1

PENDAHULUAN Latar Belakang

Kedelai (Glycine max (L.) Merr.) merupakan tanaman kacang-kacangan

yang digunakan sebagai bahan baku makanan tradisional seperti tempe, tahu dan

kecap yang menjadi sumber protein nabati utama bagi sebagian besar penduduk

Indonesia. Namun produktifitas kedelai nasional relatif rendah, yaitu hanya 1,2

ton/ha jika dibandingkan dengan produktifitas Cina yang sebesar 1,7 ton/ha dan

Amerika Serikat yang sebesar 2,5 ton/ha (Agroindonesia 2001). Jumlah penduduk

Indonesia yang sebesar 216 juta jiwa saat ini membutuhkan kedelai sekurang-

kurangnya 3,0 juta ton per tahun, sementara itu produktifitas kedelai di Indonesia

semakin menurun. Sejak tahun 2000, kondisi tersebut semakin parah, dimana

impor kedelai semakin besar, yaitu sekitar 70% dari kebutuhan kedelai penduduk

Indonesia (Hutapea dan Zum 2004).

Kendala utama dalam peningkatan produksi kedelai di lapangan salah

satunya adalah kondisi cekaman kekeringan (Darman 2000). Kondisi ini semakin

sulit karena Indonesia memiliki lahan kering yang cukup luas dibandingkan

dengan lahan yang berpengairan. Faktor kekeringan diketahui merupakan faktor

lingkungan utama yang akan menghambat pertumbuhan tanaman dan menurunkan

produksi.

Purwanto (2003) telah melakukan penelitian tentang aktivitas fotosintesis

kedelai akibat cekaman kekeringan. Pada penelitian tersebut didapatkan bahwa (1)

fotosintesis, transpirasi dan daya hantar stomata menurun dengan semakin

lamanya perlakuan kekeringan dan (2) tanaman dalam kondisi cekaman

kekeringan memiliki luas daun dan rasio berat daun yang lebih rendah dibanding

dengan yang tidak mengalami cekaman.

Jusuf et al. (1993) telah melakukan penelitian tentang aspek toleransi

tanaman kedelai terhadap cekaman kekeringan dengan mengevaluasi 750 plasma

nutfah. Berdasarkan penelitian tersebut diperoleh 20 genotipe toleran, yang

dilanjutkan dengan identifikasi morfologi dan fisiologi oleh Hamim (1995) dan

Sopandie et al. (1996). Melalui identifikasi tersebut diketahui bahwa tanaman

kedelai pada kondisi cekaman kekeringan mengalami penurunan potensial

osmotik dan peningkatan akumulasi prolin. Galur-galur tersebut merupakan

2

materi yang baik untuk mempelajari mekanisme adaptasi tanaman terhadap

cekaman kekeringan.

Hamim (2004) menyatakan bahwa pada tahap awal, kekeringan

menyebabkan berkurangnya pembukaan stomata untuk meminimalisir kehilangan

air di bawah kondisi cahaya berlebihan. Peristiwa ini mengakibatkan terjadinya

penurunan konsentrasi CO2 intrasel, sehingga tanaman mengalami overreduksi

pada transfer elektron fotosintesis (Berkowitz 1998). Overreduksi ini terjadi

karena pembentukan NADPH pada reaksi terang tidak diimbangi oleh pemakaian

NADPH pada reaksi gelap karena penurunan konsentrasi CO2 intrasel. Hal ini

mengakibatkan terbentuknya reactive oxygen species (ROS) yang diawali dengan

pengikatan elektron pada transpor elektron fotosintesis oleh oksigen. Proses

selanjutnya akan terbentuk berbagai bentuk senyawa ROS seperti; superoksida

(O2-), singlet oksigen (·O2), radikal hidroksil (OH) dan hidrogen peroksida (H2O2)

(Mckersie and Leshem, 1994). Senyawa ROS ini akan dapat menimbulkan

kerusakan pada tanaman (Aroca et al. 2001). Jika hal ini dibiarkan, maka lama

kelamaan tanaman akan mati (Apel and Hirt 2004).

Disisi lain ROS juga dapat diinduksi pada tanaman dengan adanya

senyawa herbisida, yang salah satunya adalah herbisida paraquat. Herbisida

paraquat ini akan dapat mengambil elektron pada transfer elektron fotosintesis

pada pusat reaksi fotosistem I. Herbisida paraquat memiliki afinitas tinggi

terhadap elektron, sehingga dengan mudah akan mengikat elektron fotosintesis.

Pada keadaan ini paraquat menjadi tidak stabil dan segera melepaskan elektron

tersebut. Elektron ini akan langsung diikat oleh oksigen sehingga terbentuk

superoksida (salah satu bentuk ROS) (McKersie and Leshem 1994; Reade and

Cobb 2002).

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Gossett et al. (1996)

diperoleh bahwa pemberian paraquat dapat menghambat pertumbuhan tanaman

kapas (Gossypium hirsutum L.). Taylor et al. (2002) juga menyatakan bahwa

perlakuan paraquat dan stres air pada biji kacang kapri (Pisum sativum L.) dapat

menginduksi terbentuknya peroksidasi lipid yang akan menghambat kemampuan

mitokondria dalam mengoksidasi glysin. Belum diketahui secara jelas apakah

3

kerusakan yang ditimbulkan oleh ROS akibat cekaman kekeringan sama dengan

yang ditimbulkan oleh herbisida paraquat.

Pada kenyataannya, tanaman memiliki mekanisme tertentu untuk

mempertahankan diri dari kerusakan ketika terjadi akumulasi ROS diantaranya

melalui mekanisme enzimatik (enzim antioksidan) dan non-enzimatik (senyawa

antioksidan). Enzim dan senyawa antioksidan ini akan menghambat pembentukan

ROS baik pada kondisi cekaman kekeringan (Apel and Hirt 2004) maupun pada

tanaman yang terkena herbisida paraquat (McKersie dan Leshem 1994).

Walaupun demikian masih sedikit informasi yang diperoleh terkait dengan

perubahan fisiologi tanaman yang terkena cekaman kekeringan dan herbisida

paraquat. Keduanya sama-sama mempengaruhi metabolisme tanaman terutama

pada transpor elektron fotosintesis dan dapat menginduksi stres oksidatif.

Berdasarkan hal tersebut diperlukan informasi yang cukup tentang

komparasi respon fisiologi tanaman kedelai yang mendapat cekaman kekeringan

dan perlakuan herbisida paraquat. Hal ini juga diharapkan dapat memberikan

informasi tambahan tentang usaha pemuliaan tanaman pada lahan kering di

Indonesia.

4

Tujuan

1. Melihat respon fotosintesis dan transpirasi kedelai selama perlakuan

cekaman kekeringan dan setelah mendapat perlakuan herbisida paraquat.

2. Membandingkan tingkat akumulasi malonialdehid sebagai indikator

terbentuknya ROS pada tanaman yang mendapat cekaman kekeringan dan

tanaman yang mendapat perlakuan paraquat.

3. Mengamati aktivitas enzim antioksidan dan akumulasi senyawa

antioksidan pada tanaman yang mendapat cekaman kekeringan dan

perlakuan paraquat.

4. Mengamati akumulasi prolin pada tanaman yang mendapat cekaman

kekeringan dan perlakuan paraquat.

Hipotesa

1. Terdapat perbedaan respon laju fotosintesis dan laju transpirasi pada

perlakuan cekaman kekeringan dan pelakuan paraquat.

2. Perlakuan cekaman kekeringan dan perlakuan herbisida paraquat

memberikan pengaruh yang sama dalam menginduksi senyawa ROS.

3. Perkembangan tingkat antioksidan dan aktivitas enzim akan mengalami

peningkatan akibat cekaman kekeringan dan perlakuan paraquat.

4. Terdapat perbedaan akumulasi prolin pada tanaman yang mendapat

cekaman kekeringan dan pemberian herbisida paraquat.

5

TINJAUAN PUSTAKA Peranan Air bagi Pertumbuhan Tanaman

Air merupakan komponen utama tanaman, yaitu membentuk 80-90 %

bobot segar jaringan yang sedang tumbuh aktif. Air sebagai komponen esensial

tanaman memiliki peranan antara lain: (a) sebagai pelarut, di dalamnya terdapat

gas, garam, dan zat terlarut lainnya, yang bergerak keluar masuk sel, (b) sebagai

pereaksi dalam fotosintesis dan pada berbagai proses hidrolisis, (c) air esensial

untuk menjaga turgiditas diantaranya dalam pembesaran sel, pembukaan stomata

dan menyangga bentuk daun-daun muda atau struktur lainnya (Levitt 1980).

Pada keadaan normal tanaman membutuhkan keseimbangan potensial air

antara tanah-akar-daun-atmosfer. Keseimbangan ini berarti gradien potensial air

antara bagian-bagian tersebut yang memungkinkan tanaman untuk melakukan

transpor air dan hara dari akar ke daun. Air akan mengalir dari potensial air tinggi

ke potensial air rendah, sehingga potensial air di tanah haruslah lebih tinggi

dibandingkan dengan potensial air di akar, daun dan atmosfer yang dipengaruhi

oleh proses transpirasi (Taiz and Zeiger 2002).

Proses transpirasi di daun terutama terjadi pada siang hari. Transpirasi

dipengaruhi oleh cahaya matahari. Ketika terjadi proses transpirasi pada tanaman,

maka tekanan turgor akan mengalami penurunan. Penurunan ini menyebabkan

potensial air di daun lebih rendah dari pada di akar, sehingga akan mempermudah

aliran air di xylem dari akar sampai ke daun. Peningkatan aliran air ini dibutuhkan

untuk pertumbuhan sel tanaman. Aliran air ke sel akan mengakibatkan perbesaran

dan pemanjangan sel, sehingga sel dapat tumbuh (Kramer and Boyer 1995).

Pada kondisi lingkungan tertentu tanaman dapat mengalami defisit air.

Defisit air berarti terjadi penurunan gradien potensial air antara tanah-akar-daun-

atmosfer, sehingga laju transpor air dan hara menurun (Taiz and Zeiger 2002).

Penurunan ini akan mengakibatkan gangguan pada pertumbuhan tanaman,

terutama pada jaringan yang sedang tumbuh (Kramer and Boyer 1995). Hal ini

biasanya terjadi pada tanah yang kekurangan air, sehingga gradien potensial air di

tanah dan akar menurun. Itulah sebabnya tanaman yang tumbuh pada tanah yang

kering mengalami hambatan pertumbuhan.

6

Cekaman Kekeringan pada Tanaman

Cekaman kekeringan akan mengakibatkan rendahnya laju penyerapan air

oleh akar tanaman. Ketidakseimbangan antara penyerapan air oleh akar dan

kehilangan air akibat transpirasi membuat tanaman menjadi layu. Cekaman

kekeringan atau “drought stress” dapat terjadi karena beberapa hal yaitu: (1)

tingginya kecepatan evaporasi yang melebihi persediaan air dari tanah ke akar

yang akan mengakibatkan penurunan potensial air, (2) adanya senyawa yang

bersifat osmotik, seperti pada tanah garam, yang dapat menurunkan pengambilan

air sehingga terjadi penurunan potensial osmosis dan tidak cukupnya pengambilan

air oleh tanaman yang diserap dari tanah (Borges 2003).

Tanaman yang berada pada kondisi cekaman kekeringan akan memberikan

respon tertentu baik secara morfologis, anatomis maupun fisiologis. Pada keadaan

cekaman kekeringan tersebut terdapat dua mekanisme utama yang mungkin

terjadi pada tanaman, yaitu: (a) tanaman berusaha menghindari cekaman, baik

dengan cara melakukan perubahan struktur morfologi dan anatomi, maupun

dengan meningkatkan efisiensi penggunaaan air dengan cara mengatur laju

transpirasi, dan (b) meningkatkan toleransi terhadap cekaman kekeringan melalui

perubahan kimia sel, baik dalam bentuk peningkatan akumulasi senyawa terlarut

yang berperan sebagai pengatur tekanan osmotik sel (osmotic adjustment), dengan

mengakumulasi senyawa kimia seperti; prolin dan gula (Meyer dan Boyer 1981).

Cekaman kekeringan dapat menghambat pertumbuhan tanaman.

Penghambatan pertumbuhan ini salah satunya dapat dilihat pada perluasan daun.

Penurunan luas daun merupakan respon pertama tanaman terhadap kekeringan.

Keterbatasan air akan menghambat pemanjangan sel yang secara perlahan akan

menghambat pertumbuhan luas daun. Kecilnya luas daun mengakibatkan

rendahnya transpirasi, sehingga menurunkan laju suplai air dari akar ke daun. Jika

kondisi ini dibiarkan terus menerus, lama kelamaan akan terjadi absisi daun (Taiz

and Zeiger 2002). Luas daun pada tanaman sangatlah penting karena proses

fotosintesis terjadi di kloroplas daun, dan fotosintesis merupakan salah satu faktor

yang mempengaruhi proses pertumbuhan tanaman.

7

Efek Kekeringan terhadap Fotosintesis

Penurunan potensial air tanaman pada kondisi kekeringan menyebabkan

terjadinya penurunan laju fotosintesis. Hal ini terjadi karena adanya hambatan

yang ditimbulkan oleh penutupan stomata (stomatal limitation) maupun hambatan

akibat penurunan proses biokimia dalam tumbuhan (non-stomatal limitation)

(Kalefetoglu dan Ekmekci 2005).

Hambatan stomata

Pada kondisi cekaman kekeringan ringan (moderat) tanaman akan segera

mengurangi pembukaan stomata. Penurunan pembukaan stomata ini dilakukan

untuk meminimalisir kehilangan air yang berlebihan. Dengan terjadinya

penurunan pembukaan stomata, maka konsentrasi CO2 daun akan menurun

sehingga dengan sendirinya proses fotosintesis juga akan menurun (Flexas and

Medrano 2002).

Comstock (2002) menambahkan bahwa pengaturan konduktan stomata

berkaitan dengan signal hidrolik (hydraulic signaling) dan signal kimia

(chemichal signaling). Ketika tumbuhan mengalami kondisi cekaman kekeringan,

terjadi perubahan potensial air pada tanaman. Pada keadaan ini terjadi penurunan

gradien potensial air antara akar dan tanah, sehingga laju penyerapan air oleh akar

menurun. Penurunan laju penyerapan air ini dan ditambah dengan peningkatan

transpirasi akibat radiasi matahari membuat tanaman mengalami kekurangan air

(Levitt 1980). Gradien potensial air akan menimbulkan hydraulic signaling

terhadap konduktansi stomata sebagai respon tanaman terhadap cekaman

kekeringan sehingga stomata menutup (Comstock 2002).

Chemical signalling berkaitan dengan terjadinya peningkatan konsentrasi

asam absisat (ABA) pada akar tumbuhan. Ketika cekaman kekeringan terdapat

bukti bahwa terjadi peningkatan sintesis ABA pada akar tanaman sebagai respon

terhadap keadaan defisit air tanah. Peningkatan ABA ini terkait dengan status air

akar tanaman. Proses selanjutnya ABA akan ditranspor melalui xylem terus ke

daun. Selain di akar, tanaman juga mensintesis ABA di daun, sehingga terjadi

peningkatan ABA di daun (Srivastava 2002). Pada kondisi ini protein channel Kout

di sel penjaga daun akan diaktifkan oleh keberadaan ABA dan protein chanel Kin

8

akan dihambat oleh ABA, sehingga banyak ion K+ yang keluar dari sel penjaga.

Kondisi ini akan menurunkan potensial osmotik sel penjaga sehingga stomata

menutup (Roberts dan Snowman 2000). Proses pensignalan oleh ABA dari akar

ke daun ini dikenal dengan istilah long-distance chemichal signaling (Comstock

2002).

Kehilangan ion ataupun larutan pada sel penjaga dapat disebabkan oleh

penurunan kandungan air daun, dan ABA memegang peranan penting dalam

proses ini. ABA disintesis secara lambat terus menerus di sel mesofil dan

terakumulasi di kloroplas. Ketika mesofil terdehidrasi, maka ada dua hal yang

akan terjadi yaitu:

1. Beberapa ABA yang disimpan di kloroplas akan dilepas ke apoplas

(permukaan dinding sel) sel mesofil. Redistribusi ABA ini bergantung

kepada gradien pH pada daun, keasaman properti molekul ABA dan

permeabilitas membran sel. Redistribusi ABA memungkinkan aliran

transpirasi untuk membawa beberapa ABA ke sel penjaga.

2. ABA disintesis dengan kecepatan tinggi di akar mengakibatkan lebih

banyak ABA yang diakumulasi pada apoplas daun (Taiz and Zeiger

2002).

Menurut Lizana et al. (2006), ABA telah diketahui menjadi faktor yang

mengatur konduktansi stomata. Hasil penelitian pada dua varietas Phaseolus

vulgaris (Arroz and Orfeo) diperoleh bahwa peningkatan konsentrasi ABA seiring

dengan penurunan konduktan stomata dengan semakin lamanya kondisi

kekeringan.

Hambatan non-stomata

Hambatan non-stomata berkaitan dengan proses metabolik yaitu pada

proses transpor elektron fotosintesis. Jika kondisi kekeringan terus terjadi maka

tanaman akan mengalami penurunan proses metabolik, karena berkurangnya

difusi CO2 ke kloroplas (Chaves and Oliveira 2004) yang nantinya akan mengarah

kepada penurunan kandungan ribulosa 1,5-biphosphat (RuBP) pada proses

fotosintesis (Flexas and Medrano 2002). Vu et al. (1987) menambahkan bahwa

9

peningkatan stres kekeringan pada kedelai akan menurunkan total aktivitas

rubisko.

Cekaman kekeringan akan menginduksi terjadinya fotoinhibisi,

selanjutnya akan menurunkan kandungan protein D1 pada fotosistem II (PS II)

(Pastenes et al. 2004). PS II sebagai sistem penangkap cahaya (light harvesting

system) memiliki dua fungsi esensial yaitu: (1) menangkap cahaya pada proses

fotosintesis, (2) melepas energi tereksitasi apabila terjadi kelebihan energi.

Berdasarkan hal tersebut, maka PS II akan merespon signal eksternal dari

lingkungan. Hal ini berkaitan dengan peningkatan trans-membran tilakoid ΔpH.

Peningkatan trans-membran tilakoid ΔpH ini berfungsi sebagai kontrol balik

terhadap kelebihan transpor elektron fotosintesis. Proses ini dikenal dengan non-

photochemical quenching (NPQ) yang bergantung pada siklus xanthophyll dan

protein PsbS pada fotosistem (Horton and Ruban 2004), sebagai mekanisme

pertahanan tanaman terhadap fotoinhibisi (Taiz and Zeiger 2002).

Cekaman Oksidatif

Perubahan lingkungan yang tidak menguntungkan termasuk kekeringan

pada tanaman, dapat menyebabkan terbentuknya senyawa oksidatif. Jika kondisi

ini dibiarkan, tanaman akan mengalami stres oksidatif. Pembentukan senyawa

oksidatif pada tanaman diawali dengan reduksi oksigen pada membran sel

kloroplas membentuk superoksida (O2-). Jika hal itu terjadi akan terbentuk

reactive oxygen species (ROS) yang meliputi molekul-molekul seperti:

superoksida (O2-), singlet oxygen (.O2), radikal hidroksil (OH) dan hydrogen

peroksida (H2O2) (Blokhina et al. 2003). Radikal bebas merupakan molekul yang

sangat reaktif sekali, karena memiliki elektron yang tidak berpasangan dan

merupakan molekul yang dapat mengakibatkan kerusakan pada membran

(Mckersie and Leshem 1994). Contoh reaksi tersebut adalah:

2 O2 + 2 Fdred 2 O2- + 2 Fdox

Molekul O2- yang reaktif akan berusaha melepaskan elektron bebasnya dan

bereaksi dengan H+ membentuk H2O2 (1). Proses selanjutnya hidrogen peroksida

dan superoksida bereaksi membentuk molekul yang sangat reaktif yaitu radikal

hidroksil (2). Selain itu radikal hidroksil bisa dibentuk dengan keberadaan ion besi

10

melalui reaksi fenton (3). Keberadaan besi atau ion metal lainnya dapat

meningkatkan kerusakan oksidatif (Mckersie and Leshem 1994). Berikut ini

adalah skema pembentukan radikal bebas:

O2- + O2

- + H+ H2O2 + O2 (1)

O2- + H2O2 O2 + OH. + OH- (2)

Fe3+ + O2- Fe2+ + O2

Fe2+ + H2O2 OH. + OH + Fe3+ (3)

Secara keseluruhan, reaksi pembentukan ROS dapat dilihat sebagai berikut:

Gambar 1 Mekanisme pembentukan ROS (Apel and Hirt 2004)

Menurut Mckersie and Leshem (1994) ada beberapa peluang terjadinya

pembentukan ROS pada proses fotosintesis

1. Pada PS I dapat terjadi reduksi oksigen melalui reaksi mehler. Reduksi

oksigen ini terjadi pada transport elektron feredoksin, reduksi ini terjadi

ketika NADP+ terbatas yang salah satunya disebabkan oleh berkurangnya

penggunaan NADPH untuk fiksasi CO2 pada siklus kalvin.

2. Pada PS II terjadi oksidasi dengan mentransfer empat single elektron dari

H2O membentuk triplet atau ground state oksigen. Selain itu alkohol

tertentu juga bisa direduksi oleh PS II.

3. Fotoaktifasi dari kloroplas secara normal mentransfer energi ke pusat

reaksi PS, namun pada kondisi yang tidak menguntungkan klorofil akan

menangkap energi cahaya pada sistem transpor elektron, sehingga dapat

mengeksitasi oksigen dari bentuk triplet ke bentuk singlet.

4. Fotorespirasi merupakan lintasan yang paling mudah untuk menghasilkan

proses oksigenasi. Walaupun tidak terjadi pengaktifan oksigen di dalam

11

kloroplas, namun terjadi subsequent metabolisme glikolat di dalam

peroksisom (Gambar 2).

Gambar 2 Produksi ROS pada transpor elektron fotosintesis pada kondisi cahaya

tinggi (Apel and Hirt 2004)

Peningkatan ROS dapat menimbulkan kerusakan pada komponen-

membran sel. Komponen membran sel tersebut antara lain: lipid (peroksidasi dari

asam lemak tidak jenuh pada membran), protein (denaturasi), karbohidrat, dan

asam nukleat. Kerusakan membran ini dapat dilihat dari perubahan komposisi dan

kandungan lipid, pengaktifan lipid peroksidase dan meningkatnya kebocoran

membran (Blokhina et al. 2003).

Penyelamatan dari ROS

Selama proses fotosintesis ROS dibentuk dan dirombak kembali untuk.

Pembentukan ROS akan meningkat ketika kondisi lingkungan tidak

menguntungkan terus terjadi, namun tanaman mempunyai suatu mekanisme

penyelamatan terhadap kondisi tersebut. Mekanisme penyelamatan ini antara lain

melalui mekanisme antioksidan baik yang bersifat enzimatik maupun non-

enzimatik untuk menghindari kerusakan yang terjadi akibat stres oksidatif.

Mekanisme non-enzimatik antioksidasi meliputi senyawa-senyawa antioksidan

seperti: asam askorbat (ASA), glutation (GSH), termasuk juga tocopherol,

flavonoid, alkaloid dan karotenoid (Apel and Hirt 2004).

12

ASA atau vitamin C merupakan asam organik dengan kemampuan

antioksidan. ASA dapat larut dalam air dan sangat mudah dioksidasi yaitu sebagai

senyawa reduktan. ASA akan rusak ketika ditempatkan pada cahaya atau panas

yang akan berubah dalam bentuk teroksidasi yaitu asam dehidroaskorbat

(Wikipedia 2006).

Gambar 3 Metabolisme redok asam askorbat (Wikipedia 2006).

Askorbat memenuhi banyak fungsi penting pada biologi tanaman (Noctor

and Foyer 1998). Askorbat juga digunakan sebagai ko-faktor untuk violaxanthin

de-epoxidase pada siklus xanthophyll. Proses ini dilibatkan dalam perlindungan

pelepasan penyerapan cahaya dalam bentuk panas dan bisa diukur sebagai NPQ

dari klorofil fluorescence (Sonja et al. 2001).

ASA sebagai senyawa antioksidan dapat berinteraksi dengan membran

plasma dan mendonorkan elektronnya ke radikal -tocopheroxyl dan aktivitas

trans-membran plasma oksidoreduktase. Recycling -tocopheroxyl dapat

membantu melindungi membran plasma dari peroksidasi (May 1999).

Mekanisme penyelamatan secara enzimatik melibatkan enzim antioksidan

antara lain yaitu: superoksida dismutase (SOD); askorbat peroksidase (APX);

monodehidroaskorbat reduktase (MDHAR); dehidroaskorbat reduktase (DHAR);

glutation reduktase (GR); katalase (CAT) dan glutation peroksidase (GPX),

sebagai akibat dari peningkatan radikal bebas di kloroplas (Aroca 2000; Becana et

13

al. 2000; Borsani et al. 2001; Jiang and Huang 2001; Noctor and Foyer 1998;

Sonja et al. 2001).

Enzim antioksidan seperti SOD, dibutuhkan untuk merubah superoksida

menjadi bentuk radikal oksigen (O2) dan H2O2. Hidrogen peroksida ini

merupakan oksidan kuat yang dapat mengganggu proses fotosintesis di kloroplas.

Keberadaan enzim CAT dapat merubah H2O2 menjadi air dan oksigen Reduksi

H2O2 ini membutuhkan senyawa reduktan yaitu ASA. Enzim APX dengan 2

molekul ASA akan mereduksi H2O2 menjadi air dan membentuk MDHA. MDHA

memiliki elektron bebas sehingga harus segera direduksi menjadi ASA atau

dehidroaskorbat (DHA). DHA reduktase selanjutnya akan mereduksi DHA

menjadi ASA. Pada reaksi ini digunakan glutation (GSH) sebagai substrat dan

membentuk glutation disulpida (GSSG). GSSG dapat kembali membentuk GSH

oleh NADPH yang dikatalisis oleh GR (Noctor and Foyer 1998). Siklus askorbat-

glutathione dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4 Siklus askorbat-glutation (Noctor and Foyer 1998)

14

Penghambatan Fotosintesis oleh Herbisida

Selain kondisi kekeringan, laju transpor elektron fotosintesis juga dapat

dihambat oleh beberapa herbisida diantaranya adalah herbisida paraquat dan

diklorofenil dimetil urea (DCMU). Herbisida paraquat akan menghambat transpor

elektron fotosintesis pada PS I (P700), sedangkan DCMU akan menghambat

transpor elektron fotosintesis pada PS II (P680) (Taiz and Zeiger 2002). Secara

skematik mekanisme penghambatan oleh herbisida paraquat dan DCMU dapat

dilihat sebagai berikut:

Gambar 5 Skema penghambatan transpor elektron fotosintesis oleh herbisida

paraquat dan DCMU (Taiz and Zeiger 2002)

Paraquat

Herbisida paraquat termasuk kelompok herbisida Bipyridylium, yaitu

memiliki dua cincin pyridyl. Kelompok herbisida ini dapat merusak jaringan

tanaman dengan cepat, yang mengakibatkan tanaman kelihatan terbakar yang

mengarah kepada kerusakan membran sel. Herbisida ini termasuk senyawa

bermuatan positif, yang akan direduksi oleh fotosintesis untuk membentuk radikal

bebas yang relatif tidak stabil. Radikal bebas ini mudah dioksidasi dengan adanya

oksigen untuk membentuk kembali ion aslinya dan hidrogen peroksida, yang akan

merusak jaringan tanaman. Pada tingkat selular akan menyebabkan pecahnya

membran sel dan kloroplas (Chia et al. 1982). Paraquat diaplikasikan melalui

daun dan tidak bisa lewat akar, karena struktur kimia paraquat yang bermuatan

positif cenderung untuk berikatan dengan tanah yang bermuatan negatif (Mckersie

and Leshem 1994).

15

Herbisida paraquat merupakan herbisida yang memiliki ikatan elektrolit

yang kuat. Paraquat bekerja secara kontak non-selektif dengan cara merebut

elektron pada rantai transpor elektron fotosintesis PS I. Pada keadaan ini paraquat

menjadi tidak stabil sehingga berusaha untuk melepaskan elektron tersebut.

Reaksi ini menghasilkan radikal bipyridyl yang akan bereaksi dengan oksigen

membentuk superoksida, proses selanjutnya akan terbentuk hidrogen peroksida

dan radikal hidroksil. ROS ini akan menginduksi terjadinya peroksidasi lipid,

penurunan laju fotosintesis, dan kehilangan integritas membran (Chia et al. 1982).

Gambar 6 Struktur kimia paraquat, 1,1’-dimethyl- 4,4’-bipyridilium ion (diklorid)

Kerusakan membran ini terjadi karena reaksi antara radikal bebas yang

sangat reaktif berikatan dengan asam lemak pada membran. Asam lemak

merupakan bagian dari fosfolipid, komponen utama penyusun membran. Pada

bagian ekor fosfolipid ini terdapat ikatan ganda yang akan cenderung diikat oleh

molekul reaktif tersebut. Ikatan ini mengakibatkan asam lemak yang semula tidak

jenuh, menjadi jenuh. Hal ini akan merubah struktur membran dan menurunkan

permeabilitas membran, pada tahap selanjutnya dapat mengakibatkan kebocoran

pada membran (Chia et al. 1982).

Perlakuan dengan paraquat dapat menurunkan kandungan klorofil dan

protein daun sehingga terjadi peningkatan penghambatan fotosintesis tanaman.

Perlakuan paraquat tidak mempengaruhi aktivitas rubisko tapi dapat

meningkatkan laju fotorespirasi (Popova et al. 2003). Gejala kerusakan akibat

perlakuan paraquat dapat menimbulkan nekrosis pada daun dan juga

menimbulkan bintik-bintik pada jaringan daun.