FAKTOR YANG MEMPENGARUHI BIOSINTESIS IAA OLEH AZOSPIRILLUM

FAKTOR YANG MEMPENGARUHI BIOSINTESIS IAA OLEH AZOSPIRILLUM

Nana Danapriatna

Fakutas Pertanian Universitas Islam ”45” Bekasi, Jl. Cut Mutiah 83 Bekasi 17113 korespondensi : nadaprina@yahoo.co.id

Abstrak

Auxin is a growth hormone that can be produced by bacteria, including Azospirillum. Pyruvate indole 3 acetic acid (IAA) is one form of auxin which can be produced by Azospirillum. The main precursor in the formation of IAA by Azospirilum is tryptophan. IAA biosynthesis by Azospirillum consists of the major pathway Indole 3 pyruvate and minor pathway through Tryptamine. Production of IAA by Azospirilum influenced by genetic factors and environmental factors. Genes involved in the production process of IAA by Azospirillum is ipdC gene that determines the formation of pyruvate decarboxylase enzyme indole 3. Environmental factors that influence the IAA biosynthesis is the availability of carbon, medium pH, oxygen and nitrogen. Production of IAA by Azospirillum increased under conditions of limited availability of carbon and low pH of medium. Provision of nitrogen can increase the production of IAA. Aerobic environmental conditions resulted in the production of IAA by Azospirillum be lower compared to anaerobic conditions (oxygen limited). This paper describes the biosynthesis of IAA by Azospirillum through pathways involving tryptophan as the precursor and the factors that influence it.

Key Words : Azospirilum, IAA, Tryptophan, Indole-3-pyruvate, Tryptamine PENDAHULUAN

Auksin adalah hormon yang pertama ditemukan pada tanaman dan salah satu dari agen pemberian isyarat kimia yang mengatur perkembangan tanaman. Umumnya auksin secara alami terdapat dalam bentuk asam indole-3-acetic (IAA). Salah satu peran terpenting dari IAA pada tanaman adalah sebagai hormon kunci dari berbagai aspek pertumbuhan dan perkembangan tanaman (Aryantha et.al., 2004). Pada taraf yang rendah IAA merangsang pemanjangan akar, sedangkan pada taraf yang tinggi IAA menghambat pemanjangan akar, namun demikian taraf IAA yang tinggi dapat merangsang peningkatkan pembentukan akar lateral dan adventif (Patten dan Glick, 2002; Silva dan Davies, 2007).

Regulasi pertumbuhan tanaman diantaranya tergantung pada keberadaan sejumlah auksin bebas di sel, jaringan, dan organ tanaman. Pemenuhan kebutuhan auksin terjadi dengan cara tanaman memproduksi pada ujung apikal dan ditransportasikan sampai ke akar. Selain itu, beberapa penelitian terakhir memperlihatkan bahwa auksin juga disintesis oleh beberapa mikroorganisme tanah (Husen, 2003; Spaepen et. al. 2007a_).

Salah satu mikroorganisme yang mampu mensinstesis auksin adalah Azospirillum (Crozier et.al, 1988; Sommer et.al., 2005; Akbari et.al., 2007). Genus Azospirillum terdiri dari bakteri diazotrophic gram-negatif yang hidup di rhizosphere dan daerah interselular akar dari beberapa spesies tanaman (Steenhoudt dan

82

Vanderleyden, 2000). Beberapa laporan penelitian memperlihatkan terjadinya peningkatan pertumbuhan tanaman dan hasil panen akibat inokulasi Azospirillum pada akar tanaman. Respon tanaman akibat inokulasi Azospirillum adalah berkaitan dengan produksi IAA oleh bakteri tersebut (Akbari et.al. 2007; Lestari et.al., 2007). IAA adalah bentuk alami yang utama dari auksin dan mempengaruhi banyak aspek dari pertumbuhan dan perkembangan tanaman (Ona et. al. 2005). IAA yang dihasilkan oleh Azospirillum dapat merangsang perkembangan perakaran gandum (Akbari et.al,. 2007), perbaikan perakaran padi (Lestari, et.al., 2007) dan merangsang pertubuhan mikroalga Chorella vulgari (de-Bashan et.al., 2008).

Biosintesis IAA oleh bakteri termasuk Azospirillum telah mulai banyak diungkap. Biosintesis IAA oleh bakteri berlangsung melalui beberapa jalur reaksi dan dipengaruh oleh berbagai faktor lingkungan dan genetik dari bakteri tersebut (Spaepen et. al., 2007a,b_;

Zakharova, et. al., 1999). Untuk lebih memahami proses pembentukan IAA maka pada tulisan ini akan dirangkum dari sejumlah tulisan mengenai biosisntesis IAA dan faktor yang mempengaruhinya.

Biosintesis IAA oleh Azospirillum

Azospirilum selain sebagai bakteri penambat nitrogen, berdasarkan beberapa hasil penelitian dapat memproduksi hormon tumbuh diantaranya auksin (IAA). Kemampuan Azospirillum dalam menghasilkan IAA telah banyak diungkap, salah satunya hasil penelitian Crozier et.al. (1988) menunjukkan bahwa Azospirillum barasilense dan Azopsirillum lipoferum dengan berbagai strain mampu menghasilkan IAA. Hasil penelitian lainnya yang dilakukan oleh Lestari et.al. (2007) menunjukkan bahwa beberapa isolat Azospirillum indigen Indonesia yang digunakan mampu mensekresikan IAA dan juga terlihat bahwa semakin lama inkubasi terjadi penurunan produki IAA (Tabel 1.).

Tabel 1. Pengaruh inokulasi Azospirillum terhadap produksi IAA pada tanaman padi varietas IR64 (Lestari et.al., 2007)

Inokulasi

7 hari 12 hari

Tanpa inokulasi 1.07b 0.81c

Azospirillum Az15 2.94a 1.48b

Azospirillum Az44 3.26a 1.42b

Azospirillum Az7 3.16a 1.97a

Angka-angka pada lajur sama yang diikuti huruf sama tidak berbeda pada taraf nyata 5% menurut uji Beda Nyata Terkecil (BNT).

Biosisntesis IAA oleh bakteri menurut beberapa peneliti terjadi dengan tryptophan yang diidentifikasi sebagai senyawa prekursor utama dalam beberapa jalur yaitu : (1) indole-3-pyruvate, (2) indole-3-acetonitrile (IAN), (3) tryptamine, dan (4) indole-3-acetamide (Lee, et.al., 1988; Normanly, et.al., 1995; Spaepen, et.al., 2007a).

3

Gambar 1. Biosisntesis IAA oleh bakteri; tulisan dengan huruf miring merupakan enzim

yang mengkatalis reaksi. Trp (Tryptophan), ipdC (indole-3-pyruvate decarboxylase) ( (Normanly, et.al, 1995, dimodifikasi)

Proses biosisntesis IAA dari keempat jalur dijelaskan oleh Spaepen, et.al., (2007a) dan Normanly, et.al., (1999) sebagai berikut :

1. Jalur Indole-3-acetamide (IAM) adalah ciri jalur terbaik dari bakteri. Jalur ini terdiri dari dua tahap, pertama tryptophan dikonversikan menjadi IAM oleh enzim tryptophan-2-monooxygenase (IaaM), di-encode oleh gen iaaM. Tahap kedua adalah mengkonversi IAM menjadi IAA dengan bantuan enzim IAM hydrolase (IaaH), diencode oleh gen iaaH.

2. Jalur Indole-3-pyruvate (IPyA) adalah jalur utama untuk biosintesis IAA dalam tanaman. Produksi IAA melalui jalur IPyA terjadi pula secara meluas pada bakteri. Tahap pertama dalam jalur ini adalah konversi dari tryptophan menjadi IPyA oleh aminotransferase (transamination). Dalam tahap berikutnya, IPyA mengalami dekarboksilasi menjadi indole-3-acetaldehyde (IAAld) oleh indole-3-pyruvate decarboxylase (ipdC). Langkah terakhir adalah IAAld dioksidasi menadi IAA. 3. Jalur Tryptamine pada bakteri dimulai dengan proses dekrboksilasi tryptophan

menjadi tryptamine (TAM). Langkah terakhir adalah TAM secara langsung dikonversi menjadi IAA oleh amine oxidase.

4. Tahap terakhir dalam jalur Indole-3-acetonitrile adalah konversi dari IAN menjadi IAA. Pada bakteri, nitrilase dideteksi dengan jelas untuk pembentukan indole-3acetonitrile. Aktivitas nitrile hydratase dan amidase yang teridentifikasi pada bakteri menandakan terjadinya konversi dari IAN ke IAA melalui IAM.

Tryptophan (Trp) secara umum dipertimbangkan sebagai prekursor dalam pembentukan IAA. Hal ini karena penambahan Trp pada kultur bakteri pengahsil IAA merangsang terjadinya peningkatan sintesis IAA. Sejumlah fakta dimana jalur pembentukan IAA oleh bakteri melalui Trp telah ditunjukkan oleh sebagian besar peneliti.

Bakteri Azospirillum dalam memproduksi IAA menggunakan tryptophan sebagai prekursor. Hasil penelitian Zakharova et.al. (1999) menunjukkan bahwa kultur dari Azospirillum brailense yang diberi tryptophan (Trp) sebagai prekursor menghasilkan IAA (Gambar 2.). Pembentukan IAA selama masa inkubasi dari kultur Azospirillum brasilense 8, 24, 48 dan 72 jam setelah pemberian Trp berturut-turut adalah 0.3, 1.3, 12 dan 15 mg L-1.

Gambar 2. Pembentukan IAA oleh Azospirillum brasilense yang ditumbuhkan pada media dengan

Trp. berdasarkan waktu inkubasi (Zakharova et.al., 1999)

Azospirillum dalam mensintesis IAA dengan prekursor Trp menurut beberapa peneliti

melalui jalur indole-3-pyrupate (IPyA) dan Tryptamine (TAM) (Normanly et.al., 1995; Spaepen

et.al., 2007a_{). Hasil penelitian Lee et.al. (1988) dengan menggunakan Azospirillum lipoferum} memperlihatkan bahwa jalur utama pada pembentukan IAA adalah jalur indole-3-pyruvate dan sedikit terjadi melalui jalur kedua yaitu jalur tryptamine. Hal ini ditunjukkan dengan terdeteksinya aktivitas trytophan decarboxylase dan tryptamine oxidase pada Azospirillum lipoferum SK16 dalam memproduksi IAA melalui pemberian senyawa intermediet dari IAA (Tabel 2.). Terlihat bahwa hanya pada pemberian senyawa intermediet dua jalur saja yaitu indole-3-pyruvate dan tryptamine yang terbentuk IAA, sedangkan pada senyawa intermediet untuk jalur indole-3-acetamide tidak terbentuk IAA.

Tabel 2. Deteksi tryptophan decarboxylase dan tryptamine oxidase dalam Azospirillum

lipoferum SK16. (Lee et.al., 1988)

Senyawa IAA ditambahkan

intermedietd yang Produksi IAAa

30 menit 60 menit 90 menit

Indole-3-pyruvate + + + Tryptamine - tr tr Indole-3-acetamide Senyawa IAA ditambahkan Indole-3-pyruvate intermedietd yang - - - Produksi IAAb + + + Tryptamine + Indole-3-acetamide - Keterangan : a _{Tiga puluh}

ekstrak sel A. lipoferum SK16, kemudian direaksikan selama 90 menit pada suhu 370_C.

Produksi IAA ditentukn oleh TLC : -, tidak terdeteksi : tr, kurang dari 05 mm diameter spot : +, 1.5 mm : + +, 3 mm : + + +.

5

dalam jalur pembentukan IAA, kemudian dikuturkan selama 6 hari pada suhu 37 C. Hasil penelitian lainya dari Zakharova et.al. (1999) pada Azospirillum brasilense strain Sp245, memperlihatkan bahwa dalam sintesis IAA oleh bakteri tersebut menggunakan prekursor utama Trp dan melalui jalur indole-3-pyruvate.

Kombinasi konsentrasi inokulan Azospirillum dan konsentrasi tryptophan berpengaruh nyata terhadap nitrogen total dan produksi auksin. Produksi auksin tertinggi terdapat pada perlakuan konsentrasi inokulan 15 % dengan pemberian

-1 _{(131,1 mg kg}-1_{), sedangkan terendah terdapat pada perlakuan} -1 _{(88,6 mg kg}-1₎

(Danapriatna et al., 2010). Menurut Ona et al. (2005) bahwa tryptophan adalah prekursor sintesis auksin oleh Azospirillum brasiliensis, yang pada penelitian ini juga berperan meningkatkan produksi auksin.

Faktor yang mempengaruhi biosintesis IAA oleh Azospirillum

Kemampuan Azospirillum dalam biosintesis IAA dicirikan dengan adanya gen ipdC dan dipengaruhi oleh faktor lingkungan (Broek et.al, 2005; Somers et.al., 2005; Spaepen et.al., 2007b_{). Menurut Spaepen, et.al. (2007}a_{) beberapa peneliti mengungkapkan bahwa Azospirillum} yang mempunyai gen ipdC dalam melakukan sintesis IAA akan meningkat hasil produksinya jika berada dalam kondisi karbon terbatas dan pH yang rendah (masam). Hasil penelitian Ona, et.al. (2005) memperlihatkan bahwa status karbon berpengaruh terhadap produksi IAA oleh

Azospirillum brasilense. Status karbon (konsentrasi malat) yang tinggi menurunkan produksi IAA

oleh Azospirillum brasilense (Tabel 3.).

Tabel 3. Pengaruh status karbon terhadap konsentrasi IAA yang dihasilkan oleh Azospirillum

brasilense (Ona et.al., 2005)

Parameter

Kultur

A (kontrol) B

Konsentrasi awal L-malat (g l-1_{) 2.5 5.0}

Maksimum OD600 1.609 ± 0.06a _{2.045 ± 0.05}*

) 3.731 ±0.06a _{1.849 ± 0.05}*

Maksimum ekspresi ipdC (Miller unit) 443 ± 0.40a _{250 ± 0.30}*

Residual L-malat (g l-1_{) ND ND}

Keterangan : ND : tidak terdeteksi a _{: nilai untuk} fermentasi A sebagai kontrol * _{: p < 0.05} dibandingkan dengan control

Penelitian Lestari, et.al. (2007) memperlihatkan bahwa pemberian nitrogen

meningkatkan produksi IAA oleh Azospirillum pada umur 7 HST sedangkan pada umur 12 HST pemberian nitrogen tidak berpengaruh nyata terhadap produksi IAA (Tabel 4.)

Tabel 4. Pengaruh pemberian nitrogen terhadap produksi IAA pada tanaman padi varietas IR64 yang diinokulasi Azospirillum (Lestari, et.al., 2007)

Taraf nitrogen (%)*

-1) -1

7 hari 12 hari 0 1.53c 1.93a 25 2.06bc 1.33b 50 2.25bc 1.30b 75 3.26ab 1.46b 100 3.92a 1.09b

Keterangan : * _{: 100 % nitrogen = 1 mM NH4NO3. Angka-angka pada lajur sama yang diikuti} huruf sama tidak berbeda pada taraf nyata 5% menurut uji beda nyata terkecil . Faktor lain yang berpengaruh terhadap proses sintesis IAA oleh Azospirillum adalah kondisi oksigen pada media bakteri. Hasil penelitian Ona, et.al. (2005) memperlihatkan bahwa kondisi aerobik (ketersedian oksigen banyak) memberikan produksi IAA yang lebih rendah dibandingkan pada kondisi mikroaerob (Gambar 3.)

Gambar 3. Produksi IAA (bar) dan ekspresi ipdC (simbol) dibawah kondisi mikroaerobik (bar terbuka, kotak hitam) dan kondisi aerobik (bar tertutup, lingkaran hitam) (Ona,

et.al., 2005). KESIMPULAN

Azospirillum dapat memproduksi IAA dengan tryptophan sebagai prekursor melalui

jalur Indole-3-pyruvate dan Tryptamine. Sintesis IAA oleh Azospirillum melibatkan gen ipdC dan produksi IAA meningkat dalam kondisi ketersediaan karbon terbatas dan pH media yang rendah. Pemberian nitrogen dapat meningkatkan produksi IAA. Kondisi lingkungan aerobik mengakibatkan produksi IAA oleh Azospirillum menjadi lebih rendah dibandingkan dengan kondisi anaerobik.

DAFTAR PUSTAKA

Akbari, G.A., S.M. Arab, H.A. Alikhani, I. Allahdadi and M.H. Arzanesh. 2007. Isolation and selection of indigenous Azospirillum spp. and the IAA of superior strains effect on wheat roots. World J. Agric. Sci. 3 : 523 – 529.

Aryantha, I.N.P., D.P Lestar dan N.P.D. Pangesti. 2004. Potensi isolat bakteri penghasil IAA dalam peningkatan pertumbuhan kecambah kacang hjau pada kondisi hidroponik. J.Mikrobiol.Indones. 9 : 43 – 46.

Broek, A.V., P. Gysegom, O. Ona, N. Hendrickx, E. Prinsen, J.V. Impe and J. Vanderleyden. 2005. Transcriptional analysis of the Azospirillum brasilense indole-3-pyruvate decarboxylase gene and identification of a cis-acting sequence involved in auxin responsive expression. MPMI 18 : 311 – 323.

7

3acetic acid and related indoles in culture medium from Azospirillum lipoferum and

Azospirillum brasilense. Appl. Environ. Microbiol. 54 : 2833 - 2837.

de-Bashan, L.E., H. Antoun and Y. Bashan. 2008. Involvement of indole-3-acetic acid produced by the growth-promoting bacterium Azospirillum spp. in promoting growth of Chorella

vulgaris. J.Phycol. 44 : 983 – 947.

Danapriatna, N., R. Hindersah, dan Y. Sastro. 2010. Pengembangan pupuk hayati Azotobacter dan Azospirillum untuk meningkatkan produktivitas dan efisiensi penggunaan pupuk N di atas 15% pada tanaman padi. Laporan penelitian KKP3T No SPKPP : 1148/LB.602/I.1/4/2010. LPPM Universitas Islam “45” Bekasi Bekerjasama dengan Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian.

Husen, E. 2003. Screening of soil bacteria for plant growth promotion activities in vitro. Indones. J. Agric. Sci. 4 : 27 - 31

Lee, W.K, J.Y. Lee, K.Y. Kang and M.J. Cho. 1988. Synthetic pathway of indole acetic acid in

Azospirillum lipoferum. Korean Biochem. J. 21 : 519 – 524.

Lestari, P., D.N. Susilowati dan E.I. Riyanti. 2007. Pengaruh hormon asam indol asetat yang dihasilkan Azospirillum sp. terhadap perkembangan akar. Jurnal Agro Biogen 3 : 66 – 72. Normanly, J., J.P. Slovin and J.D. Cohen. 1995. Rethinking auxin biosynthesis and metabolism.

Plant Physiol. 107 : 323 – 329.

Ona, O., J.V. Impe, E. Prinsen and J. Vanderleyden. 2005. Growth and indole-3acetic acid biosynthesis of Azospirillum brasilense Sp245 is environmentally controlled. FEMS Microbiology Letters 246 : 125 – 132.

Patten, C.L. and B.R. Glick. 2002. Role of Pseudomonas putida indole acetic acid in development of the host plant root system. Appl. Environ. Microbiol. 68 : 3795 – 3801.

Silva, T. and P.J. Davies. 2007. Elongation rates and endogenous indoleacetic acid levels in roots of pea mutants differing in internode length. Physiol. Plant. 129 : 804 -812

Somers, E., D. Ptacek, P. Gysegom, M Srinivansan and J. Vanderleyden. 2005. Azospirillum

brasilense produces the auxin-like phenylacetic acid by using the key enzime for

indole-3acetic acid biosynthesis. Appl. Environ. Microbiol. 71 : 1803 – 1810.

Spaepen, S. J. Vanderleyden and R. Remans. 2007a_{. Indole-3-acetic acid in microbial and} microorganism-plant signaling. FEMS Microbiol. Rev.: 1 – 24.

Spaepen, S., W. Versees, D. Gocke, M. Pohl, J. Steyaert and J. Vanderleyden. 2007b_. Characterization of phenylpyruvate decarboxylase, involved in auxin production of

Azospirillum brasilense. J. Bacteriol. 189 : 7626 – 7633.

Steenhoudt, O. and J. Vanderleyden. 2000. Azospirillum, a free-living nitrogen fixing bacterium closely associated with grasses : genetic, biochemical and ecological aspects. FEMS Microbiol. Rev. 24 : 487 - 506.

Zakharova, E.A., A.A. Shcherbakov, V.V. Brudnik, N.G. Skripko, N.S.Bulkhin and V.V. Ignatov. 1999. Biosynthesis of indole-3-acetic acid in Azospirillum brasilense. Insight from quantum chemistry. Eur. J. Biohem. 259 : 572 – 576.