MEKANISME FISIOLOGI TOLERANSI TERHADAP CEKAMAN
ALUMINIUM PADA SPESIES LEGUM PENUTUP TANAH
(Mechanism of physiological tolerance to Aluminum stress of Legume Cover Crop species)
M. Zulman Harja Utama *), Yusrizal M. Zen **) , dan Widodo Haryoko *)
ABSTRACT
Aluminum ion (Al3+) is toxic to plants at micro molar concentrations. Al toxicity has been known as major limiting factor for crop productivity on acid soil. The primary effect of Al toxicity is a rapid inhibition of root elongation due to detrimental effect on the targeting site of Al toxicity, the root apex. The research was aimed to study the physiological tolerance mechanism of legume cover crop species to Al stress. Two of two factor factorial experiments were conducted, each using a randomized complete design with three replications. First factor was 2 species of legume cover crops and second factor was level of aluminum on the growth media. The result show that the tolerant species, Pueraria javanica had a better ability than the less tolerant Calopogonium ceurelium, to detoxify Al ion through a higher production of secreted organic acids to the growth media as the external mechanism and accumulation of the acid in the root as the internal mechanism. The organic acids reduce the Al activity through chelating process. Three most important chelating agents were citric, malice, and oxalic acid.
Key words : Mechanism physiological, tolerance, alumi-nium, legume, organic acid
PENDAHULUAN
Kemasaman tanah merupakan faktor pembatas pertumbuhan tanaman pada berbagai tempat di dunia, sekitar 43% dari daratan di dunia yang da-pat ditanami merupakan tanah masam (Kochian, 1995) dan 27.5 juta ha dari tanah masam tersebut terdapat di Indonesia berupa tanah mineral masam Podzolik Merah Kuning (Adhi, 1993). Permasalah serius pada budidaya tanaman di tanah masam tersebut adalah keracunan Al dan rendahnya fosfor (Zheng et al., 1998; Larsen et al., 1998; Takita et al., 1999), yang menyebabkan terhambatnya pertumbuhan akar, penyerapan hara dan air (Kochian, 1995; Ma et al., 2000; Ma, 2000).
Hambatan pertumbuhan pada tanah masam tersebut adalah akibat dari kelarutan Al3+
teruta-ma pada kondisi pH< 5 (Degenhardt et al., 1998; Ma, 2000) yang bersifat racun bagi tanaman, dan rendahnya kelarutan hara esensial sehingga terja-di kekahatan (Takita et al., 1999). Upaya me-ningkatkan fungsi akar dan menetralisir penga-ruh buruk Al menjadi semakin penting bagi
pe-ningkatan pertumbuhan tanaman legum, khusus-nya legum penutup tanah pada areal-areal perke-bunan yang bertanah masam.
Hasil penelitian terdahulu (Utama dan Yahya, 2003) menunjukkan bahwa keefektivan mikoriza dan rhizobium pada spesies legum di tanah masam dengan Al tinggi menunjukkan pe-ngaruh yang lebih baik terhadap pertumbuhan dan kadar hara jika ditambahkan asam humat. Tanggap
pertumbuhan akar terhadap inokulasi mikoriza, rhizobium dan asam humat berbeda antar spesies legum penutup tanah. Perbedaan tanggap tersebut, diduga karena adanya perbeda-an mekanisme toleransi dari spesies legum terse-but terhadap cekaman Al.
*) Jurusan Budidaya Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Tamansiswa Padang **) Jurusan Budidaya Pertanian, Faperta Unand
1. Respon Pertumbuhan dan Perubahan pH
dan Calopogonium ceurelium (peka). Percobaan faktorial, dua faktor menggunakan rancangan acak lengkap dengan 3 ulangan. Faktor pertama yaitu: L1 = Pueraria javanica dan L2 =
Calopogonium ceurelium . Faktor kedua yaitu: A0 = pH 4.0/Al 0.0 mM (kontrol); A1 = pH 4.0/Al 1.0 mM, dan A2 = pH 4.0/2.0 mM.
Larutan hara yang digunakan pada percobaan ini terdiri dari: 1.5 mM Ca(N03)2.4H20; 1.0 mM
Media adaptasi mengunakan 1/5 konsentrasi larutan hara selama 7 hari. Setelah itu digunakan 1/3 konsentasi untuk media perlakuan dengan Al. Larutan hara ditera pada pH 4.0 setelah ditam-bahkan Al, sesuai dengan perlakuan yang ditetap-kan dan dialiri udara selama selama 21 hari, pe-ngantian larutan setiap 7 hari. Pada setiap bak terdiri 5 tanaman dengan penyangga dari styro-foam yang diberi lubang sebanyak 5 buah, pengamatan dilakukan sampai pada hari ke 21.
HASIL PERCOBAAN
Tabel 1. Pengaruh cekaman Al dan spesies legum terhadap peubah biomas akar, biomas pucuk, dan biomas tanaman
Pertambahan biomas tanaman (%)
0.0 mM 96.67 c 74.67 d 85.67
1.0 mM 165.33 a 42.67 e 104.00
2.0 mM 125.00 b 30.60 e 77.50
Rata-rata 129.00 49.11
Keterangan: Angka yang diikuti huruf yang berbeda pada peubah yang sama pada masing-masing perlakuan menunjukkanberbeda nyata pada taraf 5 % dengan uji Duncan
Tabel 2. Pengaruh cekaman Al dan spesies legum terhadap pertambahan peubah panjang akar, panjang pucuk dan bobot kering akar. Tingkat
Pertambahan biomas tanaman (%)
0.0 mM 96.67 b 133.67 a 115.17
1.0 mM 156.67 a 54.00 c 105.33
2.0 mM 90.00 b 33.33 c 61.67
Rata-rata 114.44 73.67
Keterangan: Angka yang diikuti huruf yang berbeda pada peubah yang sama pada masing-masing perlakuan menunjukkanberbeda nyata pada taraf 5 % dengan uji Duncan
(89%). Peningkatan pH media dengan adanya cekaman Al pada spesies P. javanica yaitu, 16% dan 5% pada konsentrasi Al 1.0 mM dan 2.0 mM pada pH 4.0, sedangkan pada C. ceurelium yaitu 5% dan 3% (Tabel 1, 2 dan 3).
Tabel 3. Tanggap cekaman Al dan spesies legum pada pertambahan peubah bobot kering pucuk dan pH media.
Pertambahan bobot kering pucuk (%)
0.0 mM 159.33 b 107.67 c 133.50 pada peubah yang sama pada masing-masing perlakuan menunjukkanberbeda nyata pada taraf 5 % dengan uji Duncan
Kesimpulan
Tingkat toleransi terhadap cekaman Al ditunjuk-kan oleh tingkat penurunan pertumbuhan yang lebih rendah pada spesies toleran (P. javanica), dibandingkan dengan spesies peka (C. ceurelium). Perbedaan tingkat toleransi yang di-tunjukkan oleh perbedaan tingkat penurunan per-tumbuhan tajuk berhubungan dengan kemam-menjadi 4.62 dan 4.20 pada cekaman Al 1.0 dan 2.0 mM, sedangkan C. ceurelium meningkat dari pH 4.0 menjadi 4.19 dan 4.10. Penelitian Bioteknologi dan Sumberdaya Genetik Pertanian, Cimanggu Bogor.
Spesies legum yang digunakan Pueraria javanica dan Calopogonium ceurelium. Percoba-an menggunakPercoba-an rPercoba-ancPercoba-angPercoba-an acak lengkap, fakto-rial 2 x 2 dengan 3 ulangan. Faktor pertama, yaitu: L1 = Pueraria javanica, dan L2 =
Calopogonium ceurelium. Faktor kedua adalah konsentrasi Al, yaitu: A0= pH 4.0/Al 0.0 mM (kontrol); dan A1 = pH 4.0/Al 1.0 mM
Komposisi hara yang digunakan sama seperti percobaan 2. Benih yang telah berkecambah di-tumbuhkan dalam tabung reaksi steril yang berisi larutan hara steril sebanyak 50 ml, dan pada setiap botol terdapat 5 kecambah. Komposisi hara media adaptasi 1/5 dari dosis hara tanpa Al dan untuk media perlakuan 1/3 dosis. Tabung reaksi yang telah berisi tanaman dan larutan hara media adaptasi ditutup dengan aluminium foil dan diletakkan pada shaker dengan 80 rpm selama 2 x 24 jam pada suhu 23oC.
Setelah itu media adaptasi diganti dengan 50 ml media perlakuan yang mengandung 1/3 dosis larutan hara steril dan 2 konsentrasi Al yaitu: 0.0 mM Al dan 1.0 mM Al yang ditera pada pH 4.0. Setelah itu botol ditutup kembali dengan alumi-nium foil dan diletakkan pada shaker dengan 80 rpm pada suhu 230C selama 24 jam. Kemudian
tanaman legum ditumbuhkan pada kultur air yang mengandung unsur Al, dan dianalisis kadar asam organiknya, dilakukan pada media tumbuh dan pada jaringan akar tanaman.
Hasil Percobaan
Akumulasi Asam Organik
Akumulasi asam organik pada akar tanaman terjadi akibat adanya cekaman Al pada spesies P. javanica mengalami peningkat sebesar 89%, 39% dan 106% untuk asam sitrat, oksalat dan malat dibandingkan dengan asam organik yang dihasil-kan oleh spesies C. ceurelium (Tabel 4).
Tabel 4. Hasil analisis kadar asam organik akumulasi akibat cekaman Al pada spesies legum penutup tanah pada peubah yang sama pada masing-masing perlakuan menunjukkan berbeda nyata pada taraf 5 % dengan uji Duncan
Tabel 5. Hasil analisis kadar asam organik eksudasi akibat cekaman Al pada spesies legum penutup tanah pada peubah yang sama pada masing-masing perlakuan menunjukkan berbeda nyata pada taraf 5 % dengan uji Duncan
Kadar asam organik hasil eksudasi oleh P. javanica lebih tinggi dibandingkan dengan asam organik yang diproduksi oleh spesies C. ceurelium. Pada spesies P. javanica terjadi pe-ningkatan eksudasi asam organik sebesar 21%, 88%, dan 47% lebih tinggi dibandingkan dengan asam organik yang dieksudasikan oleh spesies C. ceurelium untuk asam sitrat, oksalat dan malat (Tabel 5).
Kadar Total Asam Organik (Eksudasi + Akumulasi)
Peningkatan asam organik total hasil akumulasi pada spesies P. javanica, yaitu 77%, lebih tinggi dibandingkan dengan C. ceurelium, sedangkan asam organik total hasil eksudasi pada spesies P. javanica terjadi peningkatan sebesar 51% lebih tinggi dibandingkan dengan jenis C. ceurelium (Tabel 6).
Tabel 6. Hasil analisis asam organik total pada eksudasi dan akumulasi akibat cekaman Al pada spesies legum penutup tanah
Tingkat
Akumulasi total asam organik (ppm)
0.0 mM 0.00 c 0.00 c 0.00
1.0 mM 53.82 a 30.41 b 42.12
Rata-rata 26.91 15.21
Eksudasi total asam organik (ppm)
0.0 mM 2.35 c 1.05 c 1.70
1.0 mM 68.86 a 45.47 b 57.17
Rata-rata 35.61 23.26
Keterangan: Angka yang diikuti huruf yang berbeda pada peubah yang sama pada masing-masing perlakuan
menunjukkan berbeda nyata pada taraf 5 % dengan uji Duncan
Kesimpulan
Mekanisme toleransi pada spesies legum pe-nutup tanah terjadi melalui mekanisme akumulasi dan eksudasi asam organik. Cekaman Al mening-katkan kadar asam sitrat, malat dan oksalat hasil eksudasi dari akar dan akumulasi dalam akar pada spesies legum toleran dan peka. Produksi asam organik total hasil akumulasi dan eksudasi pada spesies toleran P. javanica, nyata lebih ting-gi dari pada spesies peka C. ceurelium, yaitu masing-masing 77% dan 51% atau 1.8 dan 1.5 kali lebih tinggi.
PEMBAHASAN UMUM
Pada tanah mineral masam sering dijumpai keracunan Al, kerusakan perakaran tanaman dan rendahnya hara tersedia (Kochian, 1995; Marschner, 1995 dan Ma. 2000). Upaya mening-katkan fungsi akar dan menetralisir pengaruh buruk Al menjadi semakin penting, untuk pe-ningkatan pertumbuhan tanaman legum, khususnya tanaman legum penutup tanah yang ditanam pada areal perkebunan bertanah masam. Usaha untuk menanggulagi kendala tersebut ada-lah pengunaan spesies legum yang toleran terha-dap cekaman Al. Toleransi tanaman terhaterha-dap cekaman Al dapat terjadi secara internal dan eksternal, sebagai suatu mekanisme untuk dapat beradaptasi pada tanah masam dengan Al tinggi. Kedua mekanisme tersebut dapat terjadi secara bersamaan, walaupun dalam derajat yang berbeda sesuai dengan jenis tanaman dan kemampuannya untuk beradaptasi. Perbedaan utama dari kedua mekanisme tersebut adalah dalam hal daerah tempat terjadinya pengkelatan terhadap Al, apa-kah di simplas (internal) dan apoplas (eksklusi) (Delhaize dan Ryan, 1995).
Peningkatan pH berkaitan dengan pengaturan keseimbangan dalam penyerapan kation dan anion, selain itu juga karena adanya pengaruh dari asam organik (Haynes, 1990).
Asam organik mempunyai kecenderungan untuk mengikat suatu kation tertentu dengan kuat dan cenderung untuk melindungi kation tersebut. Kelat merupakan suatu senyawa organik yang dapat bergabung dan melindungi kation logam, antara lain; besi, mangan, seng, tembanga dan aluminium. Kombinasi dari kation-kelat tersebut membentuk suatu struktur cincin yang komplek, di mana logam diikat dengan erat dan sulit bere-aksi dengan unsur lainnya di dalam tanah (Buckman dan Brady, 1982).
Asam organik yang disintesis oleh spesies P. javanica dari hasil eksudasi dan akumulasi kadar-nya jauh lebih besar dari pada spesies C. ceurelium, demikian juga dengan kadar asam or-ganik total yang dihasilkan spesies P. javanica
dibandingkan dengan spesies C. ceurelium. Dari hasil percobaan ini terlihat bahwa mekanisme toleransi yang terjadi pada spesies legum terse-but, terjadi secara internal dan eksternal melalui mekanisme eksudasi dan akumulasi asam organ-ik. Kadar asam sitrat, oksalat dan malat dari hasil akumulasi pada spesies toleran P. javanica
berturut-turut lebih tinggi 1.9; 1.4; dan 2.1 kali dibandingkan dengan spesies peka C. ceurelium, demikian juga dari hasil eksudasi kadar masing-masing asam organik tersebut, yaitu 1.2; 1.9 dan 1.5 kali lebih tinggi.
Adanya hambatan terhadap perkembangan akar lateral pada spesies peka, diduga terjadi karena keterbatasan kemampuan tanaman dalam memproduksi asam organik sehingga terjadi hambatan dan kerusakan pada ujung akar. Pada mekanisme eksudasi dan akumulasi asam organik oleh spesies P. javanica dan C. ceurelium jenis asam organik yang disintesis sama, sedangkan hasil penelitian pada tanaman lainnya tidak semua asam organik tersebut disintesis, baik yang dieksudasi maupun yang diakumulasi. Kemam-puan tanaman mensintesis asam organik, meru-pakan indikator penting dalam menentukan ke-mampuan tanaman untuk dapat beradaptasi pada tanah mineral masam dengan Al tinggi.
KESIMPULAN
Kemampuan adaptasi tanaman legum penu-tup tanah yang toleran sebagaimana ditunjukkan oleh lebih rendahnya penurunan pertumbuhan tajuk dan akar, berhubungan dengan kemampuan akar untuk beradaptasi pada cekaman Al tinggi. Kemampuan adaptasi tersebut dicapai melalui mekanisme toleransi. Eksudasi asam organik ke
dalam media tumbuh dan akumulasi di dalam akar spesies legum penutup tanah merupakan tanggap terhadap cekaman Al. Karena respon karakter morfologi tajuk dan akar, serta karakter fisiologi pengubahan pH media dan eksudasi (pengaruh eksternal) dan akumulasi (pengaruh internal) asam-asam organik tersebut ada pada spesies toleran P. javanica, maka karakter tersebut dapat menerangkan tentang mekanisme toleransi.
Kemampuan adaptasi tanaman legum penu-tup tanah yang toleran sebagaimana ditunjukkan oleh lebih rendahnya penurunan pertumbuhan tajuk dan akar, berhubungan dengan kemampuan akar untuk beradaptasi pada cekaman Al tinggi. Kemampuan adaptasi tersebut dicapai melalui mekanisme toleransi. Eksudasi asam organik ke dalam media tumbuh dan akumulasi di dalam akar spesies legum penutup tanah merupakan tanggap terhadap cekaman Al. Tingkat toleransi spesies legum penutup tanah terhadap cekaman Al berhubungan erat dengan kemampuan akar dalam mensintesis asam-asam organik di antara-nya asam sitrat, oksalat dan malat.
UCAPAN TERIMA KASIH
Disampaikan kepada Proyek Pengkajian dan Penelitian Ilmu Pengetahuan Terapan. Direktorat Pembinaan Penelitian dan Pengabdian pada Ma-syarakat Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi. Departemen Pendidikan Nasional, yang telah berkenan membiayai penelitian ini.
Ucapan yang sama juga disampaikan kepada Bapak Prof.Dr.Ir. Sudirman Yahya, MSc., Bapak Dr. Ir. Komarrudin Idris, MS., Bapak Dr. Ir. Yadi Setiadi, MSc., dan Bapak Prof. Dr. Ir. Soedarmadi H., MSc., yang telah banyak mem-berikan bimbingan dan saran dalam pelaksanaan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Adhi, I.P.G.W. 1993. Pengapuran tanah masam untuk kedelai. Hal 171-188. Somaatmadja, M. Ismunadji, Sumarno, M.Syam, S.O.Manurung, dan Yuswadi (eds). Kedelai. Badan penelitian dan pengembangan pertanian, Pusat penelitian pengembangan tanaman pangan, Bogor. Buckman, H.O., dan N.C. Brady. 1982. Ilmu tanah.
Terjemahan Soegiman. Bharata Karya Aksara, Jakarta. 788 hal.
Degenhardt, J., P.B. Larsen., S.H. Howell, and L.V. Kochian. 1998. Aluminum resistance in the arabidopsis mutant alr-104 is caused by an aluminum-induced increase in rhizosphere pH. Plant physiol. 117: 19-27.
Harjadi, S.S., dan S. Yahya. 1988. Fisiologi stres lingkungan. PAU Bioteknologi, IPB Bogor. 236 hal.
Haynes, R.J. 1990. Active ion uptake and maintenance of cation-anion balance: Acritical examination of their role in regulating rhizosphere pH. Plant and Soil. 126: 247-264.
Kochian, L.V. 1995. Cellular mechanisms of aluminum toxicity and resistance in plants. Annu.Rev. Plant physiol. Plant Mol. Biol. 46: 237-260.
Larsen, P.B., J. Degenhardt., C-Y. Tai, L.M.Stenzler, S.H. Howell, and L.V. Kochian. 1998. Aluminum-resistant arabidobsis mutants that exhibit altered patterns of aluminum accumulation and organic acid release from roots. Plant physiol. 117: 9-18.
Ma, J. F. 2000. Role of organic acids in detoxification of aluminum in higher plants. Plant cell physiol, 41(4): 383-390.
Ma, J.F., S. Hiradate, and H. Matsumoto. 1998. High aluminum resistance in buckwheat. II. Oxalic acid detoxifies aluminum internally. Plant physiol. 117: 753-759.
Ma, J. F., S.J. Zheng, and H. Matsumoto. 1997. Specific secretion of citric acid induced by Al stress in Cassia tora L. Plant cell physiol, 38(9): 1019-1025.
Ma, J. F., S. Taketa, and Z. M. Yang. 2000. Aluminum tolerance genes on the short arm of chromosome 3R are
linked to organic acid release in tricale. Plant physiology, 122: 687-694.
Marschner, H. 1995. Mineral nutrition of higher plants, Second edition. Academic press, 889 p.
Pellet, D. M., D.L. Grunes, and L.V. Kochian. 1995. Organic acid exudation as an aluminum-tolerance mechanism in maize (Zea mays L.). Planta, 196: 788-795.
Sopandie, D. 1999. Differential Al tolerance of soybean genotypes related to nitrate metabolism and organic acid exudation. Comm.Ag. 5(1) 13-20.
Utama, M.Z.H., dan S. Yahya. 2003. Peranan mikoriza va, rhizobium dan asam humat pada pertumbuhan dan kadar hara beberapa spesies legum penutup tanah. Bul. Agronomi. 31(3): 94-99.
Takita, E., H. Keyama, and T. Hara. 1999. Organic acid metabolism in aluminum-phosphate utilizing cells of carrot (Daucus carota L.). Plant cell physiol 40(5): 489-495.
Taylor, G..J. 1991. Current views of the aluminum stress response; The physiological basis of tolerance. Current topics in plant biochemistry and physiology, 10: 57-93. Zheng, S.J., J.F, Ma and H. Matsumoto. 1998. High aluminum
