulasi terjadinya penuaan daun. Selain inhibitor-inhibitor di atas, ada pula asam absisat. Meski pada bagian sebelumnya dikelompokkan dalam promotor, senyawa ini dapat juga berlaku sebagai penghambat. Keterkaitan hormon-hormon dan zat pengatur tumbuhan dalam aktivitas tanaman dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Aktivitas beberapa hormon dalam pertumbuhan tanaman.

Sumber: Leopold 1972. 3. Jelaskan mekanisme kerja dan pengaruh auksin dalam proses pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan Auksin adalah sebutan umum bagi hormon maupun zat pengatur tumbuh tanaman yang berperan penting dalam pertumbuhan (Gambar 2). Ada beberapa jenis senyawa yang sudah teridentifikasi dan dapat diklasifikasikan sebagai

golongan auksin, seperti asam indol asetat (IAA, indoacetic acid), asam fenil asetat (phenylacetic acid), dan asam 2,4-diklorofenoksi asetat. Senyawa terakhir lebih dikenal dengan mana 2,4-D dan sering digunakan sebagai herbisida. Auksin memiliki banyak fungsi, seperti perananannya dalam pembentukan kutub batang (axis of polarity) awal proses embriogenesis. Senyawa ini juga mempengaruhi pembelahan dan diferensiasi sel. Fungsi lain hormon ini adalah memacu perpanjangan sel tanaman. Oleh karenanya, auksin sangat banyak dijumpai pada akar dan jaringan meristematik lain seperti ujung batang. Meskipun sebagian besar diproduksi pada ujung akar, auksin dapat ditranspor dari sel satu menuju sel lainnya dengan mekanisme transpor polar (polar transport). Transpor yang melibatkan pembawa effluks maupun influks membran plasma ini terjadi karena distribusi yang tak imbang dari pembawa effluks-influks. Protein pembawa effluks terikat membran dipindahkan melalui vesikel dalam badan golgi. Dengan cara ini, pembawa effluks dapat cepat berpindah dari satu daerah ke daerah lainnya dalam membran plasma untuk membantu transpor polar. Selama pembentukan koleoptil, IAA ditranspor menuju sisi lainnya sehingga pemanjangan hanya terjadi pada satu bagian. IAA juga ditranspor melalui floem dari daun ke berbagai bagian tumbuhan. Mekanisme auksin dalam pertumbuhan sel pada akar dapat dilacak dari dua pengaruhnya, yakni: a. Beberapa menit setelah penambahan IAA (auksin), dinding sel melunak. Ada yang menganggap bahwa hal tersebut terjadi karena aktivasi H+-PATPase pada plasma membran melalui lintasan sinyal transduksi dalam sebuah protein 14.3.3 dan kemungkinan juga terjadi pelibatan protein kinase. Proses ini menghasilkan asidifikasi daerah dinding sel sehingga mengaktifkan enzim yang melunakkan dinding sel serta mengaktifkan perluasan tekanan turgor sel. b. Satu jam setelah penambahan IAA, protein yang dibutuhkan dalam pertumbuhan segera disintesis. Hal ini merupakan imbas auksin terhadap ekspresi gen. Auksin dikenal dapat menginduksi atau menekan sekelompok gen tertentu.

Gambar 2 Struktur kimia Auksin. Hormon auksin juga menstimulasi pembelahan sel kambium, meningkatkan dominansi apikal dengan menekan pertumbuhan tunas dan mengontrol

perkembangan embrio. Lebih jauh lagi, IAA dapat mencegah terbentuknya lapisan absisi daun dan buah. Fungsi ini bertolak belakang dengan peranan etilen. Sebaliknya, meningkatknya kadar IAA dapat menginduksi sintesis etilen. Dalam menginduksi pembentukan buah, umumnya biji-bijian menghasilkan IAA hanya setelah penyerbukan. Transforman sel telur tanaman yang mengekspresikan enzim bakterial sintesis IAA dalam biji tak terserbukkan dihasilkan melalui rekayasa genetik. Auksin ini mencegah terbentuknya biji sehingga menghasilkan tanaman tanpa bakal biji sebagaimana mestinya. Meski demikian, ukuran buah yang terbentuk empat kali lebih besar dibandingkan biasanya. Penelitian terkini menunjukkan bahwa terdapat protein terikat auksin yang berperan sebagai reseptor auksin. Selain itu, ada sejenis sinyal transduksi auksin belum dikenal yang terdiri atas 15 gen yang berbeda di Arabidopsis. Protein yang terlibat dalam sinyal tersebut biasa disebut faktor responsif auksin (ARF, auxin responsive factor). ARF membantu transkripsi sejumlah gen. 4. Jelaskan enzim-enzim yang terlibat dalam biosintesis etilen dan bagaimana peranannya Etilen merupakan gas yang dihasilkan oleh tanaman dan berperan serta dalam proses induksi senescence sel tumbuhan. Zat pengatur tumbuhan ini disintesis di dalam tumbuhan dengan prekusor s-adenosilmetionin atau SAM (Gambar 3). Muatan positif yang terdapat pada atom S pada SAM mendorong terjadinya pembentukan siklopropana. Reaksi tersebut dikatalisis oleh aminosiklopropana karboksilat sintase (ACC sintase). Selanjutnya, ACC oksidase mengkatalisis oksidasi siklopropana menjadi etilen, CO2, HCN, dan air. Asam sianida yang dihasilkan ini bersifat racun sehingga didetoksikasi segera dengan mengubahnya menjadi -sianoalanin. Perlu diketahui, sintesis gas ini memerlukan ATP dan oksigen. Enzim-enzim yang berperan dalam biosintesis tersebut sangat penting dipelajari mengingat etilen adalah fitohormon yang berperan dalam proses pematangan buah. Pada umumnya, masyarakat menginginkan masa simpan buah yang cukup lama. Oleh karenanya, langkah yang paling efektif adalah den gan mengganggu sintesis etilen di dalam buah yang tentu saja melibatkan enzimenzim tersebut. Rekayasa genetik saat ini memungkinkan terjadinya penekanan terhadap sintesis etilen pada buah. Sebut saja pada sintesis etilen di buah tomat, dilakukan menjadi dua cara yang berbeda, meliputi: a. Pengurangan aktivitas ACC sintase dan ACC oksidase dengan menggunakan teknik antisense. b. Memasukkan gen bakteri tertentu ke dalam tanaman. Gen tersebut mengekspresikan kondisi sedemikian rupa sehingga pembentukan enzim

ACC tidak terjadi atau minimal tertunda. Akibatnya, sintesis etilen tidak dapat dilakukan.

Gambar 3 Biosintesis etilen. Ada juga yang menghambat sintesis etilen ini dengan mengganggu prekusornya, yakni SAM. Di kalangan industri, terdapat upaya untuk memasukkan enzim SAM hidrolase (SAM-ase atau SamK) sehingga mampu mengubah SAM menjadi senyawa yang tak lagi berbahaya. Maksudnya, SAM tidak lagi menjadi prekusor terbentuknya etilen. Teknik-teknik penghambatan sintesis etilen sangat diperlukan guna menanggulangi pembusukkan buah, khususnya jenis buah klimaterik yang dapat matang sendiri karena aktivitas etilen pasca pemetikan. Lintasan etilen sama di seluruh jaringan tanaman, meskipun demikian pengaturannya berbeda-beda. ACC Sintase bersifat rate-limiting dan diinduksi oleh luka dan stres (anaerobiosis, panas, dingin, kering, dan lainnya). Aksi ACC Sintase diinduksi oleh etilen hanya pada jaringan klimakterik. Pada jaringan vegetatif, aksi ACC Sintase diinduksi oleh auksin. Adapun ACC Oksidase, biasanya ada dalam jumlah berlebih dan secara cepat akan mengubah ACC menjadi etilen. Aktivitas ACC Oksidase juga meningkat selama pematangan buah klimakterik. Aktivitas ACC Oksidase ini dihambat oleh konsentrasi O2 yang rendah serta temperatur tinggi. Aksi etilen dipengaruhi oleh keberadaan reseptor. Reseptor etilen berupa sejumlah protein yang mengandung tembaga dengan jumlah berbeda. Kompleks reseptor-kinase berperan untuk mencegah respons konstitutif fitohormon tersebut saat kekurangan etilen. Kompleks membran reseptor-etilen berinteraksi dengan CTR1 kinase dalam membran sel, selanjutnya secara berkebalikan mengatur sebuah protein membran transporter (EIN2). Di dalam inti sel, EIN2 memulai aliran transkripsi melalui dua kelompok faktor transkripsi, yaitu EIN3/EIL dan ERF1, lalu menghasilkan respon etilen (Gambar 4).

Gambar 4 Mekanisme aksi etilen. 5. Jelaskan kaitan antara etilen dan auksin dalam proses metabolisme di dalam tumbuhan Etilen mempunyai peranan dalam merangsang aktivitas ATP-ase sehingga mempengaruhi penyediaan energi. Di dalam tanaman, etilen berinteraksi dengan hormon auksin. Apabila konsentrasi auksin meningkat, maka produksi etilen pun akan meningkat. Peranan auksin dalam pematangan buah hanya membantu merangsang pembentukan etilen, tapi apabila konsentrasi etilen cukup tinggi dapat menghambat sintesis dan aktivitas auksin. Auksin sintetik, seperti asam 2,4diklorofenoksiasetat biasanya digunakan sebagai herbisida. Senyawa tersebut berperan sebagai auksin yang berkemampuan kuat sehingga mengganggu morfogenesis dan meningkatkan sintesis etilen. Akibatnya, terjadi pengguguran daun (senescence daun) yang lebih dini.