Interaksi Tanaman-Tanah: Serapan Hara
Pengantar
Pertumbuhan dan perkembangan tanaman sangat bergantung pada
kombinasi dan konsentrasi nutrisi mineral yang tersedia di dalam tanah. Tanaman
sering menghadapi tantangan yang signifikan dalam memperoleh pasokan nutrisi
yang cukup untuk memenuhi tuntutan proses seluler dasar karena imobilitas
relatif mereka. Kekurangan salah satu dari mereka dapat mengakibatkan penurunan
produktivitas tanaman dan / atau kesuburan. Gejala kekurangan gizi mungkin
termasuk pertumbuhan kerdil, kematian jaringan tanaman, atau menguningnya daun
yang disebabkan oleh berkurangnya produksi klorofil, pigmen yang diperlukan
untuk fotosintesis. Kekurangan nutrisi dapat memiliki dampak yang signifikan
terhadap pertanian, sehingga mengurangi hasil panen atau mengurangi kualitas
tanaman. Kekurangan nutrisi juga dapat menyebabkan berkurangnya keanekaragaman
hayati secara keseluruhan karena tanaman berfungsi sebagai produsen yang
mendukung sebagian besar jaring makanan.
Perubahan iklim dan atmosfer dapat memiliki efek serius pada tanaman,
termasuk perubahan dalam ketersediaan nutrisi tertentu. Dalam dunia perubahan
iklim global yang terus menerus, penting untuk memahami strategi yang telah
berkembang untuk memungkinkan mereka mengatasi beberapa kendala ini.
Dua kelas nutrisi dianggap penting untuk tanaman: macronutrients dan
mikronutrien. Macronutrients adalah blok bangunan komponen seluler penting
seperti protein dan asam nukleat; seperti namanya, mereka diminta dalam jumlah
besar. Nitrogen, fosfor, magnesium, dan kalium adalah beberapa macronutrien
yang paling penting. Karbon, hidrogen, dan oksigen juga dianggap makronutrien
karena diperlukan dalam jumlah besar untuk membangun molekul organik yang lebih
besar dari sel; Namun, mereka mewakili kelas makronutrien non-mineral.
Mikronutrien, termasuk zat besi, seng, mangan, dan tembaga, dibutuhkan dalam
jumlah yang sangat kecil. Mikronutrien sering diperlukan sebagai kofaktor untuk
aktivitas enzim.
Nutrisi mineral biasanya diperoleh dari tanah melalui akar tanaman,
tetapi banyak faktor yang dapat mempengaruhi efisiensi perolehan nutrisi.
Pertama, kimia dan komposisi tanah tertentu dapat membuat lebih sulit bagi
tanaman untuk menyerap nutrisi. Nutrisi mungkin tidak tersedia di tanah
tertentu, atau mungkin ada dalam bentuk yang tidak bisa digunakan oleh tanaman.
Sifat tanah seperti kadar air, pH, dan pemadatan dapat memperburuk masalah ini.
Kedua, beberapa tanaman memiliki mekanisme atau fitur struktural yang
memberikan keuntungan ketika tumbuh di jenis tanah terbatas nutrisi tertentu.
Bahkan, sebagian besar tanaman telah berevolusi mekanisme penyerapan nutrisi
yang disesuaikan dengan tanah asli mereka dan dimulai dalam upaya untuk
mengatasi keterbatasan nutrisi. Salah satu adaptasi paling universal untuk
tanah terbatas nutrisi adalah perubahan dalam struktur akar yang dapat
meningkatkan luas permukaan keseluruhan akar untuk meningkatkan perolehan
nutrisi atau dapat meningkatkan pemanjangan sistem akar untuk mengakses sumber
nutrisi baru. Perubahan ini dapat menyebabkan peningkatan alokasi sumber daya untuk
pertumbuhan akar keseluruhan, sehingga menghasilkan akar yang lebih besar untuk
rasio tunas di tanaman terbatas nutrisi (Lopez-Bucio et al., 2003).
Tanaman diketahui menunjukkan tanggapan yang berbeda terhadap defisiensi
nutrisi spesifik yang berbeda dan tanggapan dapat bervariasi antar spesies.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, perubahan yang paling umum adalah
penghambatan pertumbuhan akar primer (sering dikaitkan dengan defisiensi P),
peningkatan pertumbuhan dan kepadatan akar lateral (sering dikaitkan dengan
defisiensi N, P, Fe, dan S) dan peningkatan rambut akar pertumbuhan dan
kepadatan (sering dikaitkan dengan defisiensi P dan Fe).
Sementara kekurangan gizi dapat menjadi ancaman serius bagi produktivitas tanaman, nutrisi dapat menjadi racun berlebihan, yang juga bermasalah. Ketika beberapa mikronutrien terakumulasi ke tingkat yang sangat tinggi pada tanaman, mereka berkontribusi pada pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS), yang dapat menyebabkan kerusakan seluler yang luas. Beberapa unsur yang sangat beracun seperti timbal dan kadmium tidak dapat dibedakan dari nutrisi penting oleh sistem serapan hara di akar tanaman, yang berarti bahwa dalam tanah yang terkontaminasi, unsur-unsur beracun dapat masuk ke jaringan makanan melalui sistem serapan hara ini, menyebabkan berkurangnya penyerapan unsur-unsur penting. nutrisi dan secara signifikan mengurangi pertumbuhan dan kualitas tanaman.
Dalam rangka menjaga
homeostasis nutrisi, tanaman harus mengatur serapan hara dan harus merespon
perubahan tanah serta di dalam tanaman. Dengan demikian, spesies tanaman
memanfaatkan berbagai strategi untuk mobilisasi dan penyerapan nutrisi serta
khelasi, transportasi antara berbagai sel dan organ tanaman dan penyimpanan
untuk mencapai homeostasis nutrisi seluruh tanaman. Di sini, kami secara
singkat menjelaskan beberapa contoh strategi yang digunakan oleh tanaman untuk
memperoleh nutrisi dari tanah.
Plant Akuisisi Nutrisi: Serapan Langsung dari Tanah
Kalium. Kalium (K)
dianggap makronutrien untuk tanaman dan merupakan kation yang paling melimpah
di dalam sel tumbuhan. Kalium memiliki sejumlah fungsi penting dalam tumbuhan,
termasuk menyeimbangkan muatan anion seluler, aktivasi enzim, mengendalikan
pembukaan / penutupan stomata dan berfungsi sebagai osmotikum untuk pertumbuhan
sel.
Defisiensi kalium sering
terjadi pada tanaman yang tumbuh di tanah berpasir yang menghasilkan sejumlah
gejala termasuk kecoklatan daun, mengeriting ujung daun dan menguning
(klorosis) daun, serta mengurangi pertumbuhan dan kesuburan.
Proses pengambilan
potassium telah menjadi subjek penelitian intensif selama beberapa dekade.
Studi awal menunjukkan bahwa tanaman memanfaatkan sistem transportasi afinitas
tinggi dan rendah untuk langsung memperoleh kalium dari tanah. Sistem
transportasi afinitas rendah umumnya berfungsi ketika kadar kalium di dalam
tanah cukup untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Proses ini dimediasi
oleh saluran ion dalam membran plasma sel-sel akar, memungkinkan transpor pasif
K + dari area konsentrasi eksternal yang relatif tinggi ke dalam sel tanaman di
mana konsentrasi K + lebih rendah. Ekspresi transporter afinitas rendah ini
tampaknya tidak secara signifikan dipengaruhi oleh ketersediaan kalium.
Dalam kondisi keterbatasan
potasium, sebaliknya, tanaman biasanya menginduksi sistem transportasi K +
afinitas tinggi. Ada kemungkinan banyak protein yang terlibat dalam
transportasi kalium tinggi, tetapi di Arabidopsis, dua protein telah
diidentifikasi sebagai pengangkut yang paling penting dalam proses ini.
Menariknya, salah satu pengangkut ini, AtHAK5, adalah protein pembawa dan
berpikir untuk memediasi pengangkutan aktif kalium ke dalam akar tanaman,
sedangkan protein lainnya, AKT1, adalah protein saluran dan kemungkinan
menengahi mekanisme transportasi pasif dengan peningkatan afinitas untuk K + di
bawah kondisi keterbatasan kalium (Pyo et al., 2010). Pekerjaan yang lebih baru
menunjukkan bahwa tanaman mengandung sejumlah sistem transportasi yang berbeda
untuk memperoleh kalium dari tanah dan mendistribusikannya ke dalam tanaman.
Meskipun masih banyak yang harus dipelajari tentang penyerapan kalium dan
translokasi pada tumbuhan, jelas bahwa mekanisme yang terlibat sangat kompleks
dan dikontrol secara ketat untuk memungkinkan tanaman memperoleh cukup kalium
dari tanah dalam berbagai kondisi.
Besi. Besi sangat penting untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman
dan diperlukan sebagai kofaktor untuk protein yang terlibat dalam sejumlah
proses metabolisme penting termasuk fotosintesis dan respirasi. Terlepas dari
kenyataan bahwa besi adalah unsur keempat terbanyak di kerak bumi, sering
membatasi untuk tanaman karena fakta bahwa itu cenderung membentuk kompleks
larut dalam tanah aerobik netral terhadap pH dasar (Guerinot & Yi, 1994).
Diperkirakan bahwa pembatasan zat besi adalah masalah bagi tanaman di sebanyak
30% dari tanah di seluruh dunia. Tanaman yang kekurangan zat besi sering
menunjukkan klorosis interveinal, di mana vena daun tetap hijau sementara
daerah di antara vena berwarna kuning (Gambar 2). Karena kelarutan zat besi
yang terbatas di banyak tanah, tanaman sering harus terlebih dahulu memobilisasi
besi di rhizosfer (wilayah tanah yang mengelilingi, dan dipengaruhi oleh, akar)
sebelum memindahkannya ke dalam tanaman. Dua mekanisme yang berbeda telah
berevolusi yang dimanfaatkan oleh tanaman untuk memperoleh besi dari tanah,
disebut respon Strategi I dan Strategi II (Connolly & Walker, 2008).
Gambar 2: Klorosis kekurangan zat besi dalam kedelai. Tanaman di sebelah kiri kekurangan zat besi sementara tanaman di sebelah kanan cukup zat besi.
|
Strategi I digunakan oleh semua tanaman kecuali rumput (Gambar 3A). Hal ini ditandai oleh tiga aktivitas enzimatik utama yang diinduksi sebagai respons terhadap pembatasan zat besi dan yang terletak di membran plasma sel di lapisan luar akar. Pertama, strategi I tanaman menginduksi aktivitas H + -ATPase, yang menggunakan energi ATP untuk memompa proton keluar dari sel-sel akar dan masuk ke rhizosfer. Aktivitas ini dengan demikian berfungsi untuk mengasamkan rhizosfer dan penurunan pH rhizosfer melarutkan besi besi (Fe3 +), membuatnya lebih tersedia untuk penyerapan berikutnya oleh tanaman. Kedua, strategi yang saya tanam menginduksi aktivitas reduktase besi berklorut membran-plasma. Aktivitas reduktase chelate besi mengurangi besi besi menjadi bentuk besi yang lebih larut (Fe2 +) dari besi. Akhirnya, tanaman menginduksi aktivitas transporter besi besi yang menggerakkan besi besi melintasi membran plasma dan masuk ke tanaman.
Sebaliknya, rumput
menggunakan strategi II untuk memperoleh besi dalam kondisi keterbatasan zat
besi (Gambar 3B). Setelah pengenaan pembatasan besi, spesies strategi II mulai
mensintesis molekul khusus yang disebut phytosiderophores (PSs) yang
menunjukkan afinitas tinggi untuk besi besi. PS disekresikan ke rhizosfer di
mana mereka mengikat erat besi besi. Akhirnya, kompleks besi PS-besi diangkut
ke dalam sel-sel akar oleh pengangkut PS-Fe (III). Menariknya, sementara kedua
strategi relatif efektif dalam memungkinkan tanaman untuk memperoleh besi dari
tanah, strategi II respon dianggap lebih efisien karena spesies rumput
cenderung tumbuh lebih baik di tanah berkapur (yang memiliki pH tinggi dan
dengan demikian memiliki besi terbatas yang tersedia). untuk penyerapan oleh
tanaman).
Plant Akuisisi Nutrisi:
Bersimbiosis dengan Mikroorganisme Berbasis Tanah
Nitrogen dan fosfor adalah salah satu unsur yang dianggap paling
membatasi pertumbuhan tanaman dan produktivitas karena mereka sering hadir
dalam jumlah kecil secara lokal atau hadir dalam bentuk yang tidak dapat
digunakan oleh tanaman. Akibatnya, evolusi banyak spesies tanaman termasuk
pengembangan hubungan simbiotik yang saling menguntungkan dengan mikroorganisme
yang ditanami tanah. Dalam hubungan ini, baik tanaman inang maupun simbologi
mikroorganisme mendapatkan sumber daya berharga yang mereka perlukan untuk
produktivitas dan kelangsungan hidup mereka sendiri sebagai hasil dari
asosiasi.
Fiksasi nitrogen. Terlepas
dari kenyataan bahwa nitrogen adalah unsur gas yang paling melimpah di
atmosfer, tanaman tidak dapat memanfaatkan unsur dalam bentuk ini (N2) dan
mungkin mengalami kekurangan nitrogen di beberapa tanah yang memiliki kandungan
nitrogen rendah. Karena nitrogen adalah komponen utama dari kedua protein dan
asam nukleat, kekurangan nitrogen membebankan batasan yang signifikan terhadap
produktivitas tanaman. Dalam pengaturan pertanian, kekurangan nitrogen dapat
diperangi dengan penambahan pupuk kaya nitrogen untuk meningkatkan ketersediaan
nutrisi dan dengan demikian meningkatkan hasil tanaman. Namun, ini bisa menjadi
praktik yang berbahaya karena kelebihan nutrisi umumnya berakhir di air tanah,
yang menyebabkan eutrofikasi dan kekurangan oksigen berikutnya dari ekosistem
akuatik yang terhubung.
Tanaman mampu langsung
memperoleh nitrat dan amonium dari tanah. Namun, ketika sumber nitrogen ini
tidak tersedia, spesies tanaman tertentu dari famili Fabaceae (legum) memulai
hubungan simbiotik dengan sekelompok bakteri pengikat nitrogen yang disebut
Rhizobia. Interaksi ini relatif spesifik dan mengharuskan tanaman inang dan
mikroba saling mengenal satu sama lain menggunakan sinyal kimia. Interaksi
dimulai ketika tanaman melepaskan senyawa yang disebut flavonoid ke dalam tanah
yang menarik bakteri ke akar (Gambar 4). Sebagai tanggapan, bakteri melepaskan
senyawa yang disebut Nod Factors (NF) yang menyebabkan perubahan lokal pada
struktur akar dan rambut akar. Secara khusus, rambut akar meruncing tajam untuk
menyelimuti bakteri di dalam kantong kecil. Dinding sel tanaman dipecah dan
membran sel tanaman menyerang dan membentuk terowongan yang disebut benang
infeksi yang tumbuh ke sel-sel korteks akar. Bakteri menjadi terbungkus dalam
membran turunan tanaman saat mereka berdiferensiasi menjadi struktur yang
disebut bakteroid. Struktur ini diizinkan memasuki sitoplasma sel-sel kortikal
di mana mereka mengubah nitrogen atmosfer menjadi amonia, suatu bentuk yang
dapat digunakan oleh tanaman. Sebagai imbalannya, bakteroid menerima
karbohidrat yang diperoleh secara fotosintesis untuk digunakan untuk produksi
energi (ditinjau oleh Limpens & Bisseling, 2003; Ferguson et al. 2010).
Gambar 4: Nodulasi legum. A. Proses kolonisasi sel akar oleh rhizobakteria. B. Nodul dibentuk oleh bakteri pengikat nitrogen pada akar tanaman kacang polong (genus Pisum).
|
Interaksi mikoriza dengan tumbuhan.
Selain hubungan simbiosis
dengan bakteri, tumbuhan dapat berpartisipasi dalam asosiasi simbiosis dengan
organisme jamur juga. Perkiraan saat ini frekuensi asosiasi tanaman mikoriza
menunjukkan bahwa sekitar 80% dari semua tanaman menetapkan beberapa jenis
simbiosis mikoriza, dan banyak penelitian menunjukkan bahwa hubungan ini
berusia jutaan tahun (Karandashov & Bucher, 2005; Vance, 2001). Ada
beberapa kelas mikoriza, berbeda dalam morfologi struktural, metode penjajahan
jaringan tanaman, dan tanaman inang yang dijajah. Namun, ada dua kelas utama
yang umumnya dianggap paling umum dan oleh karena itu, paling signifikan secara
ekologis. Endomikoriza adalah jamur yang membentuk asosiasi dengan tanaman
inang dengan menembus dinding sel sel kortikal di akar tanaman. Sebaliknya,
ectomycorrizae mengembangkan jaringan hifa yang luas antara sel kortikal tetapi
tidak benar-benar menembus sel.
Interaksi endomikoriza
yang paling umum terjadi antara jamur mikoriza arbuskular (AMF; juga disebut
Vesikular-Arbuskular Mycorrhiza atau VAM) dan berbagai spesies rumput,
tumbuh-tumbuhan, pohon dan semak-semak. Ketika fosfat tersedia di tanah,
tanaman dapat memperolehnya langsung melalui transporter fosfat akar. Namun, di
bawah kondisi rendah fosfat, tanaman menjadi bergantung pada interaksi dengan
jamur mikoriza untuk akuisisi fosfor. Spora mikoriza yang ada di dalam tanah
dikecambahkan oleh senyawa yang dilepaskan dari tanaman. Hyphae memanjang dari
spora berkecambah dan menembus epidermis dari akar tanaman. Di dalam akar,
cabang hyphae dan menembus sel kortikal, di mana struktur bercabang yang
disebut arbuscules berkembang (Gambar 5). Secara eksternal, hifa memanjang ke
dalam tanah di luar area yang dapat diakses oleh akar. Simbiosis semacam ini
memfasilitasi pengambilan fosfor tanaman dari tanah dengan meningkatkan luas
permukaan serap akar. Karena tanaman mengambil fosfor pada tingkat yang jauh
lebih tinggi daripada fosfor berdifusi ke tanah di sekitar akar, zona penipisan
fosfor dengan cepat didirikan, membatasi penyerapan fosfor oleh tanaman. Namun,
hifa hyphae membentuk jembatan antara lingkungan akar internal dan daerah di
luar zona penipisan ini memungkinkan tanaman untuk memperoleh fosfor secara
signifikan lebih melalui mitra simbiosis daripada bisa sendiri (ditinjau oleh
Karandashov & Bucher 2005).
Ectomycorrhizal fungi
(EcM) membentuk asosiasi dengan banyak spesies pohon (birch, oak, spruce,
pinus, cemara), membuat mikroorganisme ini komponen penting dari keanekaragaman
hayati yang ditemukan dalam ekosistem hutan, terutama hutan beriklim sedang dan
boreal di belahan bumi utara. Meskipun mekanisme molekuler yang mendasari
inisiasi interaksi EcM-plant tidak terdefinisi dengan baik, jelas bahwa sinyal
molekul dilepaskan oleh kedua mitra simbiotik, menghasilkan pertumbuhan hifa jamur
menuju akar tanaman yang kompatibel. The Ecm membentuk selubung hifa yang luas,
atau mantel, di sekitar tutup akar dan jaring hartig dari hifa yang meluas ke
akar itu sendiri dan mengelilingi sel-sel di dalam korteks akar. Hifa dari
mantel meluas ke tanah di sekitarnya, menyediakan ketersediaan dan penyimpanan
nutrisi seperti fosfor dan nitrogen untuk tanaman. Ini sangat penting untuk
pohon yang tumbuh di tanah hutan karena sebagian besar nutrisi tersedia di
lapisan serasah dan tidak dapat diakses oleh akar pohon-pohon ini. The Ecm
menghasilkan enzim yang dapat mencerna bahan organik ini dan juga memiliki
kemampuan untuk memobilisasi nutrisi ke jaring hartig, membuatnya tersedia
untuk tanaman. Dengan cara ini, interaksi antara pohon dan EcM tidak hanya menguntungkan,
tetapi dalam banyak kasus, sangat penting (ditinjau oleh Nehls et al., 2008).
Seperti halnya dengan
simbiosis bakteri, manfaat bagi mitra jamur dalam hubungan ini melibatkan
transfer karbohidrat fotosintesis dari tanaman ke mikroorganisme untuk
metabolisme dan produksi energi. Namun, keunggulan nutrisi untuk tanaman
seperti hubungan simbiotik jauh melebihi biaya energik yang dikenakan oleh
hosting mikroorganisme seperti rhizobacteria, AMF, dan EcM.
Ringkasan
Meskipun tanaman non-motil
dan sering menghadapi kekurangan gizi di lingkungan mereka, mereka memanfaatkan
sejumlah mekanisme canggih dalam upaya untuk memperoleh jumlah yang cukup makro
dan mikronutrien yang diperlukan untuk pertumbuhan, perkembangan dan reproduksi
yang tepat. Mekanisme ini termasuk perubahan dalam program perkembangan dan
struktur akar untuk lebih baik "menambang" tanah untuk membatasi
nutrisi, induksi sistem transportasi afinitas tinggi dan pembentukan simbiosis
dan asosiasi yang memfasilitasi serapan hara. Bersama-sama, mekanisme ini
memungkinkan tanaman untuk memaksimalkan kemampuan perolehan nutrisi mereka
sekaligus melindungi terhadap akumulasi kelebihan nutrisi, yang dapat menjadi
racun bagi tanaman. Jelas bahwa kemampuan tanaman untuk memanfaatkan mekanisme
tersebut memberikan pengaruh yang signifikan terhadap hasil panen serta
struktur komunitas tanaman, ekologi tanah, kesehatan ekosistem, dan
keanekaragaman hayati.
Ectomycorrhizal fungi
(EcM) membentuk asosiasi dengan banyak spesies pohon (birch, oak, spruce,
pinus, cemara), membuat mikroorganisme ini komponen penting dari keanekaragaman
hayati yang ditemukan dalam ekosistem hutan, terutama hutan beriklim sedang dan
boreal di belahan bumi utara. Meskipun mekanisme molekuler yang mendasari
inisiasi interaksi EcM-plant tidak terdefinisi dengan baik, jelas bahwa sinyal
molekul dilepaskan oleh kedua mitra simbiotik, menghasilkan pertumbuhan hifa
jamur menuju akar tanaman yang kompatibel. The Ecm membentuk selubung hifa yang
luas, atau mantel, di sekitar tutup akar dan jaring hartig dari hifa yang
meluas ke akar itu sendiri dan mengelilingi sel-sel di dalam korteks akar. Hifa
dari mantel meluas ke tanah di sekitarnya, menyediakan ketersediaan dan
penyimpanan nutrisi seperti fosfor dan nitrogen untuk tanaman. Ini sangat penting
untuk pohon yang tumbuh di tanah hutan karena sebagian besar nutrisi tersedia
di lapisan serasah dan tidak dapat diakses oleh akar pohon-pohon ini. The Ecm
menghasilkan enzim yang dapat mencerna bahan organik ini dan juga memiliki
kemampuan untuk memobilisasi nutrisi ke jaring hartig, membuatnya tersedia
untuk tanaman. Dengan cara ini, interaksi antara pohon dan EcM tidak hanya
menguntungkan, tetapi dalam banyak kasus, sangat penting (ditinjau oleh Nehls
et al., 2008).
Seperti halnya dengan
simbiosis bakteri, manfaat bagi mitra jamur dalam hubungan ini melibatkan
transfer karbohidrat fotosintesis dari tanaman ke mikroorganisme untuk
metabolisme dan produksi energi. Namun, keunggulan nutrisi untuk tanaman
seperti hubungan simbiotik jauh melebihi biaya energik yang dikenakan oleh
hosting mikroorganisme seperti rhizobacteria, AMF, dan EcM.
0 Response to "Interaksi Tanaman-Tanah: Serapan Hara"
Post a Comment