memfotoreduksikan ferredoxin dengan elektron yang berasal dari fotosistem II (PSII) melalui pembawa elektron, plastosianin (PC). Secara singkat PSI merupakan oksidoreduktase plastosianin:ferredoxin yang dikendalikan cahaya (Hiyama 1997). PSI berfungsi pada separo kedua dari rantai transfer elektron dan menggunakan cahaya matahari untuk mentransfer elektron dari plastosianin ke NADP+ (Webber et al. 1997). Pada tanaman, PSI terdiri atas dua moietie: pusat reaksi dan kompleks pemanenan cahaya I (LHCI). Pusat reaksi terdiri atas 11 subunit, dengan nomenklatur (PsaA to PsaF and PsaI to PsaM) yang berasal dari gen psaA to psaF and psaI to psaM. Sebagian besar dari subunit tersebut merupakan membrane-integral.
Subunit besar PsaA dan PsaB heterodimer merupakan inti (core) dari PSI, mengatur hampir seluruh kofaktor sistem tranfer elektron dan sistem antena. PsaA-PsaB heterodimer mengikat pasangan klorofil spesifik P700 (dua molekul filloquinon, satu kluster Fe-S, dan sejumlah molekul klorofil a pemanen cahaya). Pada subunit tersebut terjadi pemisahan muatan yang dikendalikan oleh cahaya, dan juga meliputi akspetor elektron yang penting A0 (klorofil a), A1 (filloquinon) dan FX (suatu kluster Fe4-S4). Selain itu, heterodimer mengkoordinasikan sekitar 80 klorofil yang berfungsi sebagai antena pemanen cahaya intrinsik (Nelson dan Ben-Shem 2002; Jordan et al. 2001).
Komponen terminal dari rantai transfer elektron pada PSI yaitu dua kluster Fe4-S4 (FA dan FB) yang terikat pada PsaC. Sisanya adalah subunit yang berperan serta di dalam penempatan (docking) ferredoxin yaitu (PsaC, PsaE dan PsaD) dan plastosianin (yaitu PsaF), asosiasi dengan LHCI (PsaK, PsaG, PsaJ dan PsaF), docking LHCII (PsaI, PsaH dan PsaL), dan menjaga integritas dan kestabilan kompleks, dan mungkin beberapa fungsi lainnya (Scheller et al. 2001).
Kompleks pemanen cahaya (LHCI) pada PSI merupakan antena membran pemanen cahaya periferal ekstrinsik, dan antena ini dibentuk dari susunan modular dari empat macam protein yang mengandung klorofil pemanen cahaya (Lhca1–Lhca4). Keempat protein tersebut bergabung menjadi dua dimer yang docking pada sisi PsaF dari pusat reaksi (Ben-Shem et al. 2003). Pada PSI terdapat juga donor elektron (plastosianin) dan penerima elektron (ferredoxin) yang memberikan struktur yang lebih lengkap tentang mekanisme transfer elektron pada fotosistem I. Plastosianin menerima elektron dari sitokrom b6f, kemudian secara langsung memberikan elektron ke P700. Ferredoxin merupakan protein Fe-S, menerima elektron dari PSI, dan membentuk kompleks dengan enzim flavoprotein (ferredoxin : NADP oxidoreductase, FNR) yang mereduksi NADP menjadi NADPH. Pada kondisi tertentu ferredoxin terreduksi dan memberikan elektron secara langsung kepada kompleks cytochrome b6f dan memfasilitasi pembentukan ATP melalui fosforilasi siklik (Nelson dan Ben-Shem 2004).
Pada S. elongatus, PSI memiliki 3 subunit stroma kecil: PsaC, PsaD, dan PsaE dengan BM masing-masing 8.7, 15.2, and 8.3 kDa (Tabel 1). Ketiga subunit
tersebut merupakan subunit ekstrinsik, non-membrane-integral, menutupi permukaan stroma, melebar melebih daerah membran integral (Gambar 8). PsaD dan PsaE dikode gen fotosintetik inti, sedangkan PsaC dikode gen kloroplas (Klukas et al. 1999; Kraub dan Saenger 2001).
Tabel 1 Diskripsi subunit protein pada fotosistem 1 (PSI) (Hiyama 1997; Webber et al. 1997; Kraub dan Saenger 2001)
Nama Subunit protein Berat Molekul (kDa) Nama Gen
Lokasi Asal gen Keterangan
PsaA 83 psaA Intrinsik Kloroplas Mengikat rantai transfer elektron intrinsik membran dan mayoritas kofaktor antena core bersama-sama dengan PsaB
PsaB 83 psaB Intrinsik Kloroplas Mengikat rantai transfer elektron intrinsik membran dan mayoritas kofaktor antena core bersama-sama dengan PsaA
PsaC 9 psaC Stromal Ekstrinsik
Kloroplas Terletak pada permukaan stroma, mengikat kluster Fe-S, FA dan FB PsaD 15 psaD Stromal
Ekstrinsik
Inti Terletak pada permukaan stroma, diperlukan untuk stabilitas PSI, docking ferredoxin / flavodoxin. PsaE 8 psaE Stromal
Ekstrinsik
Inti Terletak pada permukaan stroma, terlibat pada docking ferredoxin / flavodoxin dan aliran elektron siklik.
PsaF 15 psaF Intrinsik Inti Terlibat dalam docking plastocyanin / cytochrome c6
PsaI 4 psaI Intrinsik Kloroplas Menstabilkan PsaL pada kompleks PS I
PsaJ 5 psaJ Intrinsik Kloroplas Menstabilkan PsaF pada kompleks PS I
PsaK 8 psaK Intrinsik Inti Terkait erat dengan PsaA pada pusat reaksi PSI PsaL 16 psaL Intrinsik Inti Bertanggung jawab untuk
trimerisasi PSI
PsaD mengandung satu -helix pendek, Da, yang berdekatan dengan PsaC yang dikeliling oleh -sheet, yang terdiri atas paling kurang tiga -strands (gugus) yang relatif panjang. Satu gugus PsaD menutup dan membungkus PsaC, yang lain terletak di permukaan stroma, tidak berhubungan dengan subunit yang lain, berfungsi menjaga stabilitas peran PsaD terhadp PsaC. Pada tanaman, PsaD mempunyai gugus N yang terlibat dalam pengikatan subunit stroma lain, dan ini menunjukkan pentingnya PsaD dalam menjaga kestabilan stroma pada tanaman (Klukas et al. 1999). Kruip et al. (1997) juga melaporkan, PsaD diperlukan untuk menstabilkan PsaC, dan subunit yang mengarah ke sitoplasma dari PSI. PsaD merupakan ‘master’ subunit yang menstabilkan keseluruhan gabungan PsaC/D/E pada fotosistem I. Dengan demikian, subunit PsaD berperan penting dalam kelangsungan transfer elektron yang berlangsung pada PSI (Klukas et al. 1999).
A B
Gambar 8 Struktur keseluruhan PSI. A. Simulasi permukaan gundukan stroma PSI. PsaC diberi warna kuning, PsaD warna merah, PsaE warna biru, dan subunit membran-integral warna putih. PsaC terletak di pusat monomer, diapit oleh PsaD dan PsaE. PsaD terletak lebih dekat dengan trimer, sedangkan PsaE terletak dekat dengan periferal. B. gambaran samping, sejajar dengan membran, terhadap susunan PSI, termasuk subunit ekstrinsik PsaE, PsaC dan PsaD stroma (Kruip et al. 1997; Klukas et al. 1999; Kraub dan Saenger 2001)
Gen-gen Fotosintesis yang Terkait Adaptasi Tanaman terhadap Intensitas Cahaya Rendah
Fotosintesis terjadi pada kloroplas yang di dalamnya terdapat sistem membran tilakoid yang terorganisir dengan baik dan melibatkan semua komponen aparatus fotosintetik yang dikode gen inti dan gen kloroplas untuk penangkapan cahaya dan pembentukan struktur pemanenan fotosintetik yang optimal (Allen dan Forsberg 2001; Pfannschmidt 2003). Gen kloroplas terdapat pada genom kecil yang disebut plastome, yang mengandung 100-120 kelompok gen yang relatif stabil (Race 1999). Kloroplas juga mengandung komponen yang lengkap untuk mengekspresikan informasi genetik (Stern 1997), meskipun sebagian besar protein kloroplas dikode di inti (Abdallah 2000) dan harus diimpor secara post- translasional ke kloroplas melalui komponen import yang terletak di amplop kloroplas (Jarvis dan Soll 2001).
Stern (1997) melaporkan bahwa protein yang terletak pada dan/atau dekat dengan pusat reaksi fotosintesis dikode di plastome, sementara protein periferal dikode di inti. Gen-gen inti mengatur jumlah ion dan asam amino tertentu pada sitoplasma, yang dapat mempengaruhi kemampuan plastida untuk tumbuh dan berkembang. Pada tahapan berikut, perkembangan dan diferensiasi plastida memerlukan enzim, enzim subunit, yang dikendalikan gen inti. Gen-gen inti ini mempengaruhi taraf transkrip gen kloroplas, transkripsi dan translasi gen kloroplas, dan stabilitas protein produk gen plastida. Semua gen inti tersebut dapat membantu memadukan aktivitas genom inti dan genom kloroplas (Hatchel 1997).
Gen-gen Fotosintetik Inti
Gen-gen inti yang mengkode protein komponen PSI antara lain psaD, psaE, psaF, psaK, psaL, psaN, psaO, psaX, psaY, dan petF yang mengkode ferredoxin (Fd), petE mengkode plastosianin (PC), petH mengkode ferredoxin:NADP oksidoreduktase (FNR) (Hiyama 1997). Gen-gen lain yang terkait cahaya yang terlibat dalam fotosintesis antara lain rbcS yang mengkode mRNA dan protein sub unit kecil ribosom, lhcb, chlorophyll a/b binding protein (CAB), chalcone synthase (CHS) (Peters et al. 1998), chlorophyll a oxygenase (CAO), gen yang mengkode enzim biosintesis klorofil seperti CHLD, DVR (Masuda et al. 2002),
dan gen-gen yang terkait dengan kualitas cahaya seperti gen fitokrom (phy), DET- 2 (de-etiolated-2) (Ziemienowicz dan Gabrys 2003), por, Apx (Pfannschmidt 2003). Menurut Steindler et al. (1999), gen ATHB-2 mengkode protein homeodomain-leucine zipper yang diinduksi dengan cepat dan kuat oleh adanya perubahan rasio cahaya merah (R) : merah jauh (FR) yang terjadi selama siang hari di bawah naungan kanopi dan menginduksi respon shade avoidance tanaman.
Gen-gen Fotosintesis Kloroplas
Gen fotosintesis kloroplas merupakan kelompok gen kloroplas yang terlibat dalam fotosintesis. Gen kloroplas (plastida) berbentuk sirkuler, disebut plastome, dengan ukuran 120-217 kb. Genom kloroplas terdiri atas 2 kelompok, daerah large single copy (LSC) dan small single copy (SSC) dengan 2 inverted repeats (IR) yang dapat menyandi sekitar 140 protein selain 30 protein dalam proses fotosintesis (Hachtel 1997; Joshi 1997; Tyagi et al. 2000).
Gen kloroplas terutama menyandi komponen protein dari empat kelompok kompleks protein yang terdapat pada membran tilakoid yaitu: 6 gen untuk protein PSI (psaA-C,I,J,M; produk P700 Chla apoprotein A1, P700 apoprotein Chla A2, protein 9kDa), 12 gen untuk protein PSII (psbA-F,H-N; produk pusat reaksi protein D1, D2, apoprotein Chla 47kDa CP47, apoprotein Chla 43kDa CP43, cyt b559 8kDa, cyt b559 4kDa), 6 gen untuk cyt b6/f (petA-B,D,G; produk cytochrome f, cytochrome b6), dan 6 gen untuk ATPase (atpA-B, atpE-I; produk subunit CF1 alpha, CF1 beta), dan gen yang mengkode subunit besar Rubisco (rbcL) (Hachtel 1997; Joshi 1997; Tyagi et al. 2000).
Prinsip Kontrol Redoks pada Ekspresi Gen Fotosintetik
Proses transduksi tanaman terhadap adanya cekaman faktor luar mencakup tiga proses pokok, yaitu: stress perception, transduction of stress signal, dan
final response. Terhadap stres lingkungan, tanaman dapat merasakan, mengenali signal stres, dan menggunakan signal tersebut sebagai isyarat (cue) untuk membentuk perubahan-perubahan spesifik pada berbagai tingkatan sebagai bentuk adaptasinya, seperti perubahan struktur morfologi, fisiologi (physiological
behavior), modifikasi lintasan biokimia, dan ekspresi gen-gen spesifik (stress- specific gene expression) (Biswal dan Biswal 1999).
Mekanisme tanaman untuk dapat mengenali dan merasakan suatu signal stres kemudian merubah signal tersebut menjadi respon biokimia (biochemical response) masih belum begitu jelas. Akan tetapi, penerimaan (perception) tanaman terhadap signal stres dan interaksi awal dengan sel dapat diketahui dengan adanya berbagai perubahan fisik seperti perubahan volume sel, struktur biomembran, keseimbangan ion, total kandungan dan komposisi solut, atau perubahan terhadap interaksi protein-ligan (Biswal dan Biswal 1999).
Membran sel yang terdiri atas protein dan lipid bilayer merupakan tempat terjadinya proses persepsi signal stres. Seperti membran plasma, membran kloroplas tidak hanya tersusun oleh lipid dan protein tetapi juga ion-ion dan berbagai macam reseptor yang dapat mengenali signal intrinsik maupun signal dari lingkungan. Perubahan struktur lipid dan/atau kompleks lipoprotein akibat stres (stress-induced changes) tersebut selanjutnya dikirim (transmitted) ke berbagai jenis respon seluler melalui perubahan biokimia yang sesuai untuk mengembangkan mekanisme adaptasi guna mengimbangi pengaruh cekaman tersebut. Signal stres dapat menyebabkan terjadinya perubahan di dalam fluiditas membran dan memicu serangkaian perubahan-perubahan, termasuk ekspresi gen- gen yang berperan terhadap adaptasi stres (Murata dan Loss 1997).
Stres cahaya rendah misalnya, sebagaimana yang dilaporkan pada padi gogo, menyebabkan proses metabolisme terganggu, yang berimplikasi pada menurunnya laju fotosintesis dan sintetis karbohidrat (Chaturvedi dan Ingram 1989; Vijayalaksmi et al. 1991; Murty et al. 1992; Jiao et al. 1993; Watanabe et al. 1993; Yeo et al. 1994). Pengaruh tercepat dari cekaman intensitas cahaya rendah adalah penurunan kandungan karbohidrat, terutama fruktosa dan sukrosa (Kephart et al. 1992; Chaturvedi et al. 1994) yang diikuti dengan berbagai perubahan dari proses metabolisme pada tanaman.
Terhadap ekspresi gen, cahaya merupakan salah satu faktor lingkungan yang paling penting pada organisme fotosintetik. Fotosintesis memberikan signal yang penting terhadap ekspresi gen dengan kontrol cahaya melalui perubahan pada status reduksi/oksidasi (redoks) dari molekul signaling. Perubahan pada status
redoks seperti itu diinduksi oleh perubahan kualitas dan kuantitas cahaya yang diterima. Mekanisme signal redoks memungkinkan fotosintesis mengadakan perubahan pada struktur aparatus fotosintesis melalui kontrol umpan balik ekspresi gen fotosintesis, dan mekanisme signal ini disebut ’kontrol redoks’ (Pfannschmidt et al. 2001; Surpin et al. 2002; Pfannschmidt 2003).
Reaksi redoks merupakan reaksi kimia yang meliputi transfer elektron atau atom hidrogen antar molekul. Reduksi merupakan perolehan satu atau lebih elektron atau atom hidrogen oleh akseptor elektron. Oksidasi merupakan kehilangan satu atau lebih elektron atau atom hidrogen pada suatu donor elektron. Status redoks artinya status oksidasi atau reduksi dari suatu molekul tertentu. Kontrol redoks dari setiap fenomena biologi dapat diuraikan sebagai ketergantungan suatu respon molekuler terhadap status redoks dari satu atau lebih molekul penyusunnya. Banyak proses metabolisme di dalam sel melakukan reaksi redoks sehingga terjadi berbagai respon biologi dan ini dilaporkan sebagai kontrol redoks (Pfannschmidt et al. 2001; Surpin et al. 2002).
Secara sederhana, untuk mengklasifikasi perbedaan tipe kontrol redoks adalah dengan menentukan posisi parameter controlling pertama di dalam rantai transduksi signal antara stimulus lingkungan dengan respon molekuler. Pada sel hidup, rantai transduksi signal ini meliputi persepsi rangsangan lingkungan baik melalui satu atau beberapa reseptor, proses transduksi signal melalui rantai molekul transduksi yang sesuai, yang pada akhirnya respon molekuer yang menyebabkan sel-sel mampu melakukan aklimatisasi terhadap perubahan lingkungan (Gambar 9). Berdasarkan posisi parameter kontrol di dalam rantai transduksi signal, kontrol redoks dibedakan menjadi kontrol redoks persepsional dan kontrol redoks transduksional. Kontrol redoks persepsional, terjadi apabila faktor lingkungan (misal, cahaya) itu sendiri menginduksi signal redoks di dalam sistem sensor persepsi. Kontrol redoks transduksional, terjadi apabila persepsi dari faktor lingkungan (misal cahaya) menghasilkan perubahan status redoks dari molekul-molekul terkait yang ada di sistem sensor (phytochrome family, dan blue light photoreceptor, PSII, PSI). Pada organisme fotoautotropik, aparatus fotosintetik dapat berfungsi sebagai sistem sensor dan berfungsi sebagai fotoreseptor (Pfannschmidt et al. 2001; Pfannschmidt 2003).
Gambar 9 Model kontrol redoks (redox control) terhadap ekspresi gen fotosintesis pada tanaman tingkat tinggi. (A) Skema tahapan proses signaling di dalam sel tanaman. (B) Skema tahapan kontrol redoks terhadap ekspresi gen fotosintesis. Kotak dengan huruf P menunjukkan sistem sensor dari perceptional redox control; kotak dengan huruf T menggambarkan komponen transductional redox control. Garis panah tebal menunjukkan lintasan signaling yang dikontrol redoks. Rantai tranport elektron dari kloroplas digambarkan secara sistematik sesuai dengan skema Hill– Bendall Z dan aliran elektron ditampilkan dengan panah yang menghubungkan antar komponen (Pfannschmidt et al. 2001; Surpin et al. 2002).
Regulasi redoks oleh faktor lingkungan ‘cahaya’ sangat umum di antara organisme fotosintetik pada tanaman tingkat tinggi. Hasil penelitian dilaporkan bahwa perubahan pencahayaan (kualitas atau kuantitas cahaya) digunakan untuk mempengaruhi transport elektron pada membran tilakoid in vivo, yang pada gilirannya menyebabkan perubahan status redoks komponen fotosintetik.
Penelitian dengan perubahan kualitas cahaya umumnya melibatkan kondisi cahaya rendah. Pada kloroplas tanaman yang mengalami kondisi tersebut, gen-gen fotosintetik plastid saja yang terpengaruh. Sebaliknya, perubahan kuantitas cahaya
B
secara predominan menunjukkan adanya pengaruh redoks persepsional terhadap gen fotosintetik inti. Dari kedua kasus tersebut, terindikasi bahwa sensor redoks yang paling memungkinkan adalah PQ-pool dan/atau kompleks cyt b6f. Pada tanaman tingkat tinggi, Sinapsis alba, pencahayaan yang lama dengan perubahan kualitas cahaya menyebabkan penyesuaian jumlah molekul (stoikiometri) fotosistem melalui variasi densitas PSI dan PSII secara simultan. Kuantitas cahaya juga berpengaruh terhadap ekspresi gen-gen fotosintetik inti. Ekspresi gen Lhcb (yang mengkode chlorophyll-binding protein dari kompleks pemanen cahaya PSII, LHCII) pada alga bersel satu, D. tertiolecta, dapat dirangsang oleh PQ-pool teroksidasi (melalui switch dari intensitas cahaya tinggi ke rendah) (Pfannschmidt et al. 2001; Surpin et al. 2002; Pfannschmidt 2003).
Pengetahuan terkini menunjukkan bahwa komponen redoks menginisiasi lintasan signaling yang cukup penting, yang akhirnya meregulasi ekspresi gen-gen fotosintesis. Akan tetapi pada level molekuler, ada dua pertanyaan mendasar yang masih krusial, bagaimana signal redoks itu ditransduksi ke gen target, dan apakah berbagai pengaruh redoks yang diamati pada sistem in vivo dan in vitro menunjukkan network signaling redoks yang terintegrasi. Pfannschmidt et al. (2001) meringkas berbagai hasil penelitian sebelumnya dan menyatakan bahwa signal redoks ditransfer keluar dari membran tilakoid melalui dua cara yaitu: signal redoks utama dari PQ-pool dimediasi melalui kompleks cyt b6f, dan transduksi signal redoks PQ/cyt b6f melalui kinase yang terkait dengan tilakoid. Kedua, status redoks dari PQ diterima oleh membran yang terikat, dua komponen sensor kinase, yang mentransfer signal tersebut sampai adanya respon molekuler, yang pada gilirannya mempengaruhi ekspresi gen.
Metabolisme kloroplas dan fotosintesis berkontribusi terhadap signal kloroplas yang menentukan ekspresi gen. Perbedaan kontrol redoks gen fotosintesis kloroplas dan inti adalah signal redoks yang menuju inti terdiri atas 80-120 signal (tergantung jumlah kloroplas pada sel yang bersangkutan), sedangkan kontrol redoks di dalam kloroplas merupakan spesifik kloroplas, sehingga ekspresi gen fotosintesis inti menggambarkan respon terhadap rata-rata dari seluruh signal tersebut. Signal redoks kloroplas yang ke inti mengandung informasi yang sifatnya lebih umum tentang kapasitas fotosintesis sel, sedangkan
signal redoks di dalam kloroplas menghasilkan kontrol ekspresi gen tergantung situasi spesifik di dalam masing-masing kloroplas (Pfannschmidt et al. 2001; Pfannschmidt 2003).
Pada kondisi intensitas cahaya rendah, status redoks PQ-pool tergantung secara langsung pada transport elektron. Peran fisiologi yang utama adalah untuk meredistribusikan ketidakseimbangan energi eksitasi antara kedua fotosistem (PSI dan PSII) untuk menghasilkan flux elektron yang efisien, meskipun pada hasil foton yang terbatas, dengan cara aktifasi keragaman fisiologi atau mekanisme ekspresi gen (Pfannschmidt et al. 2001; Pfannschmidt 2003).
Ekspresi Gen-gen Terkait Adaptasi Tanaman terhadap Intensitas Cahaya Rendah
Fotosintesis merupakan reseptor untuk informasi lingkungan yang mengontrol ekspresi gen-gen yang dikode inti dan plastida yang mengkode komponen-komponen yang diperlukan untuk proses fotosintesis yang efisien. Beberapa data mengenai kontrol redoks terhadap ekspresi gen fotosintesis konsisten dan mengindikasikan fotosintesis berperan penting sebagai regulator metabolisme tanaman dan juga ekspresi gen (Pfannschmidt et al. 2001; Pfannschmidt 2003).
Sebagaimana diketahui bahwa gen-gen inti diregulasi pada level transkripsi dan gen-gen kloroplas diregulasi pada level post-transkripsi. Akan tetapi, banyak penelitian menunjukkan bahwa ekspresi gen pada organisme hidup cukup kompleks dan banyak dipengaruhi berbagai faktor dalam dan luar tanaman. Ekspresi gen meliputi beberapa tahapan, dimulai dengan transkripsi gen atau operon menjadi pre-mRNA (hnRNA) yang kemudian diproses menjadi molekul mRNA matang oleh mekanisme yang meliputi splicing dan editing. Ukuran pool molekul mRNA selanjutnya tergantung pada stabilitas mRNA. Terakhir, untuk memperoleh polipeptida fungsional, mRNA dikirim ke poliribosom untuk translasi menjadi protein. Sebagian besar tahapan ekspresi gen ini diregulasi oleh inti dan kloroplas.
Cahaya mengaktifkan ekspresi gen inti maupun kloroplas dan juga prosesing subunit protein untuk pembentukan protein kompleks. Cahaya bekerja
pada level post-transkripsi di dalam kloroplas, sementara secara langsung mengontrol laju transkripsi selama ekspresi gen inti. Sensor tanaman menerima cahaya putih (400-700 nm), UV dan merah jauh (far-red). Terdapat paling kurang 3 fotoreseptor yang terlibat dalam penerimaan cahaya, yaitu a) reseptor fitokrom, reseptor cahaya merah/merah-jauh, b) reseptor cahaya biru/UV-A dan/atau UV-B, dan c) protochlorophyllide, dengan kapasitas penerimaan cahaya merah. Signal cahaya diterima oleh fotoreseptor dan ditransmisi secara bertahap (cascade) untuk mengontrol perubahan transkripsi atau post-transkripsi. Transduksi signal yang menghubungkan penerimaan cahaya oleh fotoreseptor dan ekspresi gen masih belum jelas, kecuali elemen regulatory cahaya pada daerah promoter yang menerima signal yang diproses fotoreseptor untuk aktivitas gen (Biswal 1997a, Tyagi et al. 2000). Misalnya promoter rbcS pada kacang kapri (Pisum sativum) dengan sekuens -35 bp sampai -2 bp yang mencakup TATA box dijumpai menginduksi ekspresi gen light-regulated dan positif regulatory elemen (PRE) yang dijumpai pada daerah upstream promoternya.
Gambar 10 Model sintesis, prosesing, transport, dan protein PSII intrinsik dan ekstrinsik (Biswal 1997a).
Intensitas dan kualitas cahaya juga mempengaruhi tingkat transkripsi dan mRNA. Di antara panjang gelombang, cahaya merah/merah-jauh yang bekerja melalui fitokrom dan cahaya biru melalui kriptokrom tampaknya paling penting yang mengkode beberapa gen kloroplas (Tyagi et al. 2000).
Empat subunit protein intrinsik yang penting dari kompleks PSII, seperti D1, D2, cyt b556, CP43, dan CP47 dikode oleh gen kloroplas, disintesis di kloroplas, diproses di membran, dan ditransfer di dalam tilakoid dari lamela stroma ke daerah tumpukan grana, dimana protein tersebut diinsersi dengan protein lain dan komponen nonprotein untuk membentuk hasil akhir. Sebaliknya, protein ekstrensik dengan berat molekul 33, 23, dan 18 kDa dikode oleh gen inti, disintesis di sitoplasma sebagai prekursor dengan berat molekul tinggi, diproses, dan ditransfer melalui membran kloroplas dan membran tilakoid. Terakhir, protein mencapai lumen dan bergabung dengan protein intrinsik (Gambar 10) (Biswal 1997a; Rochaix 2001).
Analisis Genetik Adaptasi Tanaman Pendugaan Jumlah Gen Pengendali
Adaptasi tanaman terhadap intensitas cahaya rendah dapat berupa sifat kualitatif atau kuantitatif. Sifat kualitatif dikendalikan oleh gen mayor dan memiliki ragam diskret (diskontinu) yang dapat dipisahkan secara jelas menjadi kelas-kelas tertentu. Sifat kualitatif dikendalikan satu atau beberapa gen yang ekspresinya tidak banyak dipengaruhi oleh faktor lingkungan. Sifat kuantitatif memiliki ragam terusan (kontinu), dikendalikan oleh banyak gen minor yang ekspresinya sangat dipengaruhi oleh faktor lingkungan (Allard 1960; Fehr 1987).
Untuk menduga apakah suatu karakter dikendalikan oleh gen sederhana (gen mayor), poligenik (gen minor) atau keduanya sekaligus dapat dilakukan melalui pengamatan sebaran frekuensi karakter yang diamati pada populasi bersegregasi (F2). Sebaran frekuensi F2 yang diskret menunjukkan bahwa karakter
yang diamati dikendalikan oleh gen mayor (gen sederhana). Sebaran terusan (kontinu) satu puncak dan menyebar normal menunjukkan gen pengendali adalah gen minor. Apabila membentuk sebaran terusan dengan dua puncak atau lebih,
karakter yang diamati dikendalikan oleh beberapa gen mayor dan gen minor sekaligus (Fehr 1987).
Analisis genetik untuk karakter yang dikendalikan oleh gen mayor dilakukan dengan analisis genetika Mendel, yaitu dengan membandingkan nisbah fenotipe hasil pengamatan pada populasi F2 terhadap nisbah Mendel atau nisbah
fenotipe tertentu sebagai simpangan nisbah Mendel dengan uji Chi-Kuadrat (Fehr 1987; Crowder 1993). Untuk keperluan tersebut fenotipe pada populasi F2
dikelompokkan ke dalam kelas-kelas tertentu sesuai dengan jumlah kelas dalam nisbah pembanding. Melalui cara pendekatan ini diperoleh dugaan jumlah gen dan aksi gen yang bersegregasi untuk karakter yang diamati.
Menurut Allard (1960); Burns (1976), karakter kualitatif dicirikan oleh adanya ragam diskret (diskontinu) pada kurva sebaran frekuensi dengan munculnya kembali ragam kedua tetua di dalam generasi bersegregasi (F2) dan
salah satu tetua mempunyai pengaruh dominansi penuh dalam generasi F1.