RESPON TUMBUHAN TERHADAP CEKAMAN LOGAM BERAT

Oleh : KELOMPOK 2 Nevy Vilanti Muh. Shofi

PENDAHULUAN

Logam Proses fisiologi pada tumbuhan Racun bagi tumbuhan Konsentrasi tinggi Mengganggu transpirasi Fotosintesis Metabolisme karbohidrat Tumbuhan Jaringan kompleks logam Stres nutrisi Stres oksidatif Mengontrol penyerapan, akumulasi dan detoksifikasi

Hossain dkk, 2012

Conceptual response strategies of metal concentrations Ghosh dan Singh, 2005

Metal Excluder • mencegah logam masuk ke tubuh tumbuhan dan menjaga konsentrasi yang tetap rendah • Mekanisme  merubah permeabilitas membran, merubah kapasitas pengikatan logam, mengeluarkan eksudat (agen pengkelat) lebih banyak.

Metal Indicator • Mengakumulasikan logam yang mencerminkan jumlah logam di dalam tanah.

• Mekanisme  chelator, pengaturan kompartementasi Metal Accumulator • Mengakumulasikan logam dalam kadar yang melebihi kadar di tanah • Hyperacumulator  tumbuhan yang memiliki kemampuan dalam mengakumulasikan logam dalam jumlah besar baik di bagian akar, batang maupun daun. Ghosh dan Singh, 2005

Plant tolerant to metal

Lateks yang berwarna hijau berakaitan dengan tingginya konsetrasi Ni pada tanaman

Sebertia acuminata

( Challahan dkk. 2006)

Uptake and Transport Heavy Metal in Plant Hossain dkk, 2012

Up Take Metal : Soil – Root – Shoot - Vacuole Metal Ion Transport through the Plasma Membrane in Root Root-to-Shoot Metal Translocation Metal Sequestration in the Vacuole by Tonoplast Transporters Manara, 2012

METAL ION TRANSPORT THROUGH THE PLASMA MEMBRANE IN ROOT

The ZIP Family • Pada Arabidopsis : IRT1 (Fe), AtIRT1 (Ni), The NRAMP Family • NRAMPs  Mn2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+, Cd2+, Ni2+, dan Co2+ • Pada arabidopsis: NRAMPs (Fe, Cd), NRAMP1 (spesifik Fe) The Copper Transporters Family • Pada arabidopsis: COPT1 (Co)

ROOT-TO-SHOOT METAL TRANSLOCATION

The HMA Family of Transporters • AtHMA4  Zn homeostasis and Cd detoxification The MATE Family of Efflux Proteins • FRD3  iron-citrate efflux The Oligopeptide Transporters Family • AtYSL2  transport Fe dan Cu ( NA kompleks)

METAL SEQUESTRATION IN THE VACUOLE BY TONOPLAST TRANSPORTERS

The ABC Transporters • HMT1  transports PC-Cd complexes The CDF Transporters • AtMTP1  transport Zn The HMA Transporters • AtHMA3  Cd and Zn homeostasis CaCA Transporters • AtCAX2 and AtCAX4  Akumulasi Cd NRAMP Transporters • AtNRAMP3 and AtNRAMP4  transport Fe

Cellular mechanism

Hall, 2002

MEKANISME BIOKIMIA

Metal Chelatin by Organic Acid, Amino Acid Complexing by Metallothionein Yang and Chu, 2011 Complexing by Phytochelatin Vacuolar Compartmentation

Metal Chelatin by Organic Acid, Amino Acid

External Exclution

 asam organik diekskresikan ke rizosfer  membentuk ikatan komplek dengan logam merubah mobilitas & bioavailibility   mencegah ion logam masuk ke dalam tumbuhan

Internal tolerance

 detoksifikasi logam secara seluler  logam yang masuk membentuk berikatan dengan asam organik di sitosol  transformasi menjadi bentuk non-toxic Hossain dkk, 2012

Citric Acid  afinitas kuat terhadap Cd, Ni, Co, dan Zn Oxalic Acid  detoksifikasi Al Histidin  membentuk kompleks dg Zn , Ni Nicotianamin  mengikat Fe, Zn, Cu, dan Ni Phytat  membentuk kompleks dg Zn dan Al Hossain dkk, 2012

Complexing by Metallothionein

Metallothionein (MT)  low molecular weight, Cys-rich, heavy metal binding.

MT tipe 1  MT tipe 2  MT tipe 3  lebih banyak diekspresikan di akar lebih banyak ditemukan di daun diekspresikan secara melimpah pada buah yang masak MT tipe 4  hanya ditemukan pada perkembangan biji

Peran metallothionein

Bertindak dalam menjaga homeostasis logam dalam sel Sequatration logam berat Proteksi terhadap adanya kerusakan oksidative

KOMPARTEMEN VAKUOLA YANG DIMEDIASI OLEH CDF DAN Nramp

CDF (cation diffusion facilitator)

MTP yang terlipat pada pertukaran kation logam pada sitoplasma

Nramp (natural resistance associated macrophage protein)

Pertukaran kation divalen logam pada sitoplasma

KOMPARTEMEN VAKUOLA YANG DIMEDIASI OLEH CDF DAN Nramp

Tumbuhan Logam berlebihan Disimpan pada vakuola (Ernst et al., 1992)

Phragmites australis

Zn diamobilisasi di apoplast atau disingkirkan ke dalam vakuola lumen (Jiang & Wang, 2008)

KOMPARTEMEN VAKUOLA YANG DIMEDIASI OLEH CDF DAN Nramp

S. cerevisiae Arabidopsis

COT1 & ZRC1 terlokalisasi pada membran vakuolar Toleransi terhadap kobalt, seng, dan kadmium (Kamizono dkk., 1989; Conklin et al., 1992; Li & Kaplan, 1998 ) ZAT/MTP1 transporter seng pada vakuola tananaman terlokalisasi pada membran vakuolar

KOMPARTEMEN VAKUOLA YANG DIMEDIASI OLEH CDF DAN Nramp

ZAT peningkatan ketahanan Zn di akar paparan Zn tinggi (Kobae et al., 2004; van der Zaal et al., 1999)

KOMPARTEMEN VAKUOLA YANG DIMEDIASI OLEH CDF DAN Nramp

NRAMP transporter mengangkut berbagai logam, seperti Mn 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Cd 2+ , Ni 2+ , dan Co 2+ melintasi membran (Nevo and Nelson, 2006) Pada tumbuhan pada akar dan tunas dan terlibat dalam transportasi ion logam melalui membran plasma dan tonoplast (Krämer et al. 2007).

NRAMPs di

A. thaliana

diperkirakan sebagai alat transportasi Fe dan Cd, NRAMP1 memainkan peran transportasi Fe dan homeostasis

(Thomine et al. 2000).

KOMPARTEMEN VAKUOLA YANG DIMEDIASI OLEH CDF DAN Nramp

AtNramp1 pada tanaman transgenik

A. thaliana

menyebabkan peningkatan ketahanan tanaman terhadap konsentrasi besi yang berlebihan (Curie et al. 2000).

KOMPARTEMEN VAKUOLA YANG DIMEDIASI OLEH CDF DAN Nramp

(Yi-Ping Tong et al, 2004)

CHELATION OF CADMIUM IONS BY PHYTOCHELATIN

CHELATION

Senyawa protein yang spesifik pada tumbuhan yang dikeluarkan pada akar untuk merubah suatu unsur sehingga dapat diserap tumbuhan konsentrasi logam beracun melebihi batas tertentu di dalam sel menyebabkan proses metabolisme aktif memberikan kontribusi terhadap produksi senyawa kelat Contoh dari chelator yaitu asam organik, asam amino, dan turunannya fosfat (Rauser, 1999)

CHELATION OF CADMIUM IONS BY PHYTOCHELATIN

PHYTOCHELATIN

protein atau peptida dengan berat molekul rendah, kandungan sistein tinggi, dan kapasitas unik mengikat logam synthases PC (PCS) memainkan peran dalam distribusi dan akumulasi Cd dan beberapa logam yang sangat beracun lainnya seperti Ag, Hg, As (Cobbett, 2000; Rauser, 1999).

CHELATION OF CADMIUM IONS BY PHYTOCHELATIN

CHELATION OF CADMIUM IONS BY PHYTOCHELATIN

(J.L Hall, 2002)

Pustaka

Callahan, D.L., Baker, A.J.M., Kolev, S.D. dan Wedd, A.G. 2006. Metal ion ligands in hyperaccumulating plants.

J Biol Inorg Chem

(2006) 11: 2 –12.

Gosh, M dan Singh, S.P. 2005. A Review On Phytoremediation of Heavy Metals And Utilization of Its Byproducts.

Applied Ecology And Environmental Research

3(1):1 18.

Hall, J.L. Towards Understanding Plant Response to Heavy Metal Stress.

Journal of Experimental Botany

, 53 (366): 1-11.

Hossain, M.A., Piyatida,P., Silva, J.A.T dan Fujita, M. 2012. MolecularMechanism of HeavyMetal Toxicity and Tolerance in Plants: Central Role of Glutathione in Detoxification of Reactive Oxygen Species andMethylglyoxal and in HeavyMetal Chelation

. Journal of Botany

. 1-37.

Manara, A. 2012.

Plant Responses to Heavy Metal Toxicity

. pp. 27-53. In Furini, A

. Plants and Heavy Metals

, Springer, Dordrecht Heidelberg New York London.

Yang, Z dan Chu, C. 2011.

Towards Understanding Plant Response to Heavy Metal Stress

. pp. 59-79. In Shanker, A.

Abiotic Stress in Plant – Mechanism and Adaptation

. Intech, Croatia.

PERTANYAAN

Penanya : Nailis Sa’adah

Pertanyaan : 1. Apakah 1 tumbuhan sanggup mengakumulasikan lebih dari 1 jenis logam atau hanya spesifik untuk 1 jenis logam?

2. Apakah logam yang terakumulasi dalam suatu tumbuhan berhaya bila dikonsumsi?

Jawaban : 1. Ada beberapa tumbuhan mampu mengakumulasikan lebih dari satu jenis logam seperti

Brassica juncea

,

Helianthus annus

ada juga tumbuhan yang hanya spesifik untuk 1 jenis logam namun seperti

Pteris vitata

mengakumulasi AS.

2. Ya, tumbuhan yang mengakumulasi logam berbahaya bila dikonsumsi walapun unsur logam dalam tumbuhan terdapat dalam bentuk senyawa , namun apabila dikonsumsi dapat terurai kembali dan bersifat toksik

PERTANYAAN

Penanya : Rinaldi Rizal Putra

Pertanyaan : 1. Apakah tumbuhan mampu mengakumulasikan lebih dari 1 jenis logam atau hanya spesifik , apa faktor yang menentukan hal itu?

2. Apabila daun mengakumulasi logam, dan daun jatuh ke tanah, apakah unsur logam akan kembali terurai pada tanah?

Jawaban : 1. Tumbuhan ada yang memiliki kemampuan mengakumulasi lebih dari 1 jenis logam. Hal ini tergantung pada transporter logam yang dimiliki oleh tumbuhan. Transporter terdapat pada membran sel sebagai protein chanel untuk keluar masuk ion logam 2. Unsur-unsur logam yang terakumulasi tersebut memungkinkan logam tersebut untuk terurai kembali

PERTANYAAN

Penanya : Yuanita Rahmawati

Pertanyaan : 1.

Pada grafik tanaman exckuder pada awalnya menunjukkan konsentrasi rendah namun semakin meningkatnya kadar logam di luar mampu 2.

meningkatkan pula unsur logam internalnya. Pada akhirnya apakah juga akan sama seperti hiperakumulasi?

Apa itu chelator dan bagaimana bentuknya?

Jawaban : 1.

Tanaman excluder memberikan respon dengan mempertahankan kondisi internal tetap rendah kenaikan yang ditunjukkan pada grafik 2.

tidak sama dengan kenaikan pada hiperakumulator karena tanaman excluder hanya akan menimbun logam di organ akar dan tidak ditranslokasikan ke bagian atas tumbuhan, pada hiperakumulator logam ditranslokasikan dari akar untuk ditimbun di daun/batang Senyawa protein yang spesifik pada tumbuhan yang dikeluarkan pada akar untuk merubah suatu unsur sehingga dapat diserap tumbuhan. Bentuk dari chelator yaitu berupa asam organik, asam amino, dan turunannya fosfat seperti Histidin, Citric Acid dan Oxalic Acid