Bintil Akar: Regulasi Simbiosis Antara Akar dan Rhizobium

Simbiosis antara rhizobium dan tanaman polongan atau yang dikenal dengan kelompok tanaman leguminase menyebabkan terbentuknya bintil akar yang mengikat nitrogen. Interaksi antara rhizobium dan tanaman menunjukkan tingkat spesifisitas inang yang tinggi berdasarkan adanya interaksi menggunakan pertukaran sinyal kimia sebagai hubungan simbiosis antara kedua organisme tersebut. Sinyal tanaman dapat berupa flavonoid yang diproduksi oleh akar untuk mengaktifkan ekspresi gen membentuk bintil akar yang pada akhirnya akan menghasilkan sinyal berupa rhizobium lipochitooligosaccharide (faktor bintil). Faktor bintil ini bertindak sebagai morfogen yang dalam kondisi keterbatasan nitrogen akan menginduksi sel-sel di dalam korteks akar untuk membelah dan berkembang menjadi bintil awal. Tulisan ini mengkaji tentang bagaimana bintil Akar tersebut diregulasi sehingga mengarah pada perkembangan bintil akar.

Gambar 1. Bintil akar pada tanaman leguminase

Pengantar Bintil Akar

Bintil akar merupakan struktur yang terorganisasi dengan baik. Simbiosis antara tanaman polong-polongan dan rhizobium dalam kondisi keterbatasan nitrogen akan menyebabkan perkembangan organ tanaman baru yang disebut dengan bintil akar yang bertujuan untuk mengikat nitrogen bebas di udara. Bintil ini terbentuk di akar tetapi pada beberapa tanaman juga terbentuk di Batang. Pada bintil akar terbentuk rhizobium yang terdiferensiasi untuk mengikat nitrogen yang kemudian nitrogen tersebut digunakan oleh tanaman Inang. Bakteri akan memerangkap nitrogen atmosfir dalam tanaman sehingga dapat digunakan oleh tanaman inang. Interaksi simbiosis antara bakteri dan Inang dimulai ketika bakteri membentuk koloni di permukaan akar sebagai tanggapan atas faktor bintil yang diproduksi oleh akar, yang kemudian akan menyebabkan pengeritingan pada ujung akar. Tahapan selanjutnya adalah terbentuknya invaginasi pada dinding sel dan pembentukan benang-benang halus yang tumbuh di dalam rambut akar yang disebut benang infeksi. Benang infeksi halus tersebut akan melintasi lapisan sel bagian luar untuk mencapai bintil awal yang diinisiasi oleh aktifnya sel-sel yang berdiferensiasi dari korteks akar untuk pembelahan.

“Rhizobium adalah salah satu genus dari bakteri heterotrofik yang mampu membentuk bintil akar sebagai simbiosis antara akar tanaman dan bakteroid untuk mengikat nitrogen bebas atmosfir”

Pada benang infeksi tersebut, rhizobium berkembang biak tetapi tetap terkurung di dalam dinding sel tumbuhan. Saat bintil akar awal ini berkembang, bakteri dilepaskan melalui proses endositosis dan berdiferensiasi menjadi bakteroid yang dikelilingi oleh membran peribacteroid. Interaksi simbiosis menunjukkan tingkat spesifitas inang yang tinggi yang artinya bahwa kombinasi antara tanaman dan rhizobium tertentu saja yang mampu kompatibel untuk membentuk simbiosis bintil akar pengikat nitrogen. Pertumbuhan dan perkembangan bakteri dan sel tanaman harus terkoordinasi secara baik serta melibatkan beberapa langkah komunikasi antara Inang dan rhizobium. Pada setiap tahapan perkembangan bintil, regulasi berjalan pada bakteri maupun tanaman untuk membuat hubungan timbal balik antara keduanya.

Pertukaran Sinyal Antara Rhizobium dan Tanaman Inang

Rhizobium yang mendekati akar tanaman Inang serta cocok atau kompatibel untuk merespon senyawa penginduksi yang berasal dari tanaman akan mengekspresikan gen terkait bintil akarnya. Ekspresi gen ini akan mengarah pada produksi dan sekresi sinyal umpan balik dari faktor bintil yang diproduksi tanaman. Faktor bintil sangat penting bagi rhizobium Untuk memicu terbentuknya struktur keriting pada rambut akar, menginduksi pembentukan awal bintil, dan terbentuknya benang infeksi dalam struktur akar sebagai tempat koloni bakteri nantinya.

Gambar 2. Pertukaran sinyal dalam simbiosis antara tanaman dengan rhizobium (Schultze & Kondorosi, 1998)

Dalam kondisi kekurangan nitrogen, tanaman membentuk struktur seperti bintil secara spontan tanpa adanya rhizobium. Hasil penelitian menunjukkan bahwa faktor bintil bertindak sebagai faktor pertumbuhan eksternal yang memicu terbentuknya bintil pada tanaman Inang. Namun, keberadaan faktor bintil tidak cukup untuk memungkinkan invasi bintil oleh rhizobium dan diferensiasi bakteri menjadi bakteroid. Invasi bintil memerlukan komponen lainnya pada permukaan sel seperti eksopolisakarida, Lippo polisakarida, dan polisakarida kapsuler. Polisakarida memungkinkan berjalannya beberapa fungsi dalam komunikasi antar sel inang dan sel bakteri melindungi bakteri dari mekanisme pertahanan tanaman yang akan menghambat kemampuan inflasi bakteri ke dalam sel tanaman, serta menekan reaksi pertahanan tanaman sebagai respon atas sinyal yang diberikan tanaman untuk pembentukan bintil akar. Hal ini menunjukkan bahwa terdapat komunikasi yang sangat Intens antara Inang dan bakteri sebagai bentuk simbiosis yang mengarah pada saling mengenal antara sel yang satu dengan sel yang lainnya.

“Invasi Bintil oleh Rhizobium artinya adalah masuknya rhizobium ke dalam bintil akar yang telah terbentuk pada akar sebagai respon atas kekurangan nitrogen”

Jenis Bakteri pada Bintil Akar

Bakteri pada bintil akar antara larin Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium, dan Frankia. Bakteri ini memiliki variasi dalam ukuran dan bentuk seiring bertambahnya usia bakteri dengan bentuk seperti batang atau berbentuk tidak beraturan membentuk koloni. Bakteri pembentuk bintil akar tidak memiliki flagela dan sebagian besar merupakan gram negatif. Bakteri Frankia adalah salah satu bakteri pembentuk bintil akar gram positif yang memiliki serabut serta menghasilkan spora. Bakteri bintil akar akan bertahan hidup di akar tanaman inang yang rentan untuk periode waktu yang berbeda-beda di dalam tanah. Pertumbuhan yang terus-menerus dari tanaman Inang dalam tanah cenderung meningkatkan populasi bakteri bintil akar yang nantinya akan mempengaruhi tanaman Inang. Meskipun begitu, tidak semua bakteri bintil akar akan mempengaruhi tanaman Inang secara langsung, misalnya bakteri yang tumbuh pada tanaman Alfalfa. Bakteri yang tumbuh pada tanaman Alfalfa tidak tumbuh pada tanaman Semanggi, buncis, kacang polong, atau kedelai dan begitu juga sebaliknya. Strain bakteri pembentuk bintil akar umumnya memiliki preferensi varietas yang jelas, misalnya beberapa bakteri kedelai bekerja lebih baik pada satu atau dua varietas kedelai daripada tanaman Inang lainnya.

Perkembangan Bintil Akar

Mekanisme pembentukan bintil akar merupakan proses yang sangat spesifik dan melibatkan interaksi banyak bakteri dan inangnya. Akar tanaman Inang umumnya melepaskan senyawa flavonoid yang berfungsi sebagai senyawa sinyal yang menginisiasi ekspresi terkoordinasi pada gen bakteri yang diperlukan untuk nodulasi (bintil). Kode gen terkait dengan bintil akan terlibat dalam sintesis enzim faktor bintil. Faktor bintil bertindak sebagai molekul sinyal yang memicu aktivasi gen inang yang mengarah pada terbentuknya rambut akar yang keriting sebagai tempat terjadinya penetrasi dan pembentukan meristem bintil yang mengandung bakteroid nantinya. Selain bertindak sebagai sinyal yang menarik bagi bakteri, flavonoid Inang juga membuat bakteri bintil akar menjadi resisten terhadap fitoaleksin Inang. Selain itu, flavonoid Inang terlibat dalam pembentukan meristem bintil, dengan mengganggu keseimbangan auksin-sitokinin di akar tanaman.

“Fitoaleksin adalah senyawa antimikroba yang diproduksi oleh jaringan tanaman sebagai respon atas parasit dan secara spesifik menghambat pertumbuhan parasit. Jika bakteri tidak resisten terhadap fitoaleksin, maka bakteri tidak akan mampu melakukan invasi ke dalam sel tumbuhan”

Gen nodulasi memungkinkan bakteri menginduksi pembentukan bintil dengan cara spesifik pada tanaman inang. Beberapa gen nodulasi yang umum seperti nodABC sangat penting untuk pembentukan bintil dan umum pada semua spesies dan strain bakteri bintil. Namun gen ini hanya terdapat pada spesies atau strain bakteri tertentu dan terdapat pada kisaran tanaman inang tertentu.

Gambar 3. Ilustrasi Skema Pembentukan Bintil Akar pada Tanaman leguminase (Ferraioli et al., 2004)

Perkembangan nodul akar yang dapat diamati dimulai dengan penetrasi langsung ke rambut akar oleh bakteri penyebab bintil. Di dalam sel rambut akar, bakteri tertanaman dalam selubung mukoid berdinding ganda dan berbentuk tabung yang disebut dengan benang infeksi. Benang infeksi yang mengandung bakteri akan menembus ke dalam sel parankim kortikal dan bercabang dengan vesikel terminal dan lateral terbentuk pada untaian. Vesikel ini kemudian pecah dan melepaskan sebagian besar bakteri di dalam sel. Bakteri yang dilepaskan akan terperangkap dalam selubung membran. Bakteri yang terperangkap ini disebut bakteroid. Sel parenkim di sepanjang jalur invasi bakteri akan mulai membelah dan sel yang diinvasi akan bertambah besar seiring dengan munculnya bakteroid. Peningkatan aktivitas meristematik dan perbesaran sel kortikal akan menghasilkan bintil yang tumbuh keluar dari korteks akar. Pada saat yang sama, diferensiasi jaringan vaskuler, baik xilem maupun floem terjadi di bintil. Jaringan vaskuler bintil tidak terhubung langsung dengan jaringan akar. Seiring bertambahnya usia bintil, sel-sel kortikal pertama di daerah yang terinfeksi paling awal dan kemudian di seluruh area pusat bintil hancur dan kolaps. Bakteroid, yang sekarang telah kehilangan selubung membrannya, hancur atau menjadi bakteri antar sel dan akhirnya dilepaskan ke dalam tanah saat korteks bintil dan epidermis hancur.

Referensi

• Ferraioli, S., Tatè, R., Rogato, A., Chiurazzi, M., & Patriarca, E. J. (2004). Development of ectopic roots from abortive nodule primordia. Molecular plant-microbe interactions, 17(10), 1043-1050.
• Agrios, G. N. (2005). Plant diseases caused by prokaryotes: bacteria and mollicutes. Bacterial Soft Rots. Plant Pathology, 4, 434-437.
• Schultze, M., & Kondorosi, A. (1998). Regulation of symbiotic root nodule development. Annual review of genetics, 32(1), 33-57.