Ekspresi Gen Tanaman Terhadap Cekaman Kekeringan

Transgenetik merupakan salah satu bagian penting dari pertanian modern, meski masih sangat banyak proses pengembangan protocol dan teknik supaya memperoleh efektivitas serta peningkatan produksi tanaman. Melalui pemanfaatan sifat unggul dari satu jenis tanaman dengan memodifikasi menggunakan tools molekuler terhadap jenis tanaman lainnya merupakan sistem teknologinya, hal ini akan menjadi harapan pertanian masa depan. Beberapa decade ini, para pakar mengembangkan teknologi ini dengan memproduksi jaringan tanaman dan mengubah genetik tanaman, sehingga menjadi pusat pengembangan eksperimen ilmu tanaman dan komponen dasar bioteknologi pertanian masa kini, maka berpotensi besar dalam upaya ketahanan pangan dunia masa depan melalui pemanfaatan bioteknologi manipulasi genetik tanaman terhadap penyakit, hama, tekanan lingkungan dan mengembangkan komposisi benih secara kuantitatif. Fakta yang terjadi di lapangan, petani banyak mengalami tantangan besar Ketika terjadi perubahan genetik pada tanaman akibat perubahan iklim maupun suhu lingkungan lahan produksi.

Situasi ini semakin menjadi masalah yang serius, sehingga dunia bioteknologi pertanian menjadi ujung tombak dalam perubahan kondisi yang fluktuatif tersebut. Tekanan lingkungan salah satu yang cukup serius dan menjadi pusat perhatian para pakar bioteknologi pertanian dan petani. Kondisi ekstream yang semakin menunjukan perubahan-perubahan curah hujan yang tidak stabil akan membawa pada kondisi yang tidak dapat diidentifikasi dampaknya, memaksa tanaman menghadapi cekaman kekeringan. Cekaman kekeringan adalah salah satu bentuk tekanan abiotik yang mampu menginduksi berbagai respon molekuler seperti terjadinya perubahan ekspresi gen dan perubahan sintesis enzimatik. Ketika kekeringan terjadi maka dampak yang ditimbulkan adalah pertumbuhan batang tanaman terhambat karena metaboilisme senyawa pelindung akan menyesuaikan kondisi osmotik. Pengaruh lain yang diakibatkan yaitu terhentinya pertumbuhan meristem akar, menurunkan aktifitas fotosintesis, menurunnya konduktansi stomata karena asimilasi CO².

Cekaman kekeringan juga akan mengaktifkan komponen enzimatik dan non-enzimatik. Komponen enzimatik antara lain Catalase dan Ascorbate Peroxidase. Komponen non-enzimatik antara lain flavonoid, fenolik, glutation, askorbat, dan karotenoid. Gangguan lain yang diakibatkan oleh cekaman kekeringan yaitu Reactive Oxygen Species (ROS) merupakan bagian dari gangguan metabolisme seluler pada tanaman yang dapat menginduksi stress oksidatif pada tanaman. Kelebihan produksi ROS seperti hidrogen peroksida (H₂O₂), radikal hidroksil (OH^-), dan anion superoksida (O²⁻) radikal di bawah kondisi kekeringan secara langsung yang akan menyerang lipid membran dan meningkatkan peroksidasi lipid, sehingga merusak sel tanaman (gambar 1.).

Gambar 1. Pengaruh cekaman kekeringan pada gandum (Triticum aestivum L.) yang sensitif dan toleran  (Wahab et al. 2022)

Respon Hormonal

Kerusakan sel tanaman akibat peningkatan produksi ROS sangat erat kaitanya dengan respon hormon, salah satunya ABA (abcisic acid) yang dapat meningkatkan ekspresi berbagai gen jaringan ROS seperti APX, GR, CAT, dan sitosol Cu/Zn SOD di bawah tekanan kekeringan (gambar 1.). Peningkatan konsentrasi ABA yang terus menerus akan memicu perubahan ekspresi gen yang menghentikan pertumbuhan akar dan menghentikan pertumbuahan tunas, penuaan tanaman lebih cepat dan regulasi pergerakan stomata, karena didukung oleh dampak dari penurunan konsentrasi kadar hormon Auksin, Giberilin dan Zeatin endogen. Aristya et al. (2014) mengatakan bahwa CmBG1 merupakan salah satu gen peregulasi dengan hormon ABA pada Cucumis melo yang terakumulasi saat tumbuhan tercekam kekeringan. Ekspresi gen yang terjadi selama akhir fase pematangan. Peningkatan ekspresi gen CmBG1 berpengaruh pada akumulasi peningkatan ABA, sehingga memicu tanaman untuk menjaga kadar air tetap optimum dengan melakukan regulasi stomatal aperture. Diketahui juga bahwa kondisi stress air pada tanaman terbukti meningkatkan ekspresi gen CmBG1 serta penurunan konsentrasi hormon Auksin seperti IAA (Indole-3-acetic acid). Kobashi et al. (2000) mengamati stres karena kekurangan air terhadap buah persik (Prunus persica), diperoleh kandungan ABA mengalami peningkatan, sehingga menginduksi akumulasi gula dengan memicu metabolisme sorbitol. Hummel et al. (2010) juga melakukan analisis ekspresi gen dari Arabidopsis yang tumbuh dalam kondisi defisit air, kemudian hasilnya menunjukkan ekspresi berlebih dari gen. 

Gula juga sangat erat kaitanya dengan pensinyalan ABA daripada pensinyalan auksin dan etilen. ABA dapat mengurangi produksi etilen dan menghambatan penuaan serta absisi. Glukosa juga dapat bertindak sebagai molekul pensinyalan dalam menurunkan regulasi gen produksi etilen. Hubungan antara ABA, sukrosa dan pati dapat menyebabkan amplifikasi sinyal hormon, yang dapat memodulasi ekspresi dan aktivitas invertase serta sukrosa sintase, sehingga sensitivitas stomata terhadap ABA kemungkinan akan dipengaruhi oleh translokasi gula melalui xylem. Penandaan gula dan hormonal memainkan peran penting dalam penuaan daun yang diinduksi oleh cekaman kekeringan.

Jaringan pembuluh daun tampaknya berkontribusi besar terhadap akumulasi ABA sebagai respons akibat kekeringan. Namun, bukan berarti bahwa jaringan ini adalah satu-satunya sumber ABA. Misalnya, sel penjaga itu sendiri secara mandiri mendukung Sintesis ABA yang diperlukan untuk respons stomata terhadap status air dalam daun. Penutupan stomata yang diakibatkan oleh ABA sangat cepat dan terkadang hanya terjadi beberapa detik, sehingga penting diketahui bahwa regulasi transkripsi yang dimediasi oleh ABA didalam sel penjaga merupakan bagian dari regulasi terbukanya stomata. Reseptor ABA yang bertanggungjawab untuk menutupnya stomata (PYR/PYL/PCAR) yang merupakan protein larut, sehingga ABA di sintesis dalam jaringan vascular kemudian diangkut ke sel penjaga, hal ini sangat diperlukan ABA untuk tindakan menutupnya stomata. Diketahui dalam bahwa, penutupan stomata yang terjadi akan menghambat proses pertukaran CO2 dan O2, sehingga mendukung pembentukan reactive oxygen species (ROS). Dua pengangkut ATP-binding cassette transporters (ABC transporters) seperti AtABCG25 and AtABCG40 sebagai pengangkut yang melibatkan sensitivitas ABA. Masing-masing menunjukan aktivitas ekspor dan impor ABA. Diagram skematik ini menunjukkan penampang akar dan daun, termasuk tiga kemungkinan tempat biosintesis ABA: akar (jaringan pembuluh), jaringan pembuluh daun, dan sel penjaga. Jaringan dan sel yang mengekspresikan transporter ABA berwarna kuning. Panah biru menunjukkan transpor ABA transmembran yang dimediasi oleh pengangkut. Ungu menunjukkan kemungkinan pergerakan ABA melalui xilem dan floem (Gambar 2.).

Gambar 2. Transportasi, fungsi ABA dan respon tanaman terhadap stress akibat cekaman kekeringan (Kuromori et al. 2018).

ABA yang disintesis dalam suatu tanaman sebagian besar bergantung pada jaringan vaskular, karena jaringan vaskular memiliki peran penting dalam mendistribusikan ABA ke seluruh tubuh tanaman untuk mentolerir cekaman air dengan mengatur proses fisiologis di luar induksi langsung menutupnya stomata. Selain ABA, Auksin dan sitokinin dalam konsentrasi fisiologis rendah di bawah Cekaman kekeringan mendorong pembukaan stomata, sementara pada konsentrasi tinggi menyebabkan penutupan stomata. Diketahui dalam bahwa, penutupan stomata yang terjadi akan menghambat proses pertukaran CO2 dan O2, sehingga mendukung pembentukan reactive oxygen species (ROS).

Pengeluaran proton dari sel penjaga menyebabkan pergerakan K⁺ ke dalam karena hiperpolarisasi membran. Keluarnya ion K+ menyebabkan pembukaan stomata ketika auksin hadir dalam jumlah yang lebih rendah. Konsentrasi tinggi auksin mengakibatkan kondisi K+ habis dan menghambat gerakan ke dalam secara bersamaan, sehingga mengakibatkan menutupnya stomata. Sitokinin berpartisipasi dalam interaksi silang dengan ABA untuk memodulasi respons kekeringan, disisi lain Kondisi kekurangan air juga dapat menurunkan produksi dan transportasi sitokinin di daerah akar tanaman yang menyebabkan penutupan stomata, sedangkan sitokinin dan auksin sebagian besar dapat berperan dalam menghambat menutupnya stomata yang diinduksi ABA pada tanaman, namun tidak semua varietas tanaman. ABA dapat mempengaruhi konduktansi hidrolik akar dengan mengatur aktivitas aquaporin. Peningkatan permeabilitas air sangat diperlukuan supaya penyerapan air dapat lebih efisien dalam fase defisit air, namun Ketika defisit berkepanjangan, permeabilitas yang tinggi dapat mengakibatkan kehilangan air dari jaringan akar. Kondisi-kondisi diatas merupakan mekanisme-mekanisme yang terjadi dalam akumulasi hormon pada saat kondisi cekaman berlangsung, Ketika Tanaman dehidrasi mengakumulasi ABA untuk mengatur penutupan stomata untuk mencegah kehilangan air dari tubuh tanaman, sehingga Enzim biosintesis ABA, sangat diekspresikan dalam pembuluh darah daun yang dehidrasi. Oleh sebab itu, Tekanan hidraulik yang dihasilkan oleh hilangnya turgor di akar merupakan sinyal penting untuk mengaktifkan biosintesis ABA di daun.

Respon Gen

Transfer gen dengan bantuan Agrobacterium tumefaciens yang memiliki kemampuan secara biologis dalam mentransfer bagian DNA tertentu (T-DNA) dari plasmid Ti (tumor inducing) ke dalam sel tanaman yang kemudian berintegrasi ke genom tanaman target. Teknik ini pada umumnya sudah terbukti efektif dan memiliki kestabilan gen yang optimal, spesifik serta melibatkan kultur jaringan sebagai metode perbanyakannya. Minarsih et al. (2015) melakukan rekayasan dengan memasukan gen P5CS pada tanaman tebu yang berperan dalam biosintesis prolin sebagai senyawa osmoprotektan yaitu senyawa yang berakumulasi saat tanaman mengalami cekaman kekeringan. Gen lain yang dapat berakumulasi dengan sangat baik seperti gen Enhanced Respose to ABA1 (ERA1) pada Oriza sativa yang berperan dalam meningkatkan sel penjaga pada stomata terhadap hormon ABA,  Gen oshox6 termasuk dalam HD-Zip I yang diinduksi pada tanaman Padi Gogo responsif terhadap kekeringan, regulasinya meningkat ketika ada cekaman kekeringan (Santoso et al. 2018; Mulyaningsih et al. 2010).

Beberapa kelompok gen yang responsive terhadap kekeringan terdiri dari gen mengkode protein dan berkontribusi terhadap toleransi stress karena dapat mringankan kerusakan sel yang disebabkan oleh defisit air. Beberapa molekul yang termasuk enzim dalam biosintesis osmolit seperti prolin (Pro), gula, pendamping dan protein kejut panas (heat shock proteins /HSPs), protein (late embryogenesis abundant / LEA), enzim antioksidan (Gambar 3.). Todaka et al. (2018) mengatakan Berdasarkan fungsi proteinnya, gen yang responsif terhadap kekeringan dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu gen yang mengkode protein yang terlibat langsung dalam toleransi stres dan gen yang mengkode protein yang diperlukan untuk sinyal stress. 

Gambar 3. Fungsi molekul yang dihasilkan oleh respon gen terhadap kekeringan yang mengkode protein, terlibat langsung dalam toleransi stres. Produknya termasuk prolin, LEA, RFO, HSP, pendamping, dan enzim antioksidan (Todaka et al. 2018).

Referensi:

Pharmawati, M., Wirasiti, Ni N., Luh Putu Wrasiati, Luh P. 2017.Morphological Responses and Aquaporin Gene Expression in Rice Ir64 Under Drought Stress at The Reproductive Stage). Jurnal Bios Logos, 7 (2)

Aristya, G. R., Daryono, B. S., Rachmawati, Y. 2014. Cmbg1 Gene Characters Of Cucumis Melo in Respond to Karsts Critical Land. Sains dan Matematika, 3 (1)

Minarsih, H., Pambudi, J., Putranto, R. A. 2020. Co-Expression Analysis of Dehydrin Upstream Regulatory Genes on Sugarcane (Saccharum Officinarum L.) Under Drought Stress Condition. Menara Perkebunan, 88 (2) : 141-150

Koch, K. E.1996. Carbohydrate-Modulated Gene Expression in Plants. Plant Molecular Biology, 47 : 509–40

Todaka, D., Takahashi, F., Yamaguchi-Shinozaki, K., Shinozaki, K. 2019. Aba-Responsive Gene Expression In Response To Drought Stress: Cellular Regulation and Long-Distance Signaling. Advances in Botanical Research, 92: 83-113

Minarsih, H., Subiyarti, D., Riyadi, I., Putra, S. M.,  Ambarsari, L. 2015. Evaluation of Varieties, Explant Sources, and Agrobacterium Strains For Successful Sugarcane Transformation Using P5cs Gene. Menara Perkebunan, 83 (1) : 1-9

Santoso, T. J.,  Apriana, A., Sisharmini, A., Trijatmiko, K. R. 2018. Construction and Transformation of Osera1 Gene Into Expression Vector and Response of Nipponbare-Osera1 Transgenic Rice to Drought Stress. Jurnal Agrobiogen 14 (1) : 23–36

Mulyaningsih, E. S., Aswidinnoor, H., Sopandie, D.,  Pieter Bf Ouwerkerv, P. B., Loedin, I. H. S. 2010. Segregation Of Hpt Gene By Pcr Analysis and Its Expression in Transgenic Rice Population Overexpressing Hd-Zip Oshox6 Gene. Berita Biologi, 10(1)

Kaur, R., Bhardwaj, R., Sharma, R., Kapoor, D., Kohli, S., Kumar, V., Kaur, P. 2016. Hormonal Regulation of Drought Stress In Plants. Water Stress and Crop Plants: A Sustainable Approach, 2

Wahab, A.,  Abdi, G., Saleem, M. H., Ali, B., Ullah, S., Shah, W., Mumtaz, S., Yasin, G., Muresan, C. C., Romina Marc, A. 2022. Plants’ Physio-Biochemical and Phyto-Hormonal Responses to Alleviate The Adverse Effects of Drought Stress: A Comprehensive Review. Plants, 11 (13) 1620

Lorence, A., &  Verpoorte, R. 2004. Gene Transfer and Expression in Plants. Methods in Molecular Biology, 267

Kuromori, T., Seo, M., Shinozaki, K. 2018. Aba Transport and Plant Water Stress Responses. Trends in Plant Science, 23 (6) : 513-522