Biologi Umum

Mata Kuliah Hara Biologis Tanah

Bioteknologi secara sederhana sudah dikenal oleh manusia sejak ribuan tahun yang lalu. Sebagai contoh, di bidang teknologi pangan adalah pembuatan bir, roti, maupun keju yang sudah dikenal sejak abad ke-19, pemuliaan tanaman untuk menghasilkan varietas-varietas baru di bidang pertanian, serta pemuliaan dan reproduksi hewan. Bioteknologi adalah cabang ilmu yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi, virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup (enzim, alkohol) dalam proses produksi untuk menghasilkan barang dan jasa.

Dewasa ini, perkembangan bioteknologi seperti biokimia, komputer, biologi molekular mikrobiologi, genetika, kimia, matematika, dan lain sebagainya. Dengan kata lain, bioteknologi adalah ilmu terapan yang menggabungkan berbagai cabang ilmu dalam proses produksi barang dan jasa. Bioteknologi berkembang sangat pesat, terutama di negara negara maju. Kemajuan ini ditandai dengan ditemukannya berbagai macam teknologi seperti rekayasa genetika, kultur jaringan, DNA rekombinan, pengembangbiakan sel induk, kloning, dan lain-lain.

Teknologi ini memungkinkan kita untuk memperoleh penyembuhan penyakit-penyakit genetik maupun kronis yang belum dapat disembuhkan, seperti kanker ataupun AIDS. Penelitian di bidang pengembangan sel induk juga memungkinkan para penderita stroke ataupun penyakit lain yang mengakibatkan kehilangan atau kerusakan pada jaringan tubuh dapat sembuh seperti sediakala. Di bidang pangan, dengan menggunakan teknologi rekayasa genetika, kultur jaringan dan DNA rekombinan, dapat dihasilkan tanaman dengan sifat dan produk unggul karena mengandung zat gizi yang lebih jika dibandingkan tanaman biasa, serta juga lebih tahan terhadap hama maupun tekanan lingkungan.

Penerapan bioteknologi pada masa ini juga dapat dijumpai pada pelestarian lingkungan hidup. Sebagai contoh, pada penguraian minyak bumi yang tertumpah ke laut oleh bakteri, dan penguraian zat-zat yang bersifat toksik (racun) di sungai atau laut dengan menggunakan bakteri jenis baru. Kemajuan di bidang bioteknologi tak lepas dari berbagai kontroversi yang melingkupi perkembangan teknologinya. Sebagai contoh, teknologi kloning dan rekayasa genetika terhadap tanaman pangan mendapat kecaman dari bermacam-macam golongan.

Di zaman yang serba cepat dan mengharuskan segala sistem yang begitu cepat karena didukung oleh populasi menusia yang sangat cepat maka hal itu berimbas pada dunia pertanian. Salah satunya dalam menuntut sektor pertanian untuk memenuhi kebutuhan pangan dengan adanya populasi manusia yang semakin luas, tidak hanya kuantitas tetapi kualitasnya juga. Dari hal-hal seperti itulah bioteknologi di bidang pertanian mengalami perkembangan. Pesatnya perkembangan bioteknologi sejalan dengan tingkat kebutuhan manusia mulai dari bidang pertanian, peternakan dan perikanan, hingga kesehatan dan pengobatan. Melalui bidang pertanian dapat di hasilkan tanaman dengan sifat unggul karena mengandung zat gizi yang lebih jika di bandingkan tanaman biasa dan juga lebih tahan terhadap hama maupun tekanan lingkungan.

Bioteknologi mempunyai peranan yang sangat besar di dalam budidaya tanaman , terutama dalam pengembangan dan penyediaan pupuk organik dan pestisida sehingga dapat meningkatkan pertumbuhan dan perkembangan tanaman serta melipat gandakan hasil pertanian. Bioteknologi bidang pertanian juga memberikan kontribusi yang sangat besar terhadap konservasi lahan dan lingkungan . Keberadaan mikroba dalam prosesnya akan menjadi kunci dalam pengembangan bioteknologi. Mikroba mampu menyebabkan perubahan kimia, fisik, dan biologi pada berbagai lahan. Terjadinya proses esensial di alam lingkungan misalnya mikroba mampu merombak, merusak, atau membusukkan tanaman dan hewan yang mati.

Urgent    :

Interaksi antara bakteri Rhizobum dengan akar kacang-kacangan Tanaman kacang-kacangan seperti buncis, kedelai, akarnya memiliki bintil-bintil berisi bakteri yang mampu menambat nitrogen udara, sehingga nitrogen tanah yang telah diserap tanaman dapat diganti. Simbiosis antara tanaman dan bakteri saling menguntungkn untuk kedua pihak. Bakteri mendapatkan zat hara yang kaya energi dari tanaman inang sedangkan tanaman inang mendapatkan senyawa nitrogen dari bakteri untuk melangsungkan kehidupannya.

Bakteri penghambat nitrogen yang terdapat didalam akar kacang-kacangan  (Rhizobium). Bakteri ini masuk melalui rambut-rambut akar dan menetap dalam akar tersebut dan membentuk bintil pada akar yang bersifat khas pada kacang-kacangan. Bakteri dalam genus Rhizobium merupakan bakteri Gram negatif, berbentuk bulat memanjang, yang secara normal mampu memfiksasi nitrogen dari atmosfer. Umumnya bakteri ini ditemukan pada nodul akar tanaman Leguminoceae.

Rhizobium berasal  dari dua  kata  yaitu Rhizo yang  artinya  akar  dan bios yang berarti hidup. Rhizobium adalah bakteri yang bersifat aerob, organotrof, tidak  berspora, pleomorf, gram negatif  dan  berbentuk  batang  bentuk  batang, koloninya  berwarna putih berbentuk sirkular, merupakan penambat nitrogen yang  hidup  di  dalam tanah  dan berasosiasi simbiotik dengan sel akar legume, bersifat host spesifik  satu  spesies Rhizobium cenderung membentuk nodul akar pada saat spesies tanaman legume.

leghemeglobin  dijumpai  dalam  bintil  akar  antara bakteroid dan selubung membrane yang mengelilinginya. Jumlah leghemeglobin di   dalam bintil akar memiliki hubungan langsung dengan jumlah nitrogen yang difiksasi. Rhizobium hanya dapat memfiksasi nitrogen atmosfer bila berada di dalam bintil   akar dari mitra legumnya. Peranan Rhizobium terhadap pertumbuhan tanaman   khususnya berkaitan dengan masalah ketersediaan nitrogen bagi tanaman inangnya.

Rhizobium menginfeksi Leguminoceae melalui ujung-ujung bulu akar yang tidak berselulosa karena bakteri Rhizobium tidak dapat menghidrolisis selulosa. Bila Rhizobium tidak ada dan nitrogen tidak terdapat dalam tanah   legum tersebut akan mati. Bakteri Rhizobium hidup dengan menginfeksi akar tanaman  legum dan berasosiasi dengan tanaman tersebut, dengan menambat nitrogen. Interaksi ini mengakibatkan terbentuknya nodul akar pada tumbuhan kacang-kacangan.

Beberapa spesies Rhizobium dan tanaman simbiosisnya:

Spesies Rhizobium	Tanaman simbiosisnya
Rhizobium leguminaserum Rhizobium phaseoli Rhizobium trifoli Rhizobium melioti Rhizobium lupini Rhizobium japonicum Rhizobium sp.	Pea (Pisum sp.) Kacang buncis (Phaseolus vulgaris) Clover (Trifolium subteranim) Alfafa (Medicago sativa) Lupin (Lupinus sp.) Kedelai (Glycine max) Cowpea (Vigna sp.)

Adapun tahapan pembentukan nodul akar pada tanaman kacang-kacangan akibat interaksi bakteri Rhizobium adalah :

1.        Pengenalan Pasangan yang Sesuai Pada Tumbuhan dan Bakteri serta   Penempelan Bakteri Terhadap Akar Tumbuhan.

Terjadinya  bintil  akar  diawali  oleh  interaksi  antara  tanaman  dan  bakteri Rhizobia. Akar tanaman mengeluarkan sinyal yang akan mengaktifkan ekspresi  gen  dari  bakteri yang berperan pada nodulasi. Setelah adanya sinyal tadi, bakteri (Rhizobia) akan mensintesis sinyal yang  menginduksi pembentukan meristem nodul dan   memungkinkan bakteri untuk masuk ke dalam meristem tersebut melalui proses infeksi.  Sinyal-sinyal kimia yang di sintesis oleh bakteri itu pada dasarnya merupakan asam  amino termodifikasi (homoserin lakton) yang membawa subtituen rantai asil yang  bervariasi yang disebut asil homoserin lakton (AHL).

Melalui pendeteksian dan reaksi terhadap senyawa-senyawa kimia tersebut sel-sel tanaman secara individu dapat merasakan berapa banyak sel yang mengelilingi mereka. Interaksi secara simbiosis terjadi karena adanya pertukaran sinyal antara tumbuhan dan bakteri (Rhizobia). Tanaman mensekresikan senyawa-senyawa flavonoid yang gugus fenolnya bersama  dengan NodD (protein penggerak) dari bakteri menginduksi ekspresi dari gen pembentukan nodul dari Rhizobia (nod, nol, noe). Sebagai hasilnya, Rhizobia  memproduksi Nod factors. Induksi Nod factors direspon oleh tanaman (yang salah satunya) dengan pembentukan nodul.

Di sekitar bulu-bulu akar kacang-kacangan terkumpul sejumlah besar bakteriRhizobium baik secara alami maupun secara buatan. Akibat terkumpulnya bakteri tersebut, bulu akar akan mengeluarkan triftopan, yang oleh bakteri diubah menjadi indol asetat. Kehadiran indo asetat menyebabkan bulu akar menjadi menkerut dan bakteri juga menghasilkan enzim yang dapat melarutkan senyawa pektat yang terdapat didalam vibril (selulosa) kulit bulu akar, sehingga bakteri dapat menempel pada buluh akar.

2.   Invasi Bakteri ke dalam Buluh Akar dan Terjadi Ancaman Infeksi.

Akibat adanya larutan pektat, bakteri Rhizobium kemudian berubah menjadi bulat dan kecil-kecil serta dapat bergerak. Senyawa pektat dapat berikatan dengan selulosa sehingga dinding bulu akar menjadi tipis sehingga dapat ditembus oleh bakteri rhizobium. Didalam bulu akar bakteri memperbanyak diri, kemudian memasuki bagian   akar dengan membentuk benang infeksi, hingga koloni bakteri didapatkan pada setiap sel akar.

3.   Berjalan Sepanjang Akar Utama Melalui Tempat Infeksi.

Setelah  sampai  di  tempat  infeksi bakteri yang dilepaskan dari benang infeksi ke dalam sitoplasma sel inang, bisa berubah menjadi bengkak, berbentuk tidak teratur, struktur bercabang disebut bacteroids.

4.   Pembentukan Bakteriod (Sel Bakteri Perusak) dalam Sel Tumbuhan dan Terjadi Perkembangan Ke Keadaan Penambatan Nitrogen.

 Di dalam bulu akar bakteri memperbanyak diri kemudian memasuki bagian akar dengan membentuk benang infeksi hingga koloni bakteri didapatkan pada setiap sel akar.

5.  Berlangsungnya Pembelahan Bakteri Dan Sel Tumbuhan Maka Terbentuk Nodul Akar Matur.

Setelah sampai ditempat infeksi bakteri yang dilepaskan dari benang infeksi ke dalam sitoplasma sel inang, bisa berubah menjadi bengkak, berbentuk tidak teratur, struktur bercabang disebut bacteroids. Bakteroid kemudian menjadi terkepung tunggal atau dalam kelompok kecil oleh membran yang disebut membran peribacteroid. Struktur ini disebut 'symbiosome'. Symbiosomes, pada kenyataannya, situs fiksasi nitrogen. Pada titik ini, symbiosomes mengeluarkan hormon yang memungkinkan sel polyploid untuk membagi cepat inti dari bintil dan sel-sel diploid sekitarnya juga untuk membagi dan membedakan untuk menutupi nodul dalam jaringan korteks dan untuk membentuk hubungan pembuluh darah dengan akar. Hormon ini juga memungkinkan produksi leghaemoglobin yang melindungi enzim fiksasi nitrogen dari oksigen. Komponen lain bintil spesifik juga diproduksi untuk menyelesaikan proses bintil akar. Pada tempat infeksi ini, akan berlangsung pembelahan bakteri dan sel tumbuhan, maka terbentuk nodul akar matur.

  Genetic pembetukan nodul: gen nod

Gen-gen yang melangsungkan tahap-tahap spesifik dalam pembentukan nodul pada tumbuhan Leguminoceae oleh strain Rhizobium disebut gen nod. Beberapa gen nod dari spesies Rhizobium yang berbeda disimpan dan umunya berada pada plasmid yang disebut plasmid sym. Sebagai tambahan pada gen nod yang langsung terlibat dalam nodulasi atau pembentukan nodul, gen sym mengandung gen  spesifisitas yang menahan strain Rhizobiumpada tumbuhan inang tertentu. Selanjutnya, kemampuan nodulasi pada tumbuhanLeguminoceae tertentu dapat dipindahkan antar spesies Rhizobium melalui pemindahan plasmid sym secara singkat. Sebagai contoh, ketika plasmid sym dari Rhizobium leguminosarum (yang memiliki inang kacang tanah) dipindahkan ke Rhizobium trifolii (yang memiliki inang semanggi), sel spesies Rhizobium trifolii akan efektif membentuk nodul pada kacang tanah.

  Fiksasi nitrogen oleh bakteri Rhizobium

Rhizobium yang tumbuh dalam bintil akar  mengambil nitrogen langsung dari udara dengan aktifitas bersama sel tanaman dan bakteri, nitrogen itu disusun menjadi senyawan nitrogen seperti asam amino dan polipeptida yang ditemukan dalam tumbuhan, bakteri  dan tanah disekitarnya.  Baik bakteri maupun leguminoceae tidak dapat menambat nitrogen secara mandiri bila Rhizobium tidak ada dan nitrogen tidak terdapat dalam tanah leguminoceae tersebut akan mati.

Tumbuhan yang bersimbiosis dengan rhizobium banyak digunakan sebagai pupuk hijau seperti Crotalaria, Tephrosia dan Indigofera. Akar tanaman polong-polongan tersebut menyediakan karbohidrat dan senyawa lain bagi bakteri melalui kemampuannya mengikat nitrogen sama sekali atau hanya dapat mengikat nitrogen sedikit sekali. Bintil-bintil akar melepaskan senyawa nitrogen organik ke dalam tanah tempat tanaman kacang polong-polongan hidup. Dengan demikian terjadi penambahan nitrogen yang dapat menambah kesuburan tanah.

Rhizobium didalam tanah berperan dalam pengaturan siklus nitrogen yaitu melakukan fiksasi nitrogen dan mengubahnya menjadi Ammonia (NH₃). Dalam sel bakteri ini terdapat sebuah alat yang berperan dalam biokatalis yaitu enzim nitrogenase. Enzim inilah yang berperan dalam mengubah N₂ menjadi NH_3. Fiksasi nitrogen berlangsung dengan bantuan kompleks enzim nitrogenase dengan reaksi sebagai berikut:

            N₂ + 6e^- 2NH₃ (DG’0=+150 kkal/mol=+630Kj/mol. 

bersambung ...