viii
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas limpahan belas kasih, kemudahan dan petunjuk-Nya semata, penulis dapat menyelesaikan Tesis ini. Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Biologi Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor.
Terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Ir. Hamim, M.Si dan Bapak Dr. Soekisman Tjitrosemito, M.Sc selaku dosen pembimbing atas bimbingan dan arahan yang diberikan. Penghargaan penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Dedy Duryadi, DEA selaku ketua Program Studi Biologi, Sekolah Pasca Sarjana (SPS) IPB, Dr. Ir. Munif Ghulamahdi, MS selaku penguji dari Departemen Agronomi dan Hortikultura. Terima kasih kepada Departemen Geofisika dan Meteorologi IPB atas bantuannya dalam penggunaan alat fotosintesis. Terima kasih juga kepada kepala Laboratorium Mikrobiologi Lingkungan LIPI atas arahannya dalam analisis enzim, dan juga kepada Pusat penelitian Sumber daya Hayati dan Bioteknologi IPB.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Papa, Mama, Mak etek, Uni, @dek, Da Pong atas do’a, kasih sayang dan pengertiannya. Selain itu penulis juga mengucapkan terima kasih pada Adisti, Jovany, Bu Dewi, Ina, Ninda, Ela, Rina, Rina 39, atas diskusi dan sarannya dan juga pada Hasep dan Yusi atas bantuannya serta kepada teman-teman di Program Studi Biologi SPS IPB. Penulis juga mengucapkan terima kasih pada Mba Een, Mba Agustina atas saran dan nasehatnya. Ucapan terima kasih pada semua pihak yang telah membantu sehingga dapat terselesaikannya tesis ini.
Sebagai penutup, penulis mengharapkan semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2007
ix
RIWAYATHIDUP
Penulis dilahirkan di Payakumbuh pada tanggal 04 Juli 1981 dari ayah Azwin, S.Sos dan ibu Hildarnis. Penulis merupakan puteri kedua dari tiga bersaudara. Pendidikan sarjana ditempuh di Program Studi Biologi Universitas Andalas Padang, lulus pada tahun 2003 dengan predikat ”dengan pujian”. Pada tahun 2005 penulis diterima sebagai mahasiswa Pasca Sarjana Program Studi Biologi IPB.
x
DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR ... xiii PENDAHULUAN
Latar Belakang ... 1 Tujuan ... 4 Hipotesis ... 4 TINJAUAN PUSTAKA
Peranan Air bagi Pertumbuhan Tanaman ... 5 Cekaman Kekeringan pada Tanaman... 6 Efek Kekeringan terhadap Fotosintesis... 7 Cekaman Oksidatif... 9 Penyelamatan dari ROS ... 11 Penghambatan Fotosintesis oleh Herbisida... 14 BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat ... 16 Bahan dan Alat... 16 Rancangan Percobaan ... 16 Pelaksanaan ... 17 HASIL DAN PEMBAHASAN
Kandungan Air Media (KAM)... 23 Kandungan Air Relatif (KAR) ... 25 Pertumbuhan Tanaman... 28 Produksi Tanaman... 32 Morfologi Daun Tanaman yang Mendapat Perlakuan Hebisida Paraquat 33 Laju Transpirasi ... 35 Laju Fotosintesis ... 37 Peroksidasi Lipid... 42 Aktivitas Enzim Antioksidan ... 45 Kandungan Asam Askorbat (ASA)... 54 Kandungan Prolin ... 57 KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan ... 60 Saran ... 60
DAFTAR PUSTAKA ... 61 LAMPIRAN... 67
xi
DAFTAR TABEL
Teks
Halaman 1. Rasio bobot akar/bobot tajuk pada tanaman kedelai dan jagung
setelah 12 hari perlakuan kekeringan ... 31 Lampiran
Halaman
1. Bahan-bahan pengukuran fotosintesis, analisis enzim antioksidan, asam askorbat dan prolin... 68 2. ANOVA dari pertumbuhan tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan ... 69 3. ANOVA dari produksi tanaman pada perlakuan cekaman kekeringan... 71 4. ANOVA dari Kadar Air Media (KAM) pada perlakuan cekaman
kekeringan ... 72 5. ANOVA dari Kadar Air Relatif (KAR) tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ... 74 6. ANOVA dari laju transpirasi tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan ... 76 7. ANOVA dari laju fotosintesis tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan ... 78 8. ANOVA dari peroksidasi lipid tanaman pada perlakuan cekaman
kekeringan ... 80 9. ANOVA dari aktivitas glutation reduktase tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ... 82 10. ANOVA dari aktivitas supeoksida dismutase tanaman pada
perlakuan cekaman kekeringan ... 84 11. ANOVA dari aktivitas askorbat peroksidase tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ... 86 12. ANOVA dari kandungan asam askorbat tanaman pada perlakuan
cekaman kekeringan ... 88 13. ANOVA dari kandungan prolin tanaman pada perlakuan cekaman
xii 14. ANOVA dari laju transpirasi tanaman pada perlakuan herbisida
paraquat ... 92 15. ANOVA dari laju fotosintesis tanaman pada perlakuan herbisida
paraquat. ... 93 16. ANOVA dari laju peroksidasi lipid tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat... 95 17. ANOVA dari aktivitas glutation reduktase tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat... 96 18. ANOVA dari aktivitas superoksida dismutase tanaman pada
perlakuan herbisida paraquat... 98 19. ANOVA dari aktivitas askorbat peroksidase tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat... 99 20. ANOVA dari kandungan asam askorbat tanaman pada perlakuan
herbisida paraquat... 101 21. ANOVA dari kandungan prolin tanaman pada perlakuan herbisida
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman 22. Mekanisme pembentukan ROS ... 10 23. Produksi ROS pada transport elektron fotosintesis pada kondisi
cahaya tinggi... 11
24. Metabolisme redok asam askorbat ... 12 25. Siklus askorbat-glutation ... 13 26. Skema penghambatan transport elektron fotosintesis oleh herbisida
paraquat dan DCMU ... 14 27. Struktur kimia paraquat ... 15 28. Kandungan Air Media (%) pada 0 sampai 12 HSP kekeringan dan
recovery ... 24 29. Kandungan air relatif (%) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ... 26 30. Kandungan air relatif (%) daun dari 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP
herbisida paraquat... 27 31. Tinggi tajuk (a) dan panjang akar (b) 12 HSP kekeringan ... 29 32. Bobot kering tajuk (a) dan bobot kering akar (b) 12 HSP kekeringan ... 31 33. Jumlah biji per tanaman pada perlakuan kontrol dan kekeringan ... 32 34. Bobot kering biji per tanaman pada perlakuan kontrol dan kekeringan.... 32 35. Daun jagung (kiri) dan kedelai (kanan) 1 HSP herbisida paraquat ... 34 36. Laju transpirasi (E) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ... 35 37. Laju transpirasi (E) dari 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP herbisida
paraquat ... 37 38. Laju fotosintesis (Pn) kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ... 38 39. Laju fotosintesis (Pn) pada 0, 4 jam, 1 hari sampai 5 HSP paraquat ... 41
xiv 40. Kandungan MDA kedelai dan jagung 0, sampai 12 HSP kekeringan
dan recovery... 43 41. Kandungan MDA kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP
herbisida paraquat... 44 42. Aktivitas GR kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP kekeringan
dan recovery ... 46 43. Aktivitas GR kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP herbisida
paraquat ... 48 44. Aktivitas SOD kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ... 49 45. Aktivitas SOD kedelai dan jagung pada 0, 1, 3 dan 5 HSP herbisida
paraquat ... 51 46. Aktivitas APX kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery... 52 47. Aktivitas APX kedelai dan jagung pada 0, 1, 3, dan 5 HSP herbisida
paraquat ... 53 48. Kandungan ASA daun kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ... 54 49. Kandungan ASA daun kedelai dan jagung pada 0, 1, 3, dan 5 HSP
herbisida paraquat... 56 50. Konsentrasi prolin kedelai dan jagung pada 0, sampai 12 HSP
kekeringan dan recovery ... 57 51. Konsentrasi prolin kedelai dan jagung 0, 1, 3, dan 5 HSP herbisida
paraquat ... 59
xvi Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Munif Ghulamahdi, MS.
1
PENDAHULUAN
Latar BelakangKedelai (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
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.