Review Jurnal

Review Jurnal oleh : Khairiah Ata (8106173030)

Mahasiswa Pascasarjana Biologi Unimed-2011

Regulation of Respiration and fermentation to Control the Plant Internal Oxygen Concentration

 (Regulasi Repirasi dan Fermentasi Untuk Mengontrol Konsentrasi Oksigen Internal Tanaman)

Ana Zabalza, Joost T. van Dongen, Anja Froehlich, Sandra N. Oliver, Benjamin Faix, Kapuganti Jagadis Gupta, Elmar Schmalzlin, Maria Igal, Luis Orcaray, Mercedes Royuela, and Peter Geigenberger

(Plant Physiology, February 2009, Vol. 149, pp. 1087-1098, www. Plantphysiol.org, American Society of Plant Biologist)

Max-Planck-Institute of Molecular Plant Physiology, D-14476 Golm-Potsdam, Germany (A.Z., J.T.v.D., A.F., S.O., B.F., K.J.G., P.G.); Departamento de Ciencias Medio Natural, Universidad Publica de Navarra, Campus Arrosadia, E-31006 Pamplona, Spain (A.Z., M.I., L.O., M.R.); University of Postdam, Institute of Chemistry, D-14476 Postdam-Golm, Germany (E.S.); and Leibniz-Institute of Vegetable and Ornamental Crops, D-14979 Grossbeeren, Germany (P.G.)

Pendahuluan

Tanaman adalah organisme  aerob obligat, dengan oksigen sebagai substrat penting untuk memproduksi energy di dalam mitokondria. Konsentrasi oksigen internal yang rendah sangat mempengaruhi metabolisme tanaman. Beberapa studi menunjukkan bahwa jalur metabolisme dalam tubuh tanaman selalu disesuaikan dengan ketersediaan oksigen internal. Dengan menyimpan energy, tanaman mengurangi permintaan konsumsi oksigen respirasi yang dapat membantu untuk menunda atau bahkan mencegah jaringan dari menjadi toksik. Jika metabolism melalui glikolisis melambat, komsumsi oksigen respirasi menurun, maka tingkat fermentasi akan mengambil alih sebagai respons terhadap kekurangan oksigen internal tanaman. Jadi konsentrasi oksigen internal tanaman dapat menurun di bawah ambang batas bahkan ketika tanaman tumbuh dalam kondisi optimal.

Glikolisis adalah bagian terpenting dalam metabolism karbohidrat dan respirasi. Piruvat berfungsi sebagai kunci metabolic yang menghubungkan glikolisis dalam sitosol dengan respirasi mitokondria. Dalam respirasi aerob, piruvat diangkut ke dalam mitokondria dan teroksidasi melalui siklus asam trikarbolik (TCA) atau siklus krebs menjadi asam organic dan NADH. Selain itu piruvat memiliki potensi regulasi, yang ditunjukan bahwa oksidase alternative (AOX) bisa menjadi lebih aktif dengan kehadiran asam α-keto seperti piruvat sehingga mempengaruhi efisiensi produksi ATP per unit oksigen dalam respirasi. Dalam kondisi darurat, piruvat dapat dikonversi menjadi etanol oleh dekarboksilase piruvat (PDC) dan alcohol dehidrogenase (ADH) atau laktat oleh laktat dehidrogenase. Piruvat juga berfungsi sebagai substrat sintase acetolactate, yang merupakan enzim pertama yang harus ada untuk biosintesis dari rantai bercabang asam amino Val, Leu, dan Ile. Penghambatan sintase acetolactate oleh herbisida menyebabkan fermentasi aerobic pada tanaman.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui regulasi respirasi dan hubungannya dengan konsentrasi oksigen internal tanaman. Untuk menyelidiki ini, peneliti mengubah konsentrasi oksigen dari larutan nutrisi hidroponik pada tanaman kacang (Pisum sativum) dan menguji pengaruh beberapa gula asam organic. Peneliti juga mengukur konsentrasi oksigen internal akar serta status energy dalam jaringan yang berhubungan langsung dengan laju konsumsi oksigen oleh jalur sitokrom c dan AOX. Hasil yang diteliti berkaitan langsung dengan fungsi dan regulasi metabolism fermentasi.

Bahan dan Metode

Bahan yang digunakan adalah tanaman kacang (Pisum sativum) yang ditanam secara hidroponik. Larutan nutrisi terus menerus diaerasi dan diganti setiap 4 hari untuk mencegah pertumbuhan bakteri dan ganggang yang berlebihan dalam larutan. Untuk percobaan, digunakan tanaman yang berumur 12 hari. Suc, GLC, piruvat, dan suksinat dicampurkan ke dalam larutan nutrisi pada konsentrasi 8 mM. Hipoksia diterapkan dengan mengaerasi larutan nutrisi dengan campuran gas oksigen dan nitrogen yang disertakan CO₂ 0,035% untuk mencapai konsentrasi oksigen maksimal dalam larutan nutrisi 25% dari udara saturasi. Pengambilan sampel dilakukan di tengah-tengah periode cahaya. Konsentrasi piruvat dalam larutan nutrisi dievaluasi untuk mempelajari stabilitas larutan nutrisi. Kegiatan respirasi akar ekotipe Kol-0 dari Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) diamati pada pertumbuhan materi hidroponik. Untuk ini, permukaan biji disterilkan dengan etanol 70% dan sodium hipoklorit 10% dan dibilas beberapa kali dengan air suling sebelum disemai pada tempat khusus dalam baki polysteren yang direndam dalam larutan nutrisi. Benih diinkubasi selama 3 hari pada suhu 4⁰C dalam gelap sebelum baki dipindahkan ke phytotron dan ditempatkan dalam sebuah tangki 101 yang diisi larutan nutrisi dua kali seminggu. Setelah 3 minggu kemudian, akar tanaman diambil untuk mengamati konsumsi oksigen respirasi. Untuk penentuan produksi etanol Arabidopsis, bibit dipindahkan dari pelat ke media cair yang mengandung oksigen 21% atau 1%. Konsentrasi etanol dari media inkubasi diukur setelah inkubasi semalam. Pengamatan dilakukan meliputi pengukuran konsentrasi oksigen, pengukuran laju respirasi (konsumsi oksigen respirasi), pengukuran aktivitas enzim dan metabolism, serta protein total diisolasi dari akar beku dalam cairan nitrogen untuk diamati dengan menggunakan metode western blots untuk mendeteksi protein pada jaringan tanaman.

Hasil dan Pembahasan

Konsentrasi oksigen akar di bawah kondisi hipoksia dan setelah pemberian piruvat menunjukkan bahwa adanya hipoksia pada akar dengan konsentrasi oksigen internal rendah hanya sekitar 40% dari udara normal jenuh. Dalam kondisi hipoksia, saat konsentrasi oksigen dari larutan nutrisi diturunkan menjadi 25% dari nilai jenuh udara normal, konsentrasi oksigen internal menurun dari 40% menjadi 20%. Hal ini tidak mempengaruhi kelangsungan hidup tanaman kacang. Ternyata ada mekanisme yang memungkinkan jaringan tanaman untuk meminimalkan penurunan konsentrasi oksigen internal ketika pasokan oksigen berkurang. Sebaliknya, tanaman yang diberikan 8 piruvat mM dalam larutan nutrisi menunjukkan oksigen internal yang drastic dibandingkan dengan kontrol, dan pusat akar menjadi toksik meskipun larutan nutrisi terus menerus diaerasi dan konsentrasi oksigen bagus dari perlakuan hipoksia. Setelah beberapa hari, tanaman yang diberi piruvat mengalami pengurangan laju pertumbuhan dan setelah 3 minggu, tanaman tersebut mati.

Regulasi respirasi di bawah kondisi hipoksia dan setelah pemberian piruvat menunjukkan penambahan gula tidak memiliki efek stimulasi pada respirasi, sedangkan pemberian piruvat atau suksinat meningkatkan konsumsi oksigen 2-3 kali lipat. Konsumsi oksigen di bawah kondisi hipoksia menurun secara signifikan dibandingkan dengan perlakuan kontrol. Hipoksia respirasi diukur pada potongan akar yang telah diinkubasi dalam baki dengan konsentrasi oksigen 25% dari batas jenuh udara. Penghambatan respirasi di hipoksia mungkin dikaitkan dengan respon adaptif metabolic untuk menghemat oksigen saat ketersediaannya menjadi terbatas. Setelah pengamatan pada akar Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), ternyata resistensi difusi oksigen tidak mempengaruhi respon adaptif respirasi untuk hipoksia. Pemberian piruvat dan suksinat untuk akar menghasilkan peningkatan laju konsumsi oksigen pada semua konsentrasi oksigen yang diukur. Data menunjukkan bahwa laju respirasi juga tergantung pada konsentrasi oksigen eksternal.  

Regulasi AOX dan COX di bawah hipoksia menunjukkan penurunan respirasi sedikit demi sedikit hingga mencapai nol akibat dari penentuan respon adaptif untuk hipoksia dengan pemberian inhibitor COX dan untuk AOX dengan penambahan 20 mM asam salicylhydroxamic. Hal ini mungkin bisa dijelaskan sama dengan mekanisme yang menyebabkan penurunan respirasi pada konsentrasi oksigen di bawah 20% dari udara jenuh seperti yang diamati untuk akar yang tidak dirawat dengan SHAM. Jalur sitokrom c mengalami perubahan dalam hipoksia tergantung pada kondisi, hingga akhirnya mencapai aktivitas nol ketika oksigen habis.

Induksi aktivitas fermentasi diamati pada akar tanaman kacang yang telah dikurangi konsentrasi oksigen internalnya dengan member perlakuan pada akar dengan larutan nutrisi hipoksia (25% udara jenuh) atau melalui regulasi konsumsi oksigen respirasi setelah pemberian piruvat selama 1-2 hari. Aktivitas fermentasi dievaluasi dengan mengukur sari enzim serta mendeteksi protein dengan menggunakan metode western blots dan pengukuran akumulasi etanol dan asetalhida di akar. Peningkatan konsumsi oksigen respirasi serta peningkatan kadar etanol dalam akar setelah pemberian piruvat adalah indikasi yang jelas yang menunjukkan adanya penyerapan piruvat oleh metabolism akar. Pengamatan induksi fermentasi kadang bisa tertunda dalam akar yang diberi piruvat meskipun konsentrasi oksigen eksternal sangat rendah dibandingkan di akar yang diberi perlakuan hipoksia, hal ini menunjukkan bahwa pemberian piruvat melemahkan sinyal yang mengatur fermentasi ketika kadar oksigen rendah. Piruvat adalah subtract utama untuk fermentasi tanaman. Ketersediaan piruvat mempengaruhi konsumsi oksigen respirasi serta konsentrasi oksigen internal. Fermentasi tidak hanya berfungsi untuk regenerasi NAD dari NADH untuk menjaga tetap berlangsungnya glikolisis, tetapi juga membantu menurunkan kadar piruvat sehingga mencegah induksi konsumsi oksigen oleh piruvat.

Tanaman tidak memiliki distribusi yang efisien untuk oksigen ke seluruh jaringannya. Oleh karena itu, oksigen internal bisa mencapai konsentrasi yang sangat rendah. Regulasi respirasi oleh oksigen rendah melibatkan 2 komponen yang berbeda-beda pada tanaman dalam kondisi normal, yaitu ketika konsentrasi oksigen eksternal berkurang, maka konsentrasi oksigen internal turun 2 kali lipat. Fungsi paling terkenal dari metabolism fermentasi adalah untuk mendaur ulang NADH ke NAD untuk menghindari menipisnya kadar NAD dalam sitosol dan menghambat glikolisis ketika fosforilasi oksidatif terbatas. Karena semua menggunakan jalur fermentasi piruvat sebagai substrat awal, fluks glikolitik dipertahankan untuk menjaga produksi ATP melalui glikolisis.

Kesimpulan

Dari data yang didapatkan dalam penelitian ini, dapat disimpulkan bahwa konsentrasi oksigen internal tanaman diatur dengan menyesuaikan aktivitas respirasi dari jaringan dengan ketersediaan oksigen sebenarnya. Hal ini adalah respon adaptif untuk menunda atau mencegah anoksia dalam jaringan ketika ketersediaan oksigen menurun. Penurunan aktivitas respirasi sebagai fungsi konsentrasi oksigen dapat digambarkan oleh dua tahap yang berbeda. Dua tahap ini dapat dilihat selama reaksi adaptif: suatu penurunan linear awal respirasi diikuti oleh penghambatan nonlinear di mana tingkat respirasi menurun semakin cepat pada penurunan ketersediaan oksigen; dan berbeda pada jalur sitokrom c, penghambatan jalur alternative oksidase hanya menunjukkan komponen linear dari respon adaptif. Hal ini menunjukkan bahwa ada lebih dari satu mekanisme pengaturan yang ada. Berbeda dengan COX, yang menunjukkan respon biphasic untuk hipoksia, yang penurunan aktivitas AOX ketika ketersediaan oksigen turun berhubungan linear terhadap konsentrasi oksigen. Hal ini menunjukkan bahwa berbagai terminal oksidase dari rantai transport electron mitokondria mekanisme regulasi yang berbeda untuk menyesuaikan kegiatan respirasi dengan konsentrasi oksigen. Selanjutnya hasil percobaan juga menunjukkan bahwa mekanisme untuk menyesuaikan konsumsi oksigen dan dengan demikian konsentrasi oksigen internal yang terkait dengan ketersediaan piruvat. Selain itu, dalam kondisi aerobic, fermentasi metabolism memainkan peranan penting dalam menjaga keseimbangan kadar piruvat dalam sel. Bukti menunjukkan bahwa status energy jaringan mempengaruhi induksi enzim fermentasi pada konsentrasi oksigen rendah.

Penilaian Tehadap Jurnal

Peneliti tidak menjelaskan tempat dan waktu diadakannya penelitian ini dan data yang didapat disajikan dalam bentuk grafik yang menarik dan dibahas secara deskriptif. Kelemahan jurnal ini tidak dijelaskan cara pengukuran dan pengolahan data dengan spesifik. Namun jurnal ini dapat dijadikan sebagai referensi utama bagi semua pihak yang memiliki kepentingan, khususnya bagi yang berkecimpung dalam penelaahan dan penelitian studi lebih lanjut tentang regulasi respirasi dan fermentasi untuk mengontrol konsentrasi oksigen internal tanaman.