TINJAUAN PUSTAKA

Klasifikasi dan Biologi Rayap

Rayap di daerah subtropik disebut dengan ’semut putih’ (white ants) karena

memiliki morfologi yang mirip dengan semut. Berdasarkan hubungan evolusi

(filogeni), tidak ada hubungan antara rayap dengan semut. Hubungan lebih dekat

terjadi antara rayap dengan kecoa (Blattodea) (Lo et al. 2000; Inward et al. 2007).

Rayap merupakan salah satu kelompok serangga dengan jumlah keragaman

yang besar. Rayap (Ordo Isoptera) terdiri atas tujuh famili, yaitu Mastotermitidae,

Kalotermitidae, Termopsidae, Hodotermitidae, Rhinotermitidae, Serritermitidae,

dan Termitidae. Sampai sekarang sudah tercatat 14 subfamili, 281 genus dan lebih

dari 2600 spesies termasuk dalam kelompok ini (Kambhampati & Eggleton 2000).

Famili Termitidae merupakan famili terbesar dalam Ordo Isoptera dan

mencakup tiga perempat spesies yang diketahui dan merupakan kelompok rayap

yang paling maju. Spesies rayap yang termasuk famili Termitidae dikelompokkan

ke dalam rayap tingkat tinggi, sedangkan enam famili yang lain dikelompokkan

ke dalam rayap tingkat rendah (Gambar 1). Pembagian kelompok ini didasarkan

atas morfologi dan DNA mitokondria (16S rRNA dan NADH 5 dehydrogenease).

Karakter yang digunakan sebanyak 197 karakter morfologi dan biologi dari

pekerja dan prajurit dengan menekankan pada struktur usus pekerja

(Kambhampati & Eggleton 2000). Gen pada mitokondria seperti 16S rRNA,

NADH 5 dehydrogenease, dan cytochrome oxidase II (COII) dapat digunakan

sebagai kronometer evolusi karena bukan merupakan hasil rekombinasi, berubah

sesuai dengan waktu tetapi tidak terlalu cepat, ada pada semua organisme, dan

memiliki fungsi yang sama (Sogin et al. 1986; Hoy 1994; Gupta 1998; Philippe et

al. 2000; Freeland 2005)

Rayap merupakan serangga sosial yang memiliki pembagian tugas yang

jelas yang dinyatakan dalam pembagian kasta. Berdasarkan kemampuan

bereproduksi rayap dibagi menjadi dua kasta yaitu kasta reproduktif dan kasta

steril (Krishna 1969; Lee & Wood 1971).

Kasta reproduktif terdiri atas reproduktif primer dan reproduktif sekunder.

Kasta reproduktif primer (pendiri koloni) biasa disebut laron terdiri atas jantan

(raja) and betina (ratu). Ciri khas kasta reproduktif primer adalah adanya sepasang

4

sayap pada bagian toraks. Sedangkan kasta reproduktif sekunder berfungsi

menggantikan kasta reproduktif apabila raja atau ratu mati atau untuk menambah

jumlah telur apabila telur yang dihasilkan oleh ratu tidak mencukupi kebutuhan

koloni (Krishna 1969).

Kasta steril terdiri atas pekerja dan prajurit. Ciri dari kasta ini adalah tidak

adanya sayap dan perkembangan organ seksual ditekan atau tidak berkembang.

Pekerja bertanggungjawab untuk mencari makan dan memelihara telur, larva dan

ratu. Larva, prajurit dan ratu tidak mampu untuk memberi makan dirinya sendiri

sehingga bergantung pada makanan yang diberikan pekerja. Jumlah pekerja

mencapai 90% dari seluruh anggota koloni. Rayap prajurit bertugas menjaga

koloni dari serangan musuh dan juga menjaga pekerja yang mencari makan di

sekitar sarang. Prajurit dibedakan dengan pekerja berdasarkan modifikasi bagian

mulut dan kepala yang mengalami kitinasi yang kuat, biasanya terpigmentasi dan

seringkali lebih besar daripada ukuran kepala kasta yang lain (Krishna 1969).

Secara umum makanan rayap adalah semua bahan yang mengandung

selulosa. Bignell dan Eggleton (2000), membagi rayap menjadi beberapa

kelompok berdasarkan jenis makanannya. Pertama, rayap pemakan tanah (soil-

Gambar 1 Filogeni rayap berdasarkan morfologi dan DNA mitokondria (16S

rRNA dan NADH 5 dehydrogenease) (Kambhampati & Eggleton

2000).

Termitinae

Apicotermitinae

Termitinae

Nasutitermitinae

Ter

mitid

ae

Macrotermitinae

Rhinotermitidae

Serritermitidae

Kalotermitidae

Termopsidae

Hodotermitidae

Mastotermitidae Ra

ya

p tin

gk

at ren

da

h

Ra

ya

p tin

gk

at tin

gg

i

5

feeder) yang mendapatkan makanan dari mineral tanah. Material yang dicerna

sangat heterogen, mengandung banyak bahan organik tanah dan silika. Rayap

jenis ini ditemukan pada Apicotermitinae, Termitinae, Nasutitermitinae, dan

Indotermitinae. Kedua, rayap pemakan kayu (wood-feeder) yang mendapatkan

makanan dengan memakan kayu dan sampah berkayu, termasuk cabang mati yang

masih menempel di pohon. Hampir semua rayap tingkat rendah adalah pemakan

kayu, semua subfamili dari Termitinae kecuali Apicotermitinae. Ketiga, rayap

pemakan serasah (litter-feeder). Rayap jenis ini mendapatkan makanan dari daun

atau kayu-kayu kecil. Rayap ini terdapat pada Macrotermitinae, Apicotermitinae,

Termitinae, dan Nasutitermitinae.

Beberapa jenis rayap yang ada di Indonesia antara lain Neotermes

tectonae, Cryptotermes cyanocephalus, C. curvignathus, Schedorhinotermes

javanicus, Procapritermes setiger, Pericapritermes semarangi, Macrotermes

gilvus, Microtermes insperatus, Microtermes jacobseni, Nasutitermes javanicus,

dan Nasutitermes matangensis (Lee & Wood 1971; Harris 1971; Teguh 2009).

Taksonomi dan Biologi C. curvignathus

Coptotermes curvignathus merupakan salah satu rayap subteran. Secara

taksonomi C. curvignathus termasuk dalam Klas Insekta, Ordo Isoptera, Famili

Rhinotermitidae, Subfamili Coptotermitinae, Genus Coptotermes (Ahmad 1958;

Krishna 1969). Berdasarkan analisis gen cytochrome oxidase II (COII) genus

Coptotermes terletak diantara genus Reticulitermes dan Nasutitermes (Gambar 2)

(Austin et al. 2004).

Rayap C. curvignathus berwarna pucat (Gambar 3a). Prajurit memiliki

kepala berbentuk oval, melebar, dan datar dengan fontanel menonjol yang dapat

mengeluarkan cairan berwarna putih seperti susu apabila diserang. Eksudat ini

berguna untuk melumpuhkan musuhnya. Mandibula berwarna merah kecoklatan

dan melengkung di bagian ujungnya. Ukuran prajurit relatif besar (±4.5 mm);

lebar kepala 1.34-1.52 mm; antena 14-15 ruas, ruas kedua dua kali panjangnya

atau sedikit lebih panjang daripada ruas ketiga (Gambar 3b) (Ahmad 1958).

Perbedaan rayap prajurit C. curvignathus dengan beberapa rayap prajurit

spesies Coptotermes yang lain adalah pada Coptotermes gestroi lebar pronotum

0.65 mm, kepala kuning dengan rambut yang jarang, antenna 15 ruas, ruas ketiga

6

Gambar 2 Filogeni genus Reticulitermes, Coptotermes, dan Nasutitermes

berdasarkan gen cytochrome oxidase II (COII) (Austin et al. 2004).

Na

sutiterm

es C

op

toterm

es

Reticu

litermes

Rh

ino

termitid

ae

Term

itida

e

sedikit lebih pendek dari ruas keempat. Sedangkan pada Coptotermes formosanus

kepala menyempit sebanding dengan panjang, perbedaan antara panjang dan lebar

kepala 0.26-0.38, tebal kepala 0.86, antenna 13-15 ruas, ruas kedua sedikit lebih

panjang dari ruas ketiga. Ciri Coptotermes havilandi adalah pronotum menyempit

dan tepi anterior sedikit cembung, labrum lebih panjang dari lebarnya dan lancip,

kepala oval memanjang, dan antena 15-18 ruas, ruas kedua satu setengah kali

lebih panjang daripada ruas ketiga (Ahmad 1958).

7

Coptotermes curvignathus terdapat di Asia Tenggara seperti Malaysia,

Singapura, Indonesia (Jawa, Sumatra, Kalimantan), Thailand, Vietnam, Kamboja,

Filipina, dan Cina bagian selatan. Rayap ini termasuk hama yang serius

menyerang pohon karet hidup di Asia Tenggara dan menyerang kulit kayu dan

bagian lain termasuk bagian dalam kayu, bahkan sering membunuh tanaman.

Untuk mencapai makanannya rayap ini membuat saluran bawah tanah dan jika

diperlukan mampu membentuk saluran-saluran yang ditutupi tanah yang dibuat di

atas tanah (Roonwal 1970).

Simbiosis Pada Saluran Pencernaan Rayap dan Metabolisme Selulosa

Saluran pencernaan rayap terdiri atas usus depan, usus tengah, dan usus

belakang (Gambar 4). Saluran pencernaan ini menempati sebagian besar dari

abdomen. Usus depan terdiri atas esofagus dan tembolok yang dilengkapi dengan

kelenjar saliva. Esofagus dan tembolok memanjang pada bagian posterior atau

bagian tengah dari thorak. Kelenjar saliva mensekresikan endoglukanase dan

enzim lain ke dalam saluran pencernaan. Usus tengah merupakan bagian yang

berbentuk tubular yang mensekresikan suatu membrane peritrofik di sekeliling

material makanan. Usus tengah pada rayap tingkat juga diketahui mensekresikan

endoglukanase. Usus belakang merupakan tempat bagi sebagian besar simbion

(Noirot & Noirot-Timothée 1969; Scharf & Tartar 2008).

Gambar 3 Rayap C. curvignathus (a) pekerja dan (b) prajurit.

(a)

1 mm

1 mm

(b)

8

Gambar 4 Morfologi saluran pencernaan rayap (Scharf & Tartar 2008).

KS=kelenjar saliva, E=esofagus, T=tembolok, UT=usus tengah,

UB=usus belakang.

Rayap bersimbiosis dengan bakteri dan protozoa pada saluran

pencernaannnya. Pada rayap tingkat rendah lebih banyak bersimbiosis dengan

protozoa dibandingkan dengan bakteri, sebaliknya pada rayap tingkat tinggi lebih

banyak bersimbiosis dengan bakteri dibandingkan dengan protozoa (Krishna

1969; Bignell 2000; Breznak 2000).

Protozoa yang bersimbiosis dengan rayap tingkat rendah berbeda pada tiap

spesies. Zootermopsis angusticollis bersimbiosis dengan Tricercomitis,

Hexamastix, dan Trichomitopsis. Mastotermes darwiniensis bersimbiosis dengan

Mixotricha paradoxa (Breznak 2000). Coptotermes formosanus bersimbiosis

dengan Pseudotrichonympha grassii, Spirotrichonympha leidy, Holomastigoides

mirabile (Inoue et al. 2005; Nakashima et al. 2002b), dan Holomastigoides

hartmanni (Tanaka et al. 2006). Coptotermes lacteus bersimbiosis dengan

Holomastigoides mirabile (Watanabe et al. 2002). Reticulitermes speratus

bersimbiosis dengan Teranympha mirabilis, Triconympha agilis (Ohtoko et al.

2000), Dinenympha exilis dan Pyrsonympha grandis (Todaka et al. 2007).

Rayap dapat bertahan hidup dengan memanfaatkan lignoselulosa yang

mengandung sedikit nutrisi (Ohkuma 2003). Rayap dapat mencerna lignoselulosa

dengan menggunakan enzim selulase yang dihasilkan oleh rayap itu sendiri dan

simbion (Watanabe et al. 1998; Ohkuma 2003; Scharf & Tartar 2008).

Lignoselulosa adalah suatu campuran dari tiga polimer yang dihasilkan

tanaman yaitu selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Selulosa adalah polimer glukosa

yang terikat oleh ikatan β-1,4 dan terikat bersama dengan hemiselulosa (Scharf &

Tartar 2008).

UB

UT KS

T

E

9

Selulase merupakan enzim ekstraseluler yang terdiri atas kompleks endo-ß-

1,4-glukanase (endoglukanase), kompleks ekso-ß-1,4-glukanase (eksoglukanase)

yang terdiri dari cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) atau cellodextranase (EC

3.2.1.74), dan ß-glukosidase (EC 3.2.1.21). Endoglukanase aktif dalam

menghancurkan kristal atau selulosa murni. Eksoglukanase menghidrolisis

selulosa non-kristal atau turunan selulosa terlarut. ß-1,4-glukosidase

menghidrolisis selobiosa menjadi glukosa (Wood & Garcia-Campayo 1990).

Endoglukanase rayap termasuk ke dalam GHF 9. Anggota GHF 9 rayap

terdiri dari endoglukanase dari rayap tingkat tinggi (Tokuda et al. 1999, 2004;

Watanabe & Tokuda 2001) dan rendah (Nakashima et al. 2002b). Anggota GHF 9

famili selulase yang secara taksonomi tersebar luas, termasuk pada tanaman,

bakteri, slime mold, dan rayap. Selulase simbion diklasifikasikan menjadi

beberapa famili GHF yaitu 3, 5, 7, 8, 10, 11, 26, 43, 45, 62. Selulase simbion dari

C. formosanus termasuk anggota GHF 5 (Inoue et al. 2005) dan GHF 7

(Nakashima et al. 2002a). Selulase simbion dari C. lacteus (Watanabe et al. 2002)

dan R. flavipes (Zhou et al. 2007) termasuk anggota GHF 7. Selulase simbion dari

R. speratus termasuk anggota GHF 3, 5, 7, 8, 10, 11, 26, 43, 45, dan 62 (Ohtoko

et al. 2000; Todaka et al. 2007). Selulase simbion dari M. darwiniensis termasuk

anggota GHF 45 (Li et al. 2003) dan selulase bakteri simbion Nasutitermes

termasuk anggota GHF 11 (Brennan et al. 2004).

Rayap tingkat rendah secara utama memakan kayu yang kaya selulosa

kristalin dan amorf, hemiselulosa dan lignin. Tingkat hidrolisis hemiselulosa dan

lignin yang tinggi dapat membatasi aktivitas selulolitik melalui penghambatan

produk akhir. Hal ini yang menyebabkan rayap mengekspresikan berbagai macam

gen selulase. Pada R. speratus dan R. flavipes dihasilkan selulase yang termasuk

GHF 7, 9, dan 45 (Ohtoko et al. 2000; Zhou et al. 2007).

Struktur Ekson-Intron dan Ekspresi Gen Endoglukanase Rayap

Struktur ekson-intron gen endoglukanase rayap belum banyak diketahui.

Sebagian besar data yang ada merupakan data sebagian (partial) cDNA dan

cDNA lengkap. Data genomik DNA lengkap pada N. takasagoensis (Tokuda et al.

1999) dan data partial genomik gen endoglukanase terdapat pada R. speratus

(Itakura et al. 2006). Genom DNA NtEG memiliki panjang 13005 pb terdiri atas

10

sepuluh ekson dengan sembilan intron. Semua intron NtEG diawali dengan GT

dan diakhiri dengan AG. Pada partial genomik RsEG diketahui ukuran dari tiga

intron. Dua intron pada RsEG memiliki posisi yang identik dengan NtEG yaitu

intron tujuh dan delapan (Tokuda et al. 1999). Itakura et al. (2006)

mengkarakterisasi intron sembilan RsEG sebesar 529 pb. Situs pemotongan intron

10 berbeda dengan situs pemotongan eukariot pada umumnya (GT/AG), yaitu

diawali dengan AG dan diakhiri dengan GC.

Data cDNA lengkap terdiri atas R. flavipes (Scharf et al. 2005), R. speratus

(Tokuda et al. 1999), C. formosanus (Nakashima et al. 2002b), C. acinaciformis,

N. walkeri (Tokuda et al. 1999). Data partial cDNA terdiri atas M. darwiniensis

(Tokuda et al. 1999; Li et al. 2003), H. sjoestedti (Tokuda et al. 2004), H.

japonica (Lo et al. 2000), Glyptotermes sp. (Tokuda et al. 1999), N. koshunensis

(Lo et al. 2000; Tokuda et al. 2004), R. speratus (Watanabe et al. 1998; Itakura et

al. 2006), S. mushae, dan O. formosanus (Tokuda et al. 2004).

Endoglukanase rayap diekspresikan pada saluran pencernaan rayap.

Terdapat perbedaan ekspresi endoglukanase pada rayap tingkat rendah dan rayap

tingkat tinggi. Ekspresi NtEG dan NwEG yang termasuk ke dalam rayap tingkat

tinggi terjadi di usus tengah (Tokuda et al. 1999). Sedangkan pada rayap tingkat

rendah terjadi perbedaan ekspresi dari tiap spesies. Ekspresi RsEG terjadi di

kelenjar saliva/usus depan (Tokuda et al. 1999), CfEG diekspresikan di kelenjar

saliva, usus depan, dan usus tengah, dan RfEG terdapat pada bagian kelenjar

saliva, usus depan, usus tengah, dan usus belakang (Zhou et al. 2007). RfEG

diekspresikan paling tinggi pada pekerja kemudian nimfa. Ekspresi EGase

menurun pada laron tetapi meningkat 50% pada kasta reproduktif sekunder

(Scharf et al. 2005).

Secara filogeni, taksa rayap yang berada pada bagian basal secara konsisten

mengekspresikan selulase secara spesifik pada kelenjar saliva (Mastotermitidae,

Termopsidae, Kalotermitidae, Rhinotermitidae). Sedangkan taksa yang lebih maju

mengekspresikan selulase terutama pada bagian usus tengah (Termitidae)

(Gambar 5). Hal ini menunjukkan adanya pergeseran tempat ekspresi selulase dari

kelenjar saliva ke usus tengah selama proses evolusi (Tokuda et al. 2004).

11

Aktivitas selulase rayap tingkat rendah dan rayap tingkat tinggi berbeda.

Pada rayap tingkat rendah M. darwiniensis (Mastotermitidae), H. sjoestedti

(Termopsidae), N. koshunensis (Kalotermitidae), R. speratus (Rhinotermitidae),

dan C. formosanus (Rhinotermitidae), aktivitas endoglukanase tertinggi

ditemukan di kelenjar saliva (45-86%). Secara keseluruhan pada rayap tingkat

rendah aktivitas endoglukanase tertinggi pada Kalotermitidae dan

Rhinotermitidae. Sedangkan Termitidae yang termasuk rayap tingkat tinggi yaitu

O. formosanus (Macrotermitinae), N. takasagoensis (Nasutitermitinae), dan S.

mushae (Termitinae) aktivitas endoglukanase tertinggi ditemukan di usus tengah

(96-99%) (Tokuda et al. 2004).

Termitinae

Nasutitermitinae

Macrotermitinae

Rhinotermitidae

Kalotermitidae

Termopsidae

Mastotermitidae

Cryptocercidae

Blattidae

Pergeseran ekspresi selulase dari kelenjar saliva ke usus tengah

Termitidae (kehilangan flagelata pada usus belakang)

Dibutuhkan habitat pada tempat jamur tumbuh

Ekspresi nenek moyang

pada kelenjar saliva

Rayap

Gambar 5 Filogeni rayap berdasarkan gen endoglukanase dan pergeseran

tempat ekspresi (Tokuda et al. 2004).

Ter

mit

ida

e K

ecoa