TUGAS MATA KULIAHFISIOLOGI STRES TANAMAN

Dosen Pengasuh : Prof. Dr. Ir. Rosmayati, MS

PENGARUH LOGAM BERAT TERHADAP KOMPLEKS KLOROFIL-PROTEIN PADA TANAMAN TINGKAT TINGGI

Disusun oleh

MARTIADI KURNIAWAN

NIM : 117001006

PROGRAM STUDI AGROEKOTEKNOLOGIPROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA2013

PENGARUH LOGAM BERAT TERHADAP KOMPLEKS KLOROFIL-PROTEIN PADA TANAMAN TINGKAT TINGGI

I. PENDAHULUAN

Fotosintesis merupakan proses yang cukup rumit yang mengubah cahaya menjadi energi kimia. Proses primer fotosintesis dipercepat oleh protein terikat pigmen yang dikenal sebagai Klorofil-Protein. Protein ini diatur ke dalam suatu kompleks atau partikel yang disebut Photosistem I (PSI) dan Photosistem II (PSII) yang menempel pada membran tilakoid dalam kloroplas tanaman. Protein tersebut terdiri bagian antena dan inti yang berperan sebagai penangkap cahaya dalam jalur transport elektron fotosintesis. PSII dan PSI beroperasi umumnya dalam rangkaian dan PSI juga dioperasikan dalam jalur siklus pelengkap, untuk menghasilkan tenaga yang kurang dan energi dalam bentuk elektron yang tereduksi atau NADPH dan ATP pada rasio yang sesuai untuk proses biokimia yang berlangsung dalam kloroplas/sel. Perubahan lingkungan dalam kualitas dan intensitas cahaya dapat mempengaruhi jumlah produk akhir yang dihasilkan, sementara perubahan dalam suhu dan ketersediaan air mempengaruhi penggunaannya oleh metabolisme klorofil. Kelebihan cahaya menghasilkan radikal bebas, yang membahayakan bagi sistem. Oleh karena itu, eksitasi harus diseimbangkan dengan baik dengan modulasi dari organisasi dan stoikiometri inti dari PS dan pemancarnya atau dialihkan ke dalam saluran yang lain dengan mekanisme protektif untuk mengoptimalkan efisiensi fotosintesis dan menghindari kerusakan organ-organ fotosintesis. Stressor, termasuk logam berat dapat dipertimbangkan sebagai faktor lingkungan yang dengan menyebabkan ketidakseimbangan yang cukup serius atau kerusakan dalam tahapan-tahapan metabolis yang berbeda, menghidupkan mekanisme protektif yang berganda dan pengaturan tanggapan di dalam tanaman. Pengungkapan respon fisiologis dan pengaturan proses pada kondisi lingkungan yang ekstrim sangat penting baik secara ilmiah maupun secara praktis. Pengaruh langsung dan tidak langsung stressor logam berat terhadap kompleks Chl-protein dari jaringan vascular tanaman akan dibahas disini dengan penekanan secara special pada alasan perubahan akumulasi dan organisasinya.

II. KOMPLEKS KLOROFIL-PROTEIN PADA TANAMAN TINGKAT TINGGI

Klorofil-protein merupakan protein multikofaktor yang mengikat pigmen seperti klorofil a, klorofil b dan karoten pada tanaman hijau. Beberapa dari protein tersebut juga berhubungan dengan kofaktor-kofaktor lain yang berpartisipasi dalam transpor elektron dari air ke NADP+. Protein membran bagian dalam yang berstruktur helik yang berperan sebagai rangka dinamis untuk mengikat dan mengatur semua pigmen dan kofaktor-kofaktor lain dalam suatu jarak dan arah/orientasi yang sesuai. Protein-protein tersebut mempengaruhi karakter spektroskopis susunan kofaktor atau potensial redoks dengan menyediakan ligan logam, ikatan H, interaksi atau dompet hidrofobik. Atom Mg dari klorofil berhubungan dengan sisi rantai nitrogen His, Gln ASn atau bagian sisi rantai Glu, Asp, Tyr atau penyangga oksigen secara langsung atau melalui molekul air. Karotenoid diikat oleh protein melalui interaksi yang lebih lemah. Meski dari sudut pandang proses fotosintesis, fungsi utama klorofil-protein sebagai penangkap cahaya atau fotokimia primer, beberapa kompleks diubah

menjadi model penghilangan energi untuk mencegah kerusakan sistem jika cahaya berada dalam kondisi berlebihan.

Klorofil-protein pada kedua PS dapat dikelompokkan sebagai Chl a-protein dan Chl b-protein (tabel 45.1). Chl a-protein mengikat klorofil a dan betakaroten yang merupakan bagian dalam dari kompleks dan berfungsi sebagai pusat reaksi (RC) dan bagian dalam atau inti antena penangkap cahaya. Pada PS I, pusat reaksi dan kebanyakan antena bagian dalam pigmen terikat dalam protein yang sama (PSI A, B). Kofaktor pigmen dari PSI-A/B termasuk enam klorofil a, yang menjadi bagian dari transport electron : P700, akseptor primer A0, tambahan Chl. Kofaktor transport electron yang lain yakni dua quinon dan satu kluster Fe-S juga diikat di dalam kompleks. Energi cahaya yang ditangkap oleh antena dikumpulkan oleh Chl merah dengan panjang gelombang yang lebih panjang yang berada dekat dengan pusat-pusat reaksi. Melalui analogi dengan sianobakteri, beberapa inti kecil protein (PSI, F, G, H, K L) dapat juga mengikat klorofil atau beta karoten sebagai bukti dari studi biokimia dan mutan pada tanaman tingkat tinggi. Sebaliknya, pusat reaksi (D1/D2) dan antena dalam (CP43 dan CP47) adalah protein terpisah di PSII, dan tidak ada klorofil yang terikat dalam subunit kecil. Selain pigmen, P680, dua klorofil dan dua pheophytins dan kuinon (QA dan QB) berpartisipasi dalam transpor elektron, pusat reaksi mengikat dua betakaroten dan dua klorofil, yang disebut Klorofil Z, yang dapat mengarahkan eksitasi energi dari antena ke pusat reaksi atau menghilang dalam bentuk teroksidasi. Antena bagian dalam PSII mengikat pigmen jauh lebih sedikit dibandingkan dengan PSI.

Kompleks klorofil a/b (Cab)-protein mengikat klorofil a, klorofil b, dan pigmen xantofil yang berbeda merupakan bagian dari antena penangkap cahaya atau berfungsi sebagai penghubung antara antena inti dan antena periferal. Protein tersebut merupakan protein tiga-heliks dengan urutan yang sama dan melengkapi pigmen. Empat Kompleks Penangkap Cahaya (LHCa)-protein membentuk homo-(LHCI-680, B) atau heterodimer (LHCI-730) membangun antena dari PSI. Menariknya, klorofil dari panjang gelombang terpanjang ditemukan di antena peripheral PSI, dan perannya secara pasti masih menjadi perdebatan. Antena PSII mengandung komponen yang lebih banyak : Lhcb1, Lhcb2, dan Lhcb3 membentuk kompleks periferal LHCII. Trimer dari komposisi yang berbeda diisolasi : homotrimers Lhcb1 dan heterotrimers yang terdiri dari Lhcb1/Lhcb2 (2/1), Lhcb1/Lhcb3 (2/1) atau Lhcb1/Lhcb2/Lhcb3. CP29 (Lhcb4), CP26 (Lhcb5), dan CP24 (Lhcb6), namun, sebagian besar bersifat monomer, dan mengikat sedikit CHL dibandingkan LHCII.

Klorofil-protein tersebut akan disusun dalam kompleks klorofil-protein yang lebih rumit/fotosistem (PSI + LHCI dan PSII + LHCII) untuk pemanenan cahaya secara efisien dan melindungi Fotokimia. Organisasi supramolekuler dari PSII pada tumbuhan tingkat tinggi diungkapkan menggunakan mikroskop elektron dan analisis citra. CP43 terletak dekat dengan D1, sedangkan CP47 lebih dekat ke D2 yang merupakan inti dari PSII dan secara bersama-sama dengan protein non-pigmen lainnya. CP29 menghubungkan kompleks trimerik LHCII dari orientasi rotasi yang berbeda (terikat sangat kuat atau sedang) ke inti. Selain itu, ikatan L yang kurang kuat pada trimer LHCII sebagaimana CP26 dan CP24 juga terikat pada inti. PSII yang sangat aktif merupakan dimerik, sedangkan PSI adalah monomerik pada tumbuhan tingkat tinggi. Studi struktur kristal pada mutan, dan analisis partikel tunggal menunjukkan bahwa PSI mengikat dimer LHCI dihubungkan dengan PSI-K, PSI-G, dan PSI-F pada satu sisi dari kompleks. LHCII juga dapat dilampirkan ke PSI melalui PSI-H. Fotosistem berada

di domain yang berbeda dari membran tilakoid. PSII dengan antena LHCII yang terutama ditemukan di inti grana, sedangkan PSI + LHCI partikel ditunjukkan baik dalam margin grana dan tilakoid stroma. Heterogenitas dari kedua PSI dan PSII sesuai dengan ukuran antena, lokalisasi, dan fungsi telah diketahui.

Perubahan dalam fungsi dan interaksi dinamis antara kompleks klorofil-protein dapat diikuti oleh karakteristik emisi fluoresensi dari sistem yang diteliti. Intensitas emisi fluoresensi suhu kamar dipengaruhi oleh energi cahaya yang diserap : baik fotokimia yang penting secara fungsional dan disipasi pelindung panas menurunkan hasil fluoresensi, sehingga yang terakhir dapat digunakan untuk memperkirakan proses sebelumnya. Variasi dalam jumlah atau lingkungan fisik/interaksi spasial kompleks diwakili oleh pergeseran panjang gelombang atau rasio yang berubah dari fluoresensi emisi maxima 77K (Tabel 45.1).

Selain yang disebutkan di atas, klorofil terikat protein juga ditemukan pada tumbuhan tingkat tinggi fungsi yang secara pasti masih diperdebatkan. Semua urutan protein tersebut menunjukkan kesamaan dengan protein Cab, tetapi memiliki 1-4 transmembran a-heliks (Tabel 45.1). Mereka stabil tanpa adanya pigmen, tetapi dapat mengikat klorofil dan karotenoid. Namun, klorofil hanya melekat lemah pada protein, dan hanya ada gandengan excitonik yang buruk antar chromophor (bagian yang berperan dalam warna), yang tidak termasuk fungsi panen cahaya. Empat-helix PSII-S (CP22) secara konstitutif seperti protein antena lainnya, hadir dalam jumlah stoikiometri di PSII (2/PSII), dan menunjukkan heterogenitas lateral yang ekstrim seperti yang ditemukan hampir secara eksklusif di granal PSII. Lokasinya tidak diketahui dengan pasti, bukti biokimia menempatkannya dekat dengan inti PSII. Argumen baru tampaknya menggarisbawahi pengaturannya yakni peran dalam photoprotektif. Elip-seperti protein termasuk satu-helix (Hlips-cahaya tinggi protein

diinduksi, SCPS - kecil Cab-seperti protein, OHP - satu-helix protein), dua-helix (SEP - stres yang disempurnakan protein, Lils - cahaya-panen seperti ), dan tiga-helix protein (elips - awal light-induced protein, Cbr - biosintesis karotenoid yang terkait), yang semuanya memiliki motif konsensus elip di Helix 1. Mereka secara sementara terlihat selama proses penghijauan dan pada kondisi stress cahaya dan kekeringan, dan hadir dalam jumlah substoikiometrik dalam tilakoid stroma. Mereka mungkin memenuhi fungsi fotoprotektif dengan mengikat klorofil-klorofil yang baru disintesis atau yang dilepaskan selama turnover pigmen-protein atau sebaliknya mereka mungkin menstabilkan perakitan yang tepat dari kompleks atau bertindak sebagai sink untuk energi eksitasi yang berlebih.

Biogenesis dari klorofil-protein berlangsung dalam kompartemen yang berbeda dari sel. Gen-gen dari klorofil a-protein dilokalisasi, ditranskripsi, dan diterjemahkan dalam kloroplas, dan secara kotranslasional dimasukkan ke dalam tilakoid, sedangkan klorofil a / b-protein dan lainnya Cab-seperti protein yang dikodekan dalam inti oleh kelompok gen, disintesis dalam sitoplasma, dan pascatranslasi dimasukkan ke dalam tilakoid. Pengikatan pigmen mungkin secara kotranslasional (klorofil a-protein) atau coinsertional (Cab-protein). Transkripsi dan translasi yang berbeda klorofil-protein redoks diatur sesuai dengan persyaratan lingkungan yang sebenarnya. Selain itu, perbedaan ekspresi gen dan modifikasi posttranslasional dapat mempengaruhi sifat-sifat antena.

III.PENGARUH LOGAM BERAT TERHADAP KOMPLEKS KLOROFIL-PROTEIN

Logam berat didefinisikan sebagai logam dengan kepadatan lebih tinggi dari 5 g/cm3. Di antara logam berat yang tersedia untuk tanaman, Fe, Mn, dan Mo adalah unsur hara mikro yang penting, sedangkan Zn, Ni, Cu, Co, Cr bersifat racun tetapi memiliki beberapa penting sebagai trace elemen, dan untuk As, Hg, Cd, dan Pb belum diketahui peran pentingnya dan sebagian besar merupakan racun. Logam-logam berat tersebut secara alami merupakan komponen dalam tanah. Masalah toksisitas muncul akibat adanya aktivitas manusia. Penambangan batubara, lalu lintas jalan yang ramai, kegiatan industri, dan praktek agronomi seperti penggunaan pupuk fosfat, lumpur limbah yang tersimpan di dalam tanah, pestisida, dan bahan pelindung benih menimbulkan emisi logam-logam berat dan meningkatkan akumulasinya di lingkungan.

Logam-logam berat dapat mempengaruhi pertumbuhan tanaman dan produksi dengan menghambat sejumlah proses fisiologis pada tanaman. Logam-logam tersebut terbukti dapat menyebabkan gangguan pada ion-ion yang dibutuhkan tanaman dan keseimbangan air, mengganggu metabolisme protein melalui gangguan terhadap nitrat dan pengurangan sulfat. Meskipun hanya sebagian kecil dari logam-logam berat yang beracun (sekitar 1% dari kandungan di daun) yang mencapai kloroplas, namun keberadaan logam-logam berat dapat mempengaruhi reaksi cahaya pada fotosintesis dan proses enzimatik yang terjadi.

A. MODIFIKASI DARI ORGANISASI, KOMPOSISI, DAN FUNGSI KOMPLEKS KLOROFIL-PROTEIN OLEH KERACUNAN LOGAM-LOGAM BERAT

1. Inti Fotosistem IISejumlah penelitian telah menunjukkan bahwa PSII adalah target utama dari stres

logam berat. Namun, mekanismenya secara pasti masih belum jelas meskipun banyak informasi yang terkumpul. Meskipun Cu pada konsentrasi molaritas yang sama (equimolar) terhadap pusat reaksi PSII dan Cd menunjukkan terjadinya rangsangan evolusi O2, efek yang paling sering dilaporkan dari Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, dan Zn adalah penghambatan pada keduanya dalam percobaan baik secara in vivo ataupun in vitro. Berdasarkan hasil percobaan yang dilakukan dengan kloroplas terisolasi atau partikel PSII yang ditreatment dengan Cu, Pb, Zn, atau Hg, penghambatan ini disebabkan oleh disosiasi protein OEC (Oxygen Evolving Complex) dan perpindahan atau substitusi dari kofaktor (Ca2+, Cl-, dan Mn) yang diperlukan untuk pemisahan molekul air. Terkait dengan hal tersebut, kelebihan Calcium sebagian menghilangkan gejala stres Cu dengan menstabilkan kompleks PSII serta meningkatkan aktivitas transpor elektron. Yruela et al. menunjukkan bahwa rasio Cu (II)/pusat reaksi PSII < 230, yang menghambat evolusi O2 dan variable fluoresensi klorofil sekitar 50%, tidak mempengaruhi komposisi polipeptida PSII, dan hanya pada konsentrasi Cu yang lebih tinggi (300 µM, Cu(II)/PSII RC = 1400) menyebabkan pelepasan polipeptida OEC. Absorbsi yang dipengaruhi cahaya pada spektroskopi yang berbeda dari reaksi parsial transpor elektron PSII mengungkapkan bahwa Cu (25 sampai 100 µM) secara spesifik memodifikasi TyrZ dan hara-hara mikronya sehingga transfer elektron P680+ menjadi sangat lambat. Elektron paramagnetik. resonance (EPR) mempelajari tentang kloroplas terisolasi juga menunjukkan interaksi Cu dan Hg dengan TyrZ+/TyrD+, dan munculnya Mn2+ bebas akibat perlakuan tembaga.

Penghambatan sumber logam-logam berat juga ditampilkan di sisi akseptor dari PSII. Transpor elektron antara Pheo dan QA telah rusak di dalam inti PSII dan partikel pusat reaksi (RC) oleh perlakuan Cu (80 µM). Pengukuran Termoluminesensi mengidentifikasi transpor elektron antara QA dan QB sebagai tempat aksi Ni, Zn, dan Co dalam tilakoid yang terisolasi. Pemindahan nonheme Fe oleh Cu di pusat reaksi PSII (1000 Cu / PSII) dan Zn (Zn 10.000 / PSII) terdeteksi oleh spektroskopi EPR. Modifikasi konformasional dari QB oleh Cd seharusnya berdasarkan pada penelitian proses pengikatan herbisida. Koordinasi Cd, Zn, Ni, Co, dan Cu terhadap residu pada jalur protonasi ditunjukkan oleh kristalografi sinar x di dalam pusat reaksi (RC) bakteri ungu.

Tingkat penurunan transfer elektron juga tercermin dalam parameter induksi fluoresensi tanaman yang diberi perlakuan logam-logam berat. Penurunan hasil fluoresensi disebabkan karena terjadinya degradasi atau inaktivasi pusat PSII dan pendinginan fluoresensi yang meningkat telah dilaporkan dalam banyak kasus. Meskipun hasil di atas menunjukkan bahwa logam-logam berat yang berbeda memiliki peran yang sama, Cd (5 µM), Zn (50 µM), dan Cu (50 µM) ditemukan memiliki mekanisme yang berbeda ketika transien fluoresensi secara cepat terjadi pada tanaman kacang yang diteliti. Sementara Cu hanya mempengaruhi re-oksidasi, dan Zn hanya mempengaruhi pengurangan QA, Cd mempengaruhi kedua proses. Namun, Cd memperlambat re-oksidasi QA berbeda dengan efek Cu. Perubahan ini mungkin konsekuensi langsung dari penghambatan siklus Calvin, tetapi

efek langsung dari Cd pada transpor elektron QA-QB kemungkinan karena terjadi interaksi dengan Fe nonheme yang tidak bisa dikesampingkan. Selain itu, respon dari Cu dan Zn tampaknya elastis, tanaman mampu menyesuaikan diri dengan pasokan Cu dan Zn yang berubah, sedangkan Cd adalah bersifat plastis, yaitu baru tercapai pada tingkat kondisi yang mapan.

Informasi yang tersedia sangat kurang sehubungan dengan efek logam-logam berat pada komposisi dan organisasi inti PSII, kecuali pada perubahan yang disebabkan pada tahap fosforilasi dan turnover/degradasi protein D1, dengan rincian yang akan dibahas nanti. Selain pelepasan protein OEC (lihat di atas), konsentrasi treatment Cu yang tinggi dari partikel PSII (BBY) juga menyebabkan destabilisasi dan pelepasan protein antena CP47 dan CP43 secara in vitro. Cd menyebabkan efek yang sama pada isi polipeptida dari kloroplas secara in vivo. Protein yang baru disintesis di rentang 20 sampai 29 kDa (stres protein yang diduga) ditemukan pada partikel PSII yang terisolasi setelah terjadinya stress yang berkepanjangan.

2. Kompleks Penangkap Cahaya Pada Photosistem II (LHCII)Koordinasi Hg, Cd, dan Pb pada nitrogen protein dan atom oksigen karbonil, serta

dalam kasus Hg juga untuk tempat donor sulfur ditunjukkan dengan Spektroskopi Fourier Transform inframerah (FTIR) dalam isolasi LHCII. Pada konsentrasi Hg dan Cd yang lebih tinggi (10 sampai 20mm), tetapi bukan Pb tidak menyebabkan perubahan konformasi secara kuat dari protein yang menurunkan kandungan a-helix yang berat.

Cd (0.2 mm) mengurangi rasio oligomer ke monomer LHCII dalam tilakoid bibit lobak. LHCII terisolasi yang diperlakukan dengan Cd pada kotiledon lobak mengandung sedikit klorofil, xantofil, dan lipid asil, khususnya monogalactosyldiacylglycerol (MGDG), digalactosyldiacylglycerol (DGDG), dan PG. Perubahan yang paling dramatis, ketat sejajar dengan perubahan dalam pengurangan bentuk oligomer atau LHCII, diamati pada trans-Δ3-hexadecenoic kandungan asam khusus terikat PG, yang memainkan peran penting dalam asosiasi subunit protein dalam trimer. Hal ini dapat dihubungkan dengan penghambatan oleh Cd dari kegiatan desaturase palmitat. Namun, LHCII secara eksklusif hadir sebagai trimer dalam mentimun yang ditreatment Cd dan juga pada tanaman poplar setelah solubilisasi secara ringan dengan deterjen glucosidic (Gambar 45.1). Oleh karena itu, LHCII mungkin hadir dalam bentuk trimer kurang stabil pada tanaman yang ditreatmen Cd atau stabilisasi hanya terhambat selama proses penghijauan dan kembali lagi pada perkembangan yang lebih panjang.

Mengenai organisasi antena LHCII, bentuk spektrum emisi 77K fluoresensi tidak berubah pada tanaman kacang yang dikembangkan dengan 0,3 hingga 15 µM Cu (10-110 Cu / PSII) atau mentimun yang diperlakukan dengan 10 µM Pb, sehingga karakteristik PS tetap seperti yang ada pada kontrol. Rasio klorofil a dan b yang rendah, dan percepatan penutupan PSII berhubungan dengan antena PSII yang lebih besar pada konsentrasi Cu yang lebih tinggi (0,2 sampai 1mM) pada tanaman barley. Bibit gandum yang diperlakukan dengan Cd (30 sampai 120 µM) menunjukkan pengurangan emisi pada PSII, dan maksimum pada 680 nm menggantikan satu di 685 nm bersama-sama dengan beberapa peningkatan sekitar 700 nm pada tanaman mentimun yang terhambat secara berat, yakni, antena LHCII menurun dan mungkin terlepas dari inti di bawah tekanan yang kuat dari Cd. Oleh karena itu, perbedaan perubahan antena bergantung pada kondisi.

Gambar 45.1 Pola chl-protein pada tanaman yang mengalami defisiensi Fe dan yang ditreatmen dengan logam berat. Kiri : pita hijau (ditandai dengan titik dan jumlah) dipisahkan oleh Deriphat PAGE setelah pelarutan ringan tilakoid dengan detergen glukosidik. FP – pigmen bebas. Tanaman poplar yang ditumbuhkan secara hidroponik dengan pemberian 10µM Fe-EDTA atau Fe-sitrat sebagai sumber Fe hingga tingkatan daun keempat yang diberi perlakuan Cd atau Pb (10µM) atau dengan pengambilan Fe pada 14 hari berikutnya. *- suplai Fe meningkat hingga 50µM selama perlakuan. Kanan : metode identifikasi pita dengan elektroporesis gel 2D : gel elektroporesis asli diikuti oleh denaturasi gel eletroporesis yang menunjukkan pola polypeptide dari garis/pita hijau. Standar protein (dalam kDa) : fosforilase b (94), bovin serum albumin (67), ovalbumin (43), karbonik anhidrase (30), penghambat tripsin kedelai (20.1), alpha-laktalbumin (14.4).

3. Holokompleks Photosistem IAktivitas transpor elektron PSI secara in vitro lebih toleran terhadap perlakuan logam

berat daripada PSII. Pb (45 Pb/CHL) menurunkan kadar P700 aktif sebesar 28%, dan mengubah kinetika pengurangan gelap foto-teroksidasi P700. Dalam tilakoid terisolasi, Cu tidak mempengaruhi fungsi dari P700. Namun, dengan adanya askorbat kerusakan klorofil secara cepat dan klorofil-protein P700 terdeteksi mungkin karena pembentukan H2O2 dalam askorbat dengan Cu yang terkatalis secara auto-oksidasi. Oksidasi P700 dalam gelap dengan Hg (Klorofil: HgCl2 = 1:1), diketahui dengan menggunakan spektroskopi EPR.

Sensitivitas yang lebih rendah dari PSI dibanding aktivitas PSII dilaporkan terjadi bahkan secara in vivo. Pengurangan secara moderat aktivitas transport electron diukur dalam perlakuan Cd (30 sampai 120 µM) pada penghijauan bibit gandum dan pada perlakuan Ni (100 sampai 500 µM) di tanaman kacang yang lebih atau kurang matang. Aktivitas PSI diukur dengan penyimpanan energi fotokimia dalam cahaya merah jauh dan foto-oksidasi P700 pada tanaman jagung yang sedang berkembang tidak terlalu terpengaruh dengan perlakuan Cu (8, 80 µM) dibandingkan dengan aktivitas PSII. Namun, pada 10 hari perlakuan kromat (20 sampai 40 µM) berkurang jauh oksidasi P700 pada Spirodela. Ferredoxin yang tergantung pada pengurangan NADP+ jauh lebih terhambat daripada pengurangan methylviologen dengan dichlorophenol-indophenol sebagai donor elektron dalam kloroplas terisolasi dari bibit jagung yang mendapat perlakuan Cd (10, 20, 30 µM), dan berkorelasi dengan penurunan ferredoxin dan kandungan Fe.

Jumlah fluoresensi gelombang panjang (77 K) menurun dalam perkembangannya, gandum tanaman mentimun yang diperlakukan dengan Cd (10 sampai 120 µM) mengacu pada terganggunya organisasi antena PSI. Emisi gelombang panjang berwarna biru bergeser pada tanaman yang sangat terpengaruh. Selain itu, populasi PSI yang mengikat baik LHCI

dan LHCII menjadi bertambah (Gambar 45.1: band 1 pada gel) dibandingkan dengan PSI yang hanya mengandung LHCI (band 2). Perubahan yang sebanding dalam komposisi PSI diamati dibawah kondisi stress cahaya. Selain itu, jumlah antena LHCI dalam partikel PSI terisolasi dari tanaman yang ditreatmen dengan Cd relatif sedikit berkurang dibanding dengan kontrol (Sa'rva'ri et al., Tidak dipublikasikan) mirip dengan fenomena yang diamati Chlamydomonas yang kekurangan Fe dan Cu.

B. PERUBAHAN DALAM AKUMULASI KLOROFIL-PROTEIN TERHADAP STRES LOGAM BERAT

Logam-logam tidak hanya mempengaruhi komposisi dan fungsi kompleks tetapi juga akumulasi relatifnya dan pengaruhnya terhadap ultrastruktur dari tilakoid.

Pada tanaman bayam yang diberi perlakuan Cu (315 µM), jumlah CPa (CP47, CP43) menurun secara signifikan. Pada tanaman kacang berusia 6,12,18 hari dalam fase intensif , intermediate dan stasioner pertumbuhannya, perlakuan Cu (315 µM) selama 10 hari berikutnya meningkat (tetapi penghambatan pertumbuhan tertinggi diamati) / tidak berubah / menurunkan kandungan klorofil, rasio klorofil a/b, dan rasio klorofil/karotenoid pada daun primer. Toleransi yang lebih tinggi berdasarkan Cu pada evolusi O2 ditunjukkan pada daun muda. Dalam suatu kesepakatan, induksi fluoresensi menunjukkan bahwa proses fotokimia utama dalam PSII tidak berubah pada tanaman pada tahap pertumbuhan intensif dan menengah, namun proses pelepasan energy dalam kondisi aktif. Penurunan Fv/Fm hanya ditemukan pada tanaman yang diberi perlakuan pada fase stationer dan berhubungan dengan proses penuaan. Analogi perubahan diamati dalam kondisi yang sama, tetapi menggunakan stress Cd (25 µM). Demikian pula, dengan menyelidiki pengaruh toksisitas Cd (50 sampai 200 µM) pada bagian yang berbeda dari daun rye dalam tahap perkembangan yang berbeda, penurunan terkuat dalam konten klorofil dan Fv/Fm, dan peningkatan pendinginan nonphotochemical (Npq) terjadi pada bagian daun yang lebih dewasa.

Perubahan yang tersebut di atas tercermin dalam efek Cd (10 µM) dan Pb (10, 50 µM) pada akumulasi kompleks klorofil-protein pada tanaman mentimun. Perlakuan Cd dari satu tingkatan daun hingga tanaman kontrol memiliki tujuh daun (sekitar 4 minggu) memberikan urutan sensitivitas kompleks PSI> PSII inti> LHCII sesuai dengan urutan degradasi kompleks di penuaan daun. Ketika perlakuan Pb dan Cd dimulai lagi, dalam tahapan daun keempat tanaman, inti PSII adalah kompleks yang paling sensitif pada daun dewasa. Pada daun-daun yang baru muncul, Pb dan Cd mengurangi jumlah kompleks dalam urutan LHCII> PSI> PSII inti, dan PSI> LHCII> PSII inti, secara berturut-turut. Sesuai dengan data ini, penurunan efektif ukuran antena PSII disarankan berdasarkan parameter induksi fluoresensi pada daun kacang yang terpisah dengan keberadaan Pb. Pola klorofil-protein yang sama dengan yang ditemukan dalam mentimun yang diberi perlakuan Cd juga diperoleh pada penghijauan (greening) tanaman barley dengan Ni (0,4 sampai 1 µM), di Salix yang diperlakukan dengan Cd (90 µM) atau Cu (45 µM), dan pada tanaman poplar diberi perlakuan Cd (10 µM) dari tahapan empat daun (Gambar 45.1). Efisiensi maksimal, aktual, dan intrinsik dari PSII cukup menurun dan NPQ naik selama periode stress Cd yang panjang (Tabel 45.2). Selain itu, gejala-gejala yang muncul menjadi lebih kuat dengan meningkatnya intensitas cahaya selama perlakuan. Namun, sensitivitas yang lebih tinggi dari PSII dibandingkan dengan kompleks

lain yang diamati pada Spirodela dengan perlakuan kromat (100, 500 µM) dalam kesimpulan dari pengukuran transien fluoresensi, dan pada daun Phragmites yang lebih toleran yang muncul pada kondisi perlakuan Cd (90 µM) atau Cu (45 µM). Akumulasi PSII menjadi lambat bahkan pada tanaman kacang yang diperlakukan dengan konsentrasi Cd, Ni dan Pb yang sangat rendah (0,5 sampai 1 µM), terlepas dari kenyataan bahwa akumulasi kompleks klorofil dan lainnya telah dirangsang. Perubahan Cd terinduksi biasanya menurunkan rasio klorofil a/b karena adanya penurunan relatif dalam jumlah inti PSII atau sensitivitas relatif yang lebih rendah pada LHCII dibandingkan pada PSI.

Perlakuan logam berat mengurangi ukuran dan kadang-kadang jumlah kloroplas dan jumlah dari sistem tilakoid. Lamella stroma yang hancur atau tidak hancur dengan susunan grana yang tidak beraturan, terlihat adanya sensitivitas yang lebih tinggi dari struktur grana. Pada tahap terakhir, pembengkakan membran tilakoid, plastoglobuli yang banyak, dan kadang-kadang terlihat bentuk seperti kristal. Dalam daun muda, keracunan logam memiliki efek penghambatan yang parah pada pengembangan tilakoid.

Gambar 45.2 Pola Chl-protein pada tahap stress logam yang berbeda. Jumlah Chl-protein dihitung dalam µg klorofil per cm2 daun ditunjukkan sebagai persentase nilai kontrol

Sebagai kesimpulan, pola klorofil-protein yang diperoleh selama perlakuan logam berat dapat diklasifikasikan ke dalam empat tahap (Gambar 45.2). Tahap pertama dan kedua

ciri-cirinya sama, satu-satunya perbedaan adalah bahwa akumulasi klorofil dan klorofil-protein yang dirangsang dibandingkan dengan kontrol pada tahap pertama dan terjadinya penghambatan pada tahap yang kedua. Tahap pertama diamati pada perlakuan stres ringan yang terjadi pada fase pertumbuhan daun yang intensif atau menengah, dan efisiensi PSII tidak mengalami perubahan. Tahap kedua kekuatannya bervariasi tergantung pada dosis stressor. Hal tersebut merupakan karakteristik untuk daun yang diberi perlakuan pada fase pertumbuhan menengah, sebagaimana beberapa stres seperti kromat, atau pada tanaman yang toleran yang diperlakukan pada fase pertumbuhan yang intensif ataupun yang menengah. Tahap ketiga diamati lebih sering pada daun tanaman yang sensitif yang muncul pada kondisi tress logam berat dengan stressor yang lebih kuat, yang mempengaruhi PSI secara lebih kuat. Kekuatan stres juga bervariasi seperti pada tahap kedua. Perubahan efisiensi maksimal PSII yang sedikit sampai sedang dalam tahap kedua dan ketiga tergantung pada keadaan. Tahap keempat adalah karakteristik tanaman dengan tempat penyimpanan yang benar-benar jenuh, menunjukkan efisiensi yang maksimal PSII yang sangat rendah, dan dapat mati jika perlakuan tersebut dilanjutkan.

Karena laju relatif dari kedua proses biosintesis dan degradasi menentukan akumulasi dari kompleks tersebut, studi terhadap berjalannya proses selama penghijauan (greening) atau aklimatisasi dapat memberikan petunjuk bagi penjelasan dari pola akhir. Cd (1 sampai 100 µM) memperlambat laju akumulasi klorofil dan karotenoid, dan menurunkan sintesis LHCII, LHCI, dan polipeptida OEC, begitu juga keterlambatan dalam kemunculan aktivitas PSII dan susunan grana diamati pada proses penghijauan bibit lobak. Laju yang lebih lambat dari akumulasi protein LHC dapat dijelaskan dengan penekanan Cd dari transkripsi LHCb1 dan penghambatan aktivitas protease, yang membelah prekursor apoprotein LHCII ke bentuk yang matang. Sementara Cd (2,5 sampai 10 mM) memiliki efek yang lebih nyata pada aktivitas PSII pada tahap awal perlakuan Cd, aktivitas PSI juga sama-sama terpengaruh pada tanaman kacang setelah perlakuan dalam jangka panjang. Selama penghijauan (greening) tanaman mentimun yang memanjang oleh kekurangan zat besi pada keberadaan Cd (1 µM) dan Fe (10 µM), laju akumulasi masing-masing kompleks menurun dan berbeda dibandingkan dengan kontrol (Gambar 45.3). Pemulihan kompleks dalam tanaman kontrol mirip dengan pembentukan kloroplas yang dimediasi oleh unsur pada tanaman gula bit. Masa lag (lag phase) selama 24 jam diamati sebelum kumpulan klorofil tersebut terakumulasi, dan laju akumulasi pada PSI adalah yang tertinggi. Dalam tanaman yang menghijau pada keberadaan Cd, pertama-tama tingkat PSI tumbuh relatif paling pesat dibanding kontrol, laju akumulasi PSII secara signifikan lebih terhambat, dan peningkatan dalam jumlah LHCII tertinggal di belakang kompleks pusat reaksi (RC). Selanjutnya, penghancuran kompleks diamati, dimana dimulai lebih awal pada kasus PSI, kemudian pada LHCII dan inti PSII merupakan kompleks yang paling stabil hampir mengalami penurunan selama periode pengamatan (120 jam). Degradasi awal PSI berhubungan dengan inaktivasi mekanisme pelindung karena penghambatan Cd terhadap enzim pelindung. Oleh karena itu, Cd mempengaruhi baik sintesis dan degradasi semua kompleks, namun degradasi inti PSII tertinggal dari kompleks yang lain pada tahap perkembangan lanjut. Perubahan turnover D1 juga ditemukan pada stress yang berbeda, dan hal tersebut mungkin merupakan respon adaptasi terhadap stress.

Gambar 45.3 Akumulasi kompleks klorofil dan chl-protein selama suplai kembali Fe yang mempengaruhi penghijauan daun mentimun pada keberadaan dan ketiadaan 1µM CdNO3. Daun dietiolasi dengan turunan Fe. Periode penghijauan selanjutnya (putih, bintik, abu-abu dan hitam) masing-masing mewakili setiap 24 jamnya. Semua nilai diukur sebagai µ g klorofil per cm2 daun yang ditunjukkan sebagai persentase nilai yang diukur pada control hijau.

IV. BEBERAPA ALASAN DAN PERBAIKAN PENGARUH LOGAM BERAT

Mengenai mekanisme kerja logam-logam berat, efek langsung sebagai penghambat kelompok-kelompok fungsional dalam molekul biologis penting oleh ikatan logam berat yang mempengaruhi aktivitas/perubahan bentuk atau dengan menggusur/menggantikan kelompok prostetik yang penting, serta efek tidak langsung seperti penggangguan metabolisme mineral oleh induksi logam-logam berat dan stres oksidatif pada tanaman telah diketahui. Dari sudut pandang kompleks pigmen-protein, logam-logam berat juga dapat menyebabkan perubahan pengaturan yang dipicu oleh perubahan keseimbangan fungsi fotosintesis karena penghambatan biogenesis fotosistem atau kerusakan fungsional dari kompleks-kompleks yang ada.

A. PENGARUH LOGAM BERAT PADA PIGMEN FOTOSINTESIS DAN LIPIDA MEMBRAN

Meskipun akumulasi klorofil telah terbukti dirangsang oleh konsentrasi mikromolar dan submicromolar dari logam Ni, Mn, Fe, Co, Cd, Pb, dan Cr dalam larutan nutrisi, gejala yang paling sering diamati dari perlakuan logam-logam berat (10 µM hingga 1mM) atau defisiensi logam adalah terjadinya klorosis pada daun. Besar kecilnya klorosis sangat dipengaruhi oleh kondisi percobaan (komposisi larutan nutrisi, umur tanaman, waktu perlakuan), dan jenis tanaman. Hal tersebut merupakan laju relatif pertumbuhan daun dan akumulasi klorofil yang memiliki pengaruh yang sangat besar, dan dapat menjelaskan hasil yang terkadang bertentangan mengenai sensitivitas daun pada umur yang berbeda. Untuk alasan tersebut, maka penting untuk menentukan kandungan klorofil secara keseluruhan daun atau dalam jumlah tertentu dari kloroplas tersebut, yang biasanya jarang terjadi.

Terkait dengan penghambatan akumulasi klorofil, efektivitas yang berbeda dari logam-logam berat digunakan pada situasi yang sama yang diamati seperti Cd> Cu> Pb, Cu> Co, Ni> Mn, Zn, Co> Ni> Cd> lain, dan Co> Cu> Cr. Penghambatan bergantung pada

konsentrasi dan dosis. Sensitivitas relatif klorofil a, b dan karotenoid berbeda jauh dari satu penelitian ke penelitian. Hal ini mungkin disebabkan oleh efek yang berbeda dari logam-logam berat pada akumulasi klorofil-protein tergantung pada kondisi yang sebenarnya.

Penyebab klorosis tidak terlalu tegas ditentukan. Beberapa penulis menemukan bukti-bukti penghambatan langsung dari enzim dari jalur biosintesis klorofil oleh logam-logam berat. Penghambatan akumulasi d-amino-levulinic acid (ALA) dan aktivitas ALA-dehidratase ditunjukkan oleh logam-logam Cd, Fe, Co, Ni, Mn, Hg, Pb, dan Cr pada konsentrasi yang sama yang menghambat akumulasi klorofil secara in vivo. Sehingga sering dianggap bahwa logam-logam berat memberi pengaruh terhadap enzim secara langsung terhadap kompleks ke kelompok -SH di pusat katalitik. Umpan balik penghambatan akumulasi ALA oleh kandungan Mg-protoporfirin ester monomethyl yang tinggi juga dapat ditimbulkan oleh logam-logam berat yang menimbulkan kekurangan zat besi. Enzim lain dari biosintesis klorofil seperti porphobilinogenase dan protochlorophyllide oksidoreduktase bisa dihambat hanya pada konsentrasi logam yang sangat tinggi. Baik phototransformasi dari protochlorofilida ataupun akumulasi gelap dipengaruhi oleh Cd secara in vivo pada daun barley. Sebaliknya, kehadiran cahaya fluoresen yang sangat tinggi, dideteksi tidak secara stabil merakit klorofil. Pada saat yang sama, pola penghijauan bibit kacang yang diberi perlakuan Cd pada kondisi cahaya sedang mengacu pada beberapa efek penghambatan Cd pada akumulasi protochlorofilida, regenerasi, atau phototransformasi. Bahkan pengurangan dalam kepadatan kloroplas, disebabkan karena penghambatan pembagian kloroplas oleh perlakuan Cu dan Cd, dapat menyebabkan perkembangan klorosis dalam kasus-kasus tertentu.

Di sisi lain, penurunan kandungan klorofil dapat dikaitkan dengan peningkatan degradasi dari klorofil yang ada. Peningkatan aktivitas klorofil-ase oleh logam berat ditemukan secara in vitro. Lipid peroksidase yang dipengaruhi oleh Cd, dan degradasi oksidatif yang dimediasi oleh peroksida pada klorofil juga terjadi. Percepatan penuaan yang disebabkan oleh Cd disimpulkan sebagai penyebab utama dari kerusakan klorofil pada daun kacang yang diberi perlakuan pada saat tua. Pada kondisi yang lebih tua lagi, namun daun masih tetap tumbuh, konsentrasi klorofil hampir tidak berubah, tapi rasio klorofil a/b yang bervariasi menunjukkan adanya respon aklimatif/penyesuaian.

Sebagai kesimpulan, penghambatan logam berat pada biosintesis klorofil dapat berkontribusi pada akumulasi penurunan klorofil-protein di dalam daun muda. Namun, kehadiran klorofil yang tidak sempurna pada tanaman yang sedang berkembang pada kondisi perlakuan logam berat menunjukkan bahwa pentingnya proses-proses yang lain, yang mempengaruhi biogenesis membran dan perakitan kompleks secara lebih signifikan. Penghambatan akibat induksi logam berat dari agregasi yang dibutuhkan (stabilisasi) dari kompleks tersebut dibuktikan dari hasil FTIR dan EPR. Selama perlakuan logam berat yang lebih kuat dan lebih lama atau dalam daun yang lebih tua, logam-logam berat dapat menurunkan kandungan klorofil dan terjadi perubahan pada rasio klorofil a/b yang dapat juga dihubungkan dengan proses aklimatisasi dan degradasi.

Efek lain dari logam-logam berat diamati pada tanaman tingkat tinggi secara in vivo adalah substitusi dari magnesium dalam molekul klorofil akibat efek meracuni dari logam-logam berat seperti merkuri, tembaga, kadmium, seng, nikel, dan timah. Kebanyakan logam-logam berat tersebut tidak sesuai untuk fotosintesis. Efisiensi transfer energinya (dan emisi

fluoresensi) sangat menurun tajam karena spectrum serapan logam-logam berat tersebut dan tempat eksitasi pertama yang agak tidak stabil, yang secara suhu dapat lebih ringan. Selain itu, kapasitas fotokimia dari ikatan logam berat dan klorofil, yaitu kemampuan untuk melepaskan elektron dari keadaan tereksitasi singlet, juga menyebabkan penurunan secara relatif terhadap ikatan Mg-klorofil. Toksisitas logam dapat tersusun atas Hg> Cu> Cd> Zn> Ni> Pb, dan hal tersebut sebanding dengan laju pembentukan kompleksnya dan tidak dengan stabilitas termodinamika dari kompleks yang terbentuk. Dalam keadaan ternaungi secara ekstrim (1 sampai 5 W/m2), bagian yang besar dari atom Mg pada klorofil digantikan oleh logam-logam berat dan baik terbentuk secara lama, kompleks stabil dengan penyerapan spektrum biru (perubahan warna) dan emisi fluoresensi yang rendah (tembaga, nikel) atau pada kasus kompleks tidak stabil, diamati terjadi proses pemutihan klorofil. Pada kondisi cahaya yang kuat (100 sampai 150 W/m2), hanya sedikit fraksi magnesium dari klorofil (<2%) yang diganti, dan sebagian besar klorofil rusak dengan kemunculan produk allomerisasi. Kemungkinan terbentuknya ikatan logam berat dan klorofil, khususnya pada pigmen yang berpartisipasi dalam transpor elektron, juga dapat menjelaskan perubahan fungsional pada kompleks klorofil-protein di bawah pengaruh logam-logam berat. Hasil yang disajikan dalam makalah lain seperti pergeseran spektrum biru atau pengamatan langsung substitusi klorofil memperkuat pandangan terhadap kejadian ikatan logam berat dan klorofil secara in vivo.

Kompleks klorofil-protein tertanam pada lapisan lipid ganda dari tilakoid. Setiap perubahan dalam komposisi lipid dan fluiditas dapat mengubah konformasi, orientasi, dan fungsi dari kompleks-kompleks tersebut. Logam-logam berat ditunjukkan mempengaruhi komposisi lipid dan fluiditas tilakoid. Cd menurunkan jumlah lipid asil, khususnya MGDG dan PG, dan penurunan jumlah asam trans-Δ3-hexadecenoat. Dosis meracuni yang rendah pada Cu dan Pb dapat menurunkan jumlah fosfolipid (PG dan PC), dosis yang lebih tinggi juga mempengaruhi MGDG. MGDG diperlukan untuk aktivitas PSII dan bersama-sama dengan PG penting untuk membangun oligomer LHCII dan susunan grana, sehingga mempengaruhi transfer energi terhadap PSII. Asam lemak pada lipid tilakoid menunjukkan kecenderungan asam lemak jenuh menggantikan asam lemak tak jenuh, yang membuat membran menjadi lebih kaku. Perubahan serupa dalam kadar lemak dan komposisi asam lemak juga diamati pada tanaman kacang yang mengalami kekurangan Fe.

B. GANGGUAN DARI METABOLISME MINERAL OLEH LOGAM BERAT

Salah satu efek yang paling penting dari logam-logam berat pada fotosintesis adalah pengaruhnya pada nutrisi mineral tanaman. Kelebihan logam beracun sangat sering menginduksi terjadinya kekurangan zat besi. Cd dan Cu menurunkan kandungan Fe dan Mn. Mentimun yang diberi perlakuan Cd tidak menunjukkan tanda-tanda kekurangan unsur. Namun, kandungan total Fe tidak selalu sesuai sebagai penanda defisiensi Fe secara fisiologis.

Berkurangnya akumulasi besi telah dikaitkan baik dengan penghambatan logam berat pada proses penyerapan ataupun pada proses translokasi. Kelebihan (1 µM) Cu, Mn, Zn, dan Co (tapi tidak Ni) menurunkan translokasi Fe di daun muda tanaman barley. Cd juga dilaporkan mengganggu penyerapan zat besi maupun translokasi Fe dan Mn. Selain

menyebabkan defisiensi unsur, logam-logam berat secara bersamaan mengubah keseimbangan kation pada tanaman karena persaingan pada saat proses penyerapan atau translokasi ion logam. Efektivitas Cd, Pb dan Zn bergantung pada konsentrasi Fe dan Mn di dalam larutan hara.

Studi tentang perubahan pola klorofil-protein pada kondisi kekurangan ion tertentu dapat menjelaskan kepentingan ion-ion tersebut dalam efek pengaruh logam berat. Mangan mengurangi jumlah CPa (CP47 dan CP43) yakni bahwa inti PSII dan hal itu disertai dengan penurunan rasio klorofil a/b, emisi fluoresensi dengan panjang gelombang pendek diukur pada 77 K, dan aktivitas transpor elektron pada PSII. Struktur pipih pada kloroplas yang kekurangan Mn tidak berbeda dengan kontrol. Tanaman yang kekurangan/defisien benar-benar pulih dalam waktu dua hari dengan penambahan kembali mangan. Pengembalian aktifitas PSII dan beberapa pemulihan susunan grana terjadi pada tanaman tomat yang diperlakukan dengan Cd (20 µM) dengan meningkatkan konsentrasi mangan ke 1 µM di dalam larutan hara. Oleh karena itu, defisiensi/kekurangan mangan dihubungkan terutama dengan perubahan aktivitas PSII, dan hal tersebut tidak dapat bertanggung jawab atas pengaruh logam berat pada pola klorofil-protein, karena gejala defisiensi mangan yang parah agak dibandingkan dengan efek dari logam-logam berat dan perubahan yang dipengaruhi oleh logam berat dipulihkan dengan penambahan ekstra mangan.

Sebaliknya, sindrom defisiensi Fe yang berat sangat mirip dengan efek yang kuat dari logam-logam berat. Defisiensi besi menginduksi perubahan biokimia dan aktivitas yang berbeda dalam bagian-bagian fotosintesis. Kondisi ini mengurangi kandungan pigmen, dengan karotenoid yang kurang sensitif dibandingkan klorofil a. Perubahan dalam rasio klorofil a/b tergantung pada sejauh mana tingkat kekurangan zat besi. Aktivitas PSI dan PSII baik dari sisi donor dan akseptor mengalami perubahan, dan QA menurun bahkan dalam kondisi gelap. Penurunan efisiensi aktual PSII pada kondisi defisiensi besi tidak bisa hanya dijelaskan dengan angka yang lebih rendah dari unit fotosintesis, tapi terkait dengan penutupan pusat PSII pada kondisi defisiensi besi moderat, padahal itu dikaitkan dengan penurunan efisiensi PSII secara intrinsik pada defisiensi besi yang parah. Penghambatan yang kuat pada evolusi O2 daripada efisiensi aktual PSII menunjukkan adanya perubahan pada jalur elektron.

Terkait dengan perubahan komposisi pada kompleks klorofil-protein, kekurangan zat besi (< 1 µM Fe) diikuti oleh ekspresi gen penanda (Fox1) yang mengkode komponen asimilasi besi, menurunkan jumlah Lhca3 dalam partikel PSI yang diisiolasi di Chlamydomonas. Keberadaannya di pool LHCI bebas seperti yang dibuktikan dari spektrum fluoresensi 77K cahaya biru dan hasil fluoresensi yang tinggi. kehilangan koneksi LHCI disebabkan adanya kehilangan pada PSI-K. Keterbatasan ion besi yang parah mengakibatkan hilangnya PSI, LHCI (kehilangan fluoresensi gelombang panjang), PSII (kurangnya Fv), dan LHCII residual dengan emisi fluoresensi 77K pada 680 nm. Perubahan dalam kompleks klorofil-protein yang disebabkan oleh kekurangan zat besi bukanlah konsekuensi dari penghambatan sintesis klorofil, hal tersebut menjadi peristiwa pengaturan spesifik yang terjadi di tingkat posttranskripsional, yang dimulai jauh sebelum penurunan dalam kandungan klorofil. Langkah pertama adalah ekspresi Fox1, yang mengumpulkan sekitar 80 kali lipat dalam waktu 24 jam, tidak termasuk kemungkinan penghambatan sintesis protein secara umum dan mengacu pada mekanisme Fe-sensing yang sangat sensitif. Penurunan kandungan

ferredoxin (dalam waktu 1 hari) diikuti oleh penurunan PSI-K (dalam waktu 2 hari), kemudian, dengan periode lag yang berbeda, jumlah Lhca3 yang terhubung ke inti melalui PSI-K berkurang, dan kemudian pada penurunan polipeptida inti PSI. LHCII, CF1, dan D1 yang ditemukan stabil dalam 5 hari masa pengamatan. Selanjutnya, penghilangan dan pembentukan LHCI dan bintik-bintik LHCII polipeptida baru terdeteksi oleh 2D PAGE selama periode ini. Proses yang diamati tersebut membuktikan menjadi peristiwa yang paling posttranscripsional (gen prosesi yang berbeda, proteolisis spesifik) meskipun kontrol translasi dari sintesis beberapa komponen tidak dapat dikesampingkan. Karena tanaman yang kekurangan zat besi tidak sensitif terhadap cahaya dan mutan yang sensitive cahaya (misalnya, PSI-F) tumbuh lebih baik dalam kondisi keterbatasan ion besi, hal tersebut menyarankan bahwa perubahan antena membuat sel-sel mampu mengoptimalkan fotosintesis dan meminimalkan efek yang merusak dari sinar yang berlebihan. Proses yang berbeda dapat mempengaruhi asosiasi antena dengan menggeser fungsi antena dari efisien menyerap cahaya menjadi disipasi/menghamburkan cahaya, seperti yang seharusnya dalam kasus kekurangan zat besi mempengaruhi penataan ulang antena di cyanobacteria.

Pemutusan antena pada kondisi kekurangan zat besi juga ditunjukkan dalam PSII. Penggunaan fase fluorometry dan penghitungan foton tunggal yang berkaitan dengan waktu menunjukkan adanya komponen yang dapat bertahan lama (3,3 ns) yang berkontribusi pada fluoresensi total sekitar 15%, dan bertahan selama periode induksi secara keseluruhan, yang ditafsirkan sebagai pemutusan komponen antena internal PSII.

Kekurangan zat besi menimbulkan sedikit atau lebih perubahan yang sama dalam pola klorofil-protein sebagai yang diberi perlakuan logam berat. Kekurangan zat besi yang ringan pada daun muda dari tanaman poplar sebelumnya ditumbuhkan dalam Fe-sitrat sedikit menurunkan jumlah inti PSII inti. Kekurangan zat besi yang kuat pada daun yang sedang berkembang pada tanaman poplar yang sebelumnya ditumbuhkan pada Fe-sitrat, bagaimanapun, menyebabkan perubahan serupa dalam pola klorofil-protein terhadap Cd, mengurangi akumulasi kompleks dalam urutan PSI> LHCII> inti PSII (Gambar 45.1). Berdasarkan hal tersebut, emisi gelombang panjang telah digeser dan menurun seperti dalam mentimun baik yang kekurangan Fe atau ataupun yang diberi perlakuan Cd. Perubahan karakter yang sama diamati dalam pola klorofil-protein kacang. Penurunan jumlah inti PSI, LHCI-680, D1, dan CP43 juga dilaporkan dalam tomat yang kekurangan zat besi, namun LHCII tetap stabil. Sensitivitas yang ekstrim dari PSI tidak mengherankan pada cahaya terhadap kandungan besinya yang tinggi (12/PSI). Selain itu, perakitan cluster Fx merupakan persyaratan penting untuk stabilitas inti PSI.

Selain itu, kandungan klorofil dan jumlah seluruh kompleks menurun secara paralel dengan pengurangan kadar besi daun baik pada tanaman poplar yang kekurangan zat besi dan yang diberi perlakuan Cd. Sementara kemiringan kurva dalam kasus klorofil, PSI, dan LHCII kurang lebih sama pada tanaman kekurangan Fe dan yang diberi perlakuan Cd, penurunan inti PSII dengan penurunan kandungan besi di daun jauh lebih kuat dalam perlakuan kedua menunjukkan bahwa faktor-faktor lain selain kekurangan zat besi juga akumulasi logam berat tersebut. Efisiensi maksimal, aktual, dan intrinsik menurun dan NPQ naik di bawah kedua perlakuan mengacu baik pada photoinhibition dan tingginya disipasi/pemancaran energi nonphotokimia.

Klorosis pada daun yang kekurangan besi mudah pulih kembali pada pemberian kembali Fe, seperti halnya efek buruk dari Cu dan Cd pada fotosintesis dan pola klorofil-protein cukup berkurang dengan pasokan Fe yang tinggi secara simultan (Gambar 45.1, Tabel 45.2). Penghubungan kembali pada LHCI yang tidak terhubung ke pusat-pusat PSI baru disintesis diamati pada ganggang merah selama penambahan kembali unsur besi.

Oleh karena itu, hal tersebut membuktikan bahwa banyak aspek dari kekurangan zat besi yang sangat mirip dengan sindrom logam berat mengenai kompleks klorofil-protein. Yang paling penting adalah: (i) perubahan yang sama dalam pola klorofil-protein, (ii) kemiripan kekurangan zat besi dan penataan ulang antena yang dipengaruhi Cd serta perubahan spektrum fluoresensi 77K, dan (iii) kemiringan kurva yang sama menunjukkan ketergantungan antara kandungan Fe daun dan jumlah klorofil serta PSI dan LHCII pada kedua jenis perlakuan. Hal ini berarti bahwa kekurangan zat besi memainkan peran penting dalam memunculkan gejala logam berat. Efek yang paling penting dari kekurangan zat besi pada akumulasi kompleks klorofil-protein mungkin berupa penghambatan sintesis klorofil, memiliki dampak terbesar pada akumulasi LHCII dan memperlambat perakitan PSI atau menurunkan stabilitasnya. Penurunan jumlah inti PSII, bagaimanapun, dipengaruhi tidak hanya oleh defisiensi Fe, tetapi juga oleh faktor-faktor lain, misalnya, kekurangan Mn dan laju degradasi pada tanaman yang diberi perlakuan Cd.

C. DAMPAK KELEBIHAN CAHAYA AKIBAT PENGHAMBATAN FOTOSINTESIS OLEH LOGAM BERAT

Stressors, termasuk logam-logam berat, mengakibatkan ketidakseimbangan antara penyerapan cahaya dan pemanfaatan energi cahaya bahkan pada kondisi radiasi yang sedang. Kelebihan cahaya seperti itu bersifat relatif terhadap kapasitas fotosintesis yang dirasakan melalui perubahan dalam tekanan eksitasi PSII atau pada kondisi system sangat berkurang/ sangat giat, dan pengaktifan mekanisme pelindung untuk menghindari kerusakan dari organ-organ fotosintesis. Jika kondisinya lebih tahan lama, sinyal jalur transduksi dimulai untuk mengkoordinasikan ekspresi gen yang terkait dengan fotosintesis. Tergantung pada beratnya stres, bagaimanapun, kerusakan yang lebih atau kurang dari sistem tidak dapat dihindari.

1. Pengaruh Reactive Oxygen Species (ROS) pada Kompleks Klorofil-ProteinTanaman lebih terkena stres oksidatif karena salah satu sumber utama dari oksigen

reaktif (ROS) adalah transpor elektron fotosintesis. Enzim pemecah molekul air menghasilkan H2O2 secara in vitro dengan menonaktifkan keadaan S3 dari enzim. Beberapa kebocoran elektron untuk O2 pada sisi akseptor dari hasil PSII dalam pembebasan H2O2. Tempat utama produksi ROS pada sisi reduksi PSI, di mana superoksida dibentuk oleh transpor elektron ke O2 (reaksi Mehler). Superoksida diubah menjadi H2O2 oleh superoksida dismutase (SOD). Penghambatan aliran elektron juga dapat menyebabkan pembentukan singlet oksigen, karena triplet klorofil terbentuk akibat reaksi kembali di dalam pusat reaksi PSII, yang bereaksi dengan O2. Produksi singlet oksigen di kompleks b 6/f sitokrom juga terdeteksi. ROS menyebabkan kerusakan nonenzimatik lipid (peroksidasi lipid) dan dapat mengoksidasi asam amino aromatik dan asam amino yang mengandung sulfur. Kedua

antioksidan nonenzimatik, glutathione dan askorbat dilokalisasi dalam stroma kloroplas, dan tokoferol serta karotenoid dalam membran, seperti halnya enzim seperti SOD dan peroksidase askorbat (Apx) yang berperan dalam penghapusan ROS. Antioksidan enzimatik dan nonenzimatik diatur dalam jaringan antioksidan yang disebut siklus air-air. Superoksida dibentuk oleh transpor elektron fotosintesis dari H2O ke O2 yang pembagiannya terganggu ke H2O2 dan O2 oleh SOD, H2O2 kemudian direduksi menjadi air dengan Apx dan askorbat, yang diregenerasi dengan reductase dehydroascorbate, glutathione, dan glutation reduktase menggunakan NADPH yang diproduksi melalui fotosintesis.

Sementara tanaman yang mampu mengatasi tingkat normal produksi ROS, faktor stres dapat secara serius mengganggu keseimbangan mekanisme detoksifikasi. Logam-logam berat dapat merangsang pembentukan ROS sebagai konsekuensi dari penghambatan reaksi metabolisme, dan dengan demikian meningkatkan transpor elektron ke oksigen, yang menyebabkan produksi superoksida menjadi lebih tinggi. Selain itu, transisi katalis logam (Fe, Cu) meningkatkan produksi ROS yang secara biologis jauh lebih reaktif, radikal hidroksil dari superoksida atau H2O2 (Haber-Weiss atau reaksi Fenton). Meskipun mekanisme pertahanan sering dirangsang oleh perlakuan logam berat pada awal aplikasi, setelah perlakuan lebih lama atau pada konsentrasi logam berat yang tinggi juga dapat merusak sistem detoksifikasi.

Level pembentukan ROS yang berlebihan terjadi pada kerusakan organ-organ fotosintesis yang menyebabkan photoinhibition baik di PSII maupun di PSI. Photoinhibition PSII dapat disebabkan baik oleh mekanisme sisi akseptor ataupun sisi donor. Dalam mekanisme sisi akseptor, singlet oksigen yang dihasilkan karena reduksi berlebihan dari QA, yang mampu mengoksidasi pigmen didekatnya, komponen redoks dan asam amino. Sisi donor, inaktivasi oksigen independen menghasilkan jangka waktu yang berkepanjangan dari P680+ dan TyrZ+ yang menyebabkan oksidasi yang ireversibel di sekitarnya. Proses kerusakan protein D1, yang biasanya cepat (dalam hitungan jam) dan efisiensi perbaikan dengan mengganti protein yang rusak dengan yang baru. Degradasi dan resintesis berlangsung di lamela stroma. Kerusakan, protein D1 terfosforilasi dipicu untuk terurai melalui perubahan bentuk di dalam granum tersebut. PSII yang tidak aktif menjadi termonomer, LHCII, dan terjadi pemindahan OEC. Inti bermigrasi ke dalam lamella stroma, di mana D1 yang terdegradasi oleh protease spesifik setelah mengalami defosforilasi. Bersamaan dengan penguraiannya, suatu polipeptida yang baru disintesis dan secara cotranslasional dimasukkan ke dalam membran tilakoid dan diikat oleh kofaktor. PSII yang sudah diperbaiki bergerak kembali ke granum dimana kompleks asli disusun kembali. Namun, pada inaktivasi PSII yang berlebihan, kompleks tidak bisa semua diperbaiki, dan sebagian besar pusat terfosforilasi rusak tinggal di grana untuk waktu lebih lama. Fosforilasi mungkin menstabilkan kompleks dan melindungi semua komponen dari degradasi. Spesies oksigen reaktif (ROS) dilaporkan berperan bahkan dalam degradasi LHCII pada cahaya yang tinggi.

Photoinhibition PSI tidak begitu sering diamati dibandingkan dengan PSII, namun terjadi secara in vivo. Prosesnya membutuhkan oksigen, dan target utamanya adalah pusat Fe-S. Radikal hidroksil, yang diproduksi oleh reaksi bertipe Fenton antara photoreduksi Fe dari pusat terdegradasi dan superoksida, merupakan penyebab kerusakan protein ekstrinsik stroma dan yang terjadi di PSI-B. Pemulihan PSI dari photoinhibition merupakan proses yang sangat

lambat, berlangsung selama beberapa hari, sehingga harus dicegah. Inhibitor transport electron PSII menekan inaktivasi PSI, sehingga photoinhibition dari PSII dapat dianggap sebagai mekanisme perlindungan. Proses pelindung lainnya mungkin reaksi Mehler dengan adanya enzim pelindung dan siklus transpor elektron, yang juga pengaturan PSII, dengan menciptakan gradien pH. Selain itu, spesies P700+ tersebut, terakumulasi pada cahaya tinggi dan menjadi quenchers, juga dapat menghilangkan energi sebagai panas.

Aktivitas PSI tampaknya tidak menjadi sangat sensitif terhadap stres. Namun, kehilangan sedikit PSI diamati terjadi pada kondisi cahaya tinggi atau pada stress karena kekurangan mineral. Sebaliknya, pada photoinhibition PSII, mengukur penghambatan evolusi oksigen atau penurunan Fv/Fm, yang sering ditemukan pada stres logam-logam berat. Kondisi ini dapat ditingkatkan oleh pasangan klorofil-protein yang lemah, yang dilaporkan muncul pada tanaman yang mengalami stress logam berat. Photoinhibition terjadi pada PSII dikarenakan kelebihan zat besi (50 hingga 900 mm) yang bersama-sama dengan degradasi oksidatif protein D1 yang dipengaruhi oleh cahaya. Perubahan dalam jumlah D1 selama stress Cd yang pendek dan kuat (5 mm) pada tanaman pea dan tanaman kacang terdeteksi oleh eksperimen pulsa-chase dengan methionin yang diberi radioaktif 35S menunjukkan bahwa turnover D1 yang dirangsang pada jam pertama perlakuan dan kemudian dihambat.

Stimulasi atau penghambatan turnover D1 ditemukan pada stress yang berbeda, dan mungkin mewakili respon adaptasi terhadap stres. Pengetahuan kita tentang regulasi turnover protein D1 agak kurang lengkap. Hal tersebut terhambat jika pool PQ sebagian besar berkurang. Dalam kekurangan mineral yang kronis photoinaktifasi PSII tidak terakumulasi pada tahap pertama, yakni adanya degradasi yang cepat dari PSII, yang juga mempengaruhi degradasi LHCII (klorosis), tapi setelah kehilangan cukup banyak dari degradasi D1 PSII menjadi terbatas, tingkat D1 protein terfosforilasi bahkan dalam gelap meningkat, dan pusat PSII tidak aktif bisa terkumpul. Logam-logam berat menginduksi “stabilisasi” inti PSII setelah kehilangan klorofil yang banyak yang mungkin dapat dihubungkan dengan tipe prosesnya.

2. Proses Regulasi Pada Kondisi Kelebihan CahayaKarena pentingnya fotosintesis sebagai sumber energi, tanaman mengembangkan

sejumlah strategi untuk menghindari kerusakan dari organ-organ fotosintesis dan mempertahankan efisiensi fotosintesis setinggi mungkin bahkan dalam kondisi yang tidak menguntungkan. Hal ini melibatkan aktivasi mekanisme perlindungan yang berbeda, dan mengubah ekspresi gen baik untuk mengoptimalkan fotosintesis ataupun untuk lebih meningkatkan mekanisme perlindungan.

Tanaman menggunakan berbagai mekanisme pengaturan dan perlindungan untuk menyingkirkan dampak kelebihan cahaya dan untuk menghindari produksi ROS. Aklimatisasi pada jenis tersebut terjadi pada skala menit. Hal tersebut termasuk kondisi transisi, fotokimia dan proses pendinginan nonphotochemical. Kondisi transisi menyeimbangkan pasokan cahaya untuk PSII dan PSI. Mekanisme fotokimia mengkonsumsi kelebihan elektron atau mengurangi substansi pada cara penghamburan (disipatif) yang kurang ataupun lebih, seperti siklus transpor elektron, fotorespirasi, klororespirasi, dan secara tidak langsung juga respirasi. Di antara mekanisme nonphotochemical, yang menghilangkan kelebihan cahaya dalam bentuk panas sehingga mengurangi tidak hanya hasil kuantum

fotosintesis tetapi juga pendinginan (quenching) emisi fluoresensi dari sistem, yang didalamnya terdapat antena dan proses yang terkait dengan pusat reaksi. Mekanisme yang disarankan dari aksi antenna quenching bertipe qE yang dipengaruhi oleh keadaan tilakoid yang sangat berenergi merupakan deepoksidasi dari violaxanthin menjadi zeaxanthin dan ikatan zeaxanthin dan perubahan bentuk/agregasi dari klorofil-protein seperti LHCII, antena minor dari PSII (CP29, CP26) atau PsbS, yang membangkitkan antena penangkap yang dapat menjadi tidak aktif oleh produksi panas. Inaktivasi pusat reaksi PSII dapat menyebabkan siklus transportasi elektron menjadi sia-sia disekitar PSII. Selain itu, pusat penghambatan cahaya (photoinhibisi) PSII juga tampaknya memancarkan energi sebagai panas pada kondisi kelebihan cahaya yang berlebih secara berkelanjutan.

Dari contoh tersebut sejauh ini dipelajari dengan jelas bahwa adanya salah satu kombinasi dari mekanisme ini dapat digunakan dalam tanaman untuk menurunkan tekanan eksitasi. Meningkatnya fotokimia dapat melindungi gandum musim dingin atau rye, dan agregat LHCII yang mengandung zeaxanthin terlihat membuang kelebihan energy pada tanaman Pinus sylvestris selama musim dingin. Kelebihan pada perlakuan Mn (0,18 sampai 1.8 mM), Al (1 mM), dan Cd (50 µM) kesemuanya menurunkan hasil Fotokimia PSII dengan suatu peningkatan paralel di qN (Tabel 45.2). Dengan menggunakan partikel PSII yang diberi perlakuan Cu (BBY), pada pendinginan Fm dapat dihubungkan dengan oksidasi Cu yang menginduksi oksidasi pada kedua bentuk cyt b559 (LP dan HP) dan yang ada pada ChlZ, yang merupakan quencher yang efisien pada antna fluoresensi di kondisi teroksidasinya. Peningkatan siklus transpor elektron di sekitar PSI dan respirasi yang kurang terhambat dari fotosintesis juga telah dijumpai pada kondisi stress logam berat. Faktanya bahwa sebagian sisa hasil kuantum maksimal dari Fotokimia PSII dan sebagian cukup besar energy yang tersimpan diukur dengan spektroskopi phototakustik tidak terpengaruh dalam tilakoid yang terisolasi (tidak mampu melakukan PSI siklus transpor elektron) oleh Hg, Cu, dan Pb pada penghambatan secara penuh evolusi O2 dapat dijelaskan dengan terjadinya aktivitas siklus transpor elektron di sekitar PSII. Namun, logam-logam berat juga dapat mengganggu beberapa proses regulasi : treatment Cu (8, 80 µM) terbukti sangat mempengaruhi perubahan dari keadaan 1 ke keadaan 2.

Secara alternatif, tanaman dapat menyesuaikan diri dengan kondisi lingkungan yang baru dengan cara mengubah ekspresi gen, mengarah ke biogenesis atau degradasi komponen klorofil-protein, hasil dari perubahan rasionya lebih cocok dengan keadaan yang diberikan. Menurut hipotesis yang ada baru-baru ini, sinyal mengubah keadaan redoks dari beberapa komponen (PQ, cyt b6/f kompleks) dari mesin fotosintesis (kontrol persepsional) atau pada molekul-molekul kecil (thioredoxin, glutathione) dalam kloroplas, atau penampilan ROS (kontrol transduksional). Komponen regulator aktif dalam kisaran cahaya ketika keadaan redoksnya bervariasi. Pada intensitas cahaya rendah komponen tersebut merupakan pool PQ, fungsinya sesuai dengan operasi pada organ-organ fotosintesis. Pada cahaya yang lebih tinggi, ketika pool PQ benar-benar berkurang, thioredoxin, keadaan redoks yang tergantung pada kedua transportasi elektron linier dan siklik, menjadi regulator redoks yang paling penting. Pada intensitas cahaya yang tinggi, di mana thioredoxin juga berkurang, konsentrasi glutathione teroksidasi dan H2O2 meningkat, dan bertindak sebagai sinyal aktivasi untuk induksi mekanisme pertahanan stres ringan. Mekanisme pengaturan mengatur ekspresi gen pada semua tingkatan, transkripsi, proses posttranscriptional dan translasi dapat terpengaruh.

Transkripsi yang diregulasi PQ dari psaAB (gen dari P700 Apoprotein), dan psbA (gen D1), dan inti LHCb (gen komponen antenna PSII). Pengikatan kompleks protein yang mengaktifkan translasi menuju wilayah mRNA psbA 5’ yang tidak dittranslasi meningkat dengan cara aktivasi oleh menurunnya thioredoxin dan disulfida isomerase yang menyerupai enzim. Keadaan redoks pada glutathione diperkirakan dapat memainkan peran penting dalam meningkatkan ekspresi gen psbA pada kondisi stress cahaya yang tinggi, yakni ketika jumlah glutathione teroksidasi mengalami peningkatan. Cahaya tinggi menginduksi represi transkripsi LHCb dan proteolisis dari polipeptida yang ada.

Perubahan dalam kelimpahan dan organisasi pigmen-protein juga dilaporkan terjadi pada kondisi cahaya mengalami penghambatan (photoinhibitory). Pemutusan LHCII dari PSII menunjukkan ketidaktergantungan fosforilasi dalam kondisi photoinhibitory. Kandungan LHCII pada PSI meningkat. Sebuah penyelidikan secara rinci terhadap perubahan kompleks klorofil-protein di bawah rezim cahaya yang berbeda mengungkapkan bahwa selama kenaikan tingkat radiasi dari normal ke cahaya tinggi jumlah inti PSI dalam keadaan konstan, yaitu inti PSII dua kali lipat, sedangkan Lhcb1,2 secara dramatis menurun dan Lhcb4,5,6 tidak mengalami perubahan tetapi polipeptida Lhcb4 yang baru dengan berat molekul yang lebih tinggi (modifikasi posttranslasional) muncul. Pengurangan dalam kelimpahan transkripsi Lhcb1, Lhcb4, dan Lhca bawah cahaya tinggi juga ditunjukkan pada Chlamydomonas. Dalam tilakoid yang dicuci Tris yang disinari dengan cahaya photoinhibitory dan dilarutkan oleh digitonin, diamati pemisahan inti PSI dan LHCI. Penurunan antena PSI juga diamati pada Porphyridium cruentum dengan meningkatkan radiasi. Dalam pengurangan ganggang hijau dalam jumlah polipeptida LHCb dan peningkatan level protein yang mengikat karotenoid, Cbr terdeteksi, yang masing-masing disebabkan oleh represi yang terjadi secara bersama-sama dan de-represi inti gennya. Elips dapat melindungi tanaman dari cahaya tinggi yang menginduksi stress foto-oksidatif. Perubahan ini semua dapat berkontribusi untuk perlindungan terhadap photoinhibition.

Sebagai kesimpulan, dapat dikatakan bahwa perubahan dari organ-organ fotosintesis selama perlakuan logam berat sebagian besar merupakan karakter aklimatisasi, di mana pada cahaya yang berlebih, muncul kerusakan yang disebabkan oleh stres fotosintesis secara fungsional yang memainkan peranan penting. Pada tahap 1 (Gambar 45.2), ketika sistem masih memiliki cadangan, peningkatan dalam jumlah PSI mungkin karena peningkatan kebutuhan ATP untuk sintesis/regenerasi protein, perubahan yang diinduksi oleh stres logam-logam berat. Peningkatan LHCII /PSII dapat membantu mencegah kerusakan fungsi pusat PSII. Situasi tersebut tetap sama asalkan kerusakan relatif PSI lebih kecil dibandingkan dengan PSII bahkan jika sintesis/akumulasi kompleks dihambat (Tahap 2). Namun, ketika jumlah PSI menjadi terbatas, misalnya, karena kekurangan zat besi yang disebabkan oleh logam berat atau peningkatan kerusakan photoinhibitory yang disebabkan oleh penghambatan enzim pelindung, mekanisme kontrol lainnya dinyalakan, yang mungkin juga bekerja dalam kondisi sangat photoinhibitory (Tahap 3). Kondisi ini melibatkan penurunan akumulasi/degradasi proteolitik pada kompleks antena dan stabilisasi relatif pusat PSII, bagian dari yang penghambatan oleh cahaya (photoinhibisi). Pusat-pusat tersebut dapat ikut serta dalam disipasi/penghamburan energi. Pada tahap 4, penuaan menjadi hal yang lazim. Tahap lanjutan dari penuaan ditandai dengan kerusakan kerusakan klorofil yang besar disertai

dengan penurunan yang kuat dalam efisiensi PSII dan LHCII merupakan salah satu komponen yang paling stabil.

V. KESIMPULAN

Untuk penafsiran pengaruh logam-logam berat pada kompleks klorofil-protein, penting untuk diingat bahwa (i) toksisitas dan mekanisme kerjanya berbeda pada tanaman dewasa dan yang masih berkembang, (ii) toksisitas logam penting dibutuhkan sebagai hara mikro (Fe, Mn) atau yang merupakan trace element (Cu, Zn, Ni) dan logam yang tidak penting (Hg, Cd, Pb) dapat dimunculkan dalam rentang konsentrasi yang cukup berbeda, karena tanaman dapat mentolerir hara mikro yang penting dalam rentang konsentrasi yang luas. Selain itu, meskipun pengaruh logam-logam berat pada dasarnya tergantung dosis, faktor waktu juga sangat penting yaitu, pengaruh yang diperoleh selama perlakuan pada waktu yang sangat pendek tidak dapat dibandingkan dengan perlakuan dalam jangka yang lebih panjang. Selain itu, spesies tanaman yang berbeda secara nyata dapat memodulasi respon in vivo karena adanya perbedaan mekanisme perlindungan tidak hanya fotosintesis.

Pada kasus daun tua, pengaruh logam-logam berat pada serapan unsur atau sintesis klorofil tampaknya tidak menjadi alasan utama dari perubahan yang terjadi dalam organisasi dan fungsi kompleks klorofil-protein. Ikatan logam berat secara langsung termasuk substitusi pada ion-ion penting (Ca, Mg, Mn), kerusakan oksidatif protein dan lipid dapat menjadi efek yang utama, yang menyebabkan perubahan komposisi (misalnya, logam berat-klorofil) dan akibatnya terjadi perubahan fungsional dan variasi dalam jumlah kompleks. Biasanya, PSII merupakan kompleks yang paling sensitif. Pada kondisi stress yang kuat, peningkatan degradasi D1 menyebabkan penurunan jumlah hasil pada PSII. Induksi/penguatan mekanisme pelindung biasanya diamati selama periode terjadinya stress, yang melibatkan reorganisasi antena untuk meningkatkan quenching nonfotokimia, induksi siklus transpor elektron di sekitar PSI dan PSII, dan peningkatan ekspresi protein yang terkait dengan stres.

Pengaruh logam berat pada bagian-bagian (aparat) fotosintesis dari daun yang sedang berkembang bahkan lebih rumit. Penghambatan langsung sintesis klorofil, depresi reduksi nitrat (mempengaruhi sintesis protein), dan yang paling penting penghambatan penyerapan dan translokasi ion (Fe, Mn, Ca) dapat terlibat dalam pengaruh logam berat memperlambat sintesis dan perakitan kompleks. Setelah bagian-bagian fotosintesis mulai berfungsi, mekanisme pengaturan diaktifkan. Pada kondisi stres ringan, sintesis diatur kembali dari kompleks yang cacat fungsional. Stres yang kuat membangkitkan respon dalam karakterisitik pola kompleks klorofil-protein terhadap cahaya yang berlebihan. Semakin tinggi intensitas cahaya maka semakin kuat respon terhadap stress tersebut. Proses yang terjadi pada tanaman dewasa juga dapat berkontribusi.

Oleh karena itu, lama perlakuan logam berat mempengaruhi sintesis atau stabilitas apoprotein-apoprotein selama pengembangan bagian-bagian (aparat) fotosintesis. Perubahan yang dihasilkan pada kondisi stress yang tidak terlalu parah, ketika efisiensi PSII hanya cukup terpengaruh, tampaknya muncul karakter aklimatif, yang dapat membantu untuk mengoptimalkan fotosintesis dalam kondisi yang merugikan. Namun, rincian dan kemajuan proses, yaitu ditemukan penyebab yang pasti dan konsekuensi dalam langkah-langkah berikutnya pada suatu pengembangan atau sebuah sistem yang lebih matang. Pengaturan

percobaan yang lebih menjanjikan tampaknya mulai mempelajari progress kegiatan dari ekspresi gen hingga perubahan komposisi, organisasi dan fungsi tahap demi tahap selama perlakuan logam berat secara in vivo. Dinamika dalam pengikatan pigmen dan interaksi antara klorofil-protein tampaknya merupakan hal yang terpenting. Tindakan ini sudah baru saja dimulai dalam beberapa tahun terakhir. Kami praktis tidak memiliki informasi mengenai pigmen-protein “helper'' (PsBs, elips) pada kondisi stress logam berat. Selain itu, penelitian yang lebih rinci dari kompleks terisolasi diperlukan untuk mengetahui efek langsung seperti substitusi kofaktor dan perubahan komposisi atau konformasi yang penting secara fungsional.