1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Klasifikasi dan Morfologi Kedelai Edamame

Tanaman kedelai dikenal dengan beberapa nama botani Glycine soja dan

Soja max. Kedelai termasuk dalam kingdom Plantae, divisi Spermatophyta, sub-

divisi Angiospermae, kelas Dicotyledoneae, ordo Rosales, famili Leguminosae,

sub-famili Papilionaceae, genus Glycine, spesies Glycine max (L.) Merr.

(Adisarwanto, 2005). Berbagai varietas edamame yang pernah dikembangkan di

Indonesia antara lain Ocunami, Tsuronoko, Tsurumidori, Taiso dan Ryokko.

Warna bunga varietas Ryokko adalah putih, sedangkan varietas yang lainnya

ungu. Saat ini varietas yang dikembangkan untuk produk edamame beku adalah

Ryokko asal Jepang dan R 75 asal Taiwan (Sumarno, 2011).

Kedelai edamame dikonsumsi secara langsung dengan merebusnya

terlebih dahulu. Kedelai edamame memiliki rasa yang gurih dan tekstur biji yang

lembut serta lebih cepat matang saat direbus, sehingga warna hijau polongnya

masih dapat dipertahankan (Cheng, 1991; Konovsky et al., 1994).

Perbedaan utama kedelai edamame dengan kedelai biasa secara morfologi

adalah pada ukurannya. Kedelai edamame relatif lebih besar jika dibandingkan

dengan kedelai biasa. Selain itu kedelai edamame memiliki kandungan gizi yang

berbeda terutama kandungan kadar asam fitat lebih tinggi sehingga lebih halus

dan lebih mudah dimasak. Kandungan gizi dalam 100 g kedelai edamame terdapat

582 kkal, protein 11,4 g, karbohidrat 7,4 g, lemak 6,6 g, vitamin A atau karotin

100 mg, B1 0,27 mg, B2 0,14 mg, B3 1 mg, dan 27% vitamin C, serta mineral

10

2

seperti fosfor 140 mg, kalsium 70 mg, besi 1,7 mg, dan kalium 140 mg (Johnson

et al., 1999, Nguyen, 2001; Comlekcioglu dan Simsek, 2011). Kedelai edamame

memiliki ukuran biji jauh lebih besar dari kedelai biasa, bobot 100 biji mencapai

30 g, jumlah biji per polong lebih dari 2, warna bulu abu-abu, tekstur biji dan

polong lembut, dan potensi hasil polong segar sekitar 7-10 ton/ha

(Shanmugasundaram dan Yan, 2004).

Edamame merupakan tanaman semusim, tumbuh tegak, daun lebat,

dengan beragam morfologi. Tinggi tanaman edamame berkisar antara 30 sampai

lebih dari 50 cm, bercabang sedikit atau banyak, bergantung pada varietas dan

lingkungan hidupnya. Tanaman kedelai memiliki daun majemuk yang terdiri atas

tiga helai anak daun (trifoliolat) dan umumnya berwarna hijau muda atau hijau

kekuning-kuningan (Irwan, 2006). Bentuk daun kedelai ada yang bulat (oval) dan

lancip (lanceolate). Kedua bentuk daun tersebut dipengaruhi oleh faktor genetik

(Andrianto dan Indarto, 2004). Daun pertama yang keluar dari buku sebelah atas

kotiledon berupa daun tunggal yang letaknya berseberangan (anifoliolat). Daun-

daun yang terbentuk kemudian adalah daun-daun trifoliolat (Sumarno, 2011).

Tanaman kedelai memiliki sistem perakaran tunggang, yang bercabang

membentuk akar sekunder. Selain itu kedelai juga seringkali membentuk akar

adventif yang tumbuh dari bagian bawah hipokotil (Andrianto dan Indarto, 2004).

Pertumbuhan batang kedelai memiliki dua tipe yaitu determinate dan

indeterminate. Perbedaan sistem pertumbuhan batang ini didasarkan atas

keberadaan bunga pada pucuk batang. Pertumbuhan batang tipe determinate

dicirikan dengan tidak tumbuhnya lagi batang setelah tanaman mulai berbunga,

3

sedangkan tipe indeterminate dicirikan dengan masih tumbuhnya batang dan daun

setelah tanaman berbunga (Adisarwanto, 2005). Selain itu terdapat varietas

tanaman kedelai hasil persilangan yang mempunyai tipe batang yang mirip

keduanya sehingga dikategorikan sebagai semi-determinate atau semi-

indeterminate (Irwan, 2006).

Kedelai berbunga sempurna yaitu memiliki benang sari dan putik dalam

satu bunga. Mahkota bunga akan rontok sebelum membentuk polong (Rukmana

dan Yuniarsih, 1996). Bunga kedelai menyerupai kupu-kupu, berwarna putih atau

ungu. Tangkai bunga umumnya tumbuh dari ketiak daun. Jumlah bunga pada

setiap ketiak daun beragam antara 2-25 bunga bergantung pada kondisi

lingkungan tumbuh dan varietas. Bunga kedelai pertama pada umumnya terbentuk

pada buku ke lima, ke enam, atau pada buku yang lebih tinggi. Periode berbunga

pada tanaman kedelai cukup lama yaitu 3-5 minggu untuk daerah subtropik dan 2-

3 minggu di daerah tropik. Tanaman kedelai di Indonesia mulai berbunga pada

umur 30-50 hari setelah tanam (Fahrudin, 2000).

Budidaya kedelai edamame tidak jauh berbeda dengan budidaya kedelai

biasa, karena kedelai edamame dipanen lebih awal, yaitu ketika polong sudah

berisi penuh, sehingga tidak memerlukan pengeringan brangkasan dan pembijian.

Kedelai edamame lebih cocok tumbuh di dataran sedang hingga tinggi. Varietas

tertentu dapat tumbuh dan berproduksi di dataran rendah. Kedelai edamame

memerlukan takaran pupuk relatif lebih tinggi dari kedelai biasa, yaitu 100-150 kg

urea, 100-150 kg SP-36, dan 100-125 kg KCl (Asadi, 2009). Pupuk urea diberikan

dalam 3 tahap yaitu: pertama, saat tanam; kedua, saat berbunga; dan ketiga, saat

4

pengisian polong. Pupuk KCl diberikan dalam dua tahap yaitu: dua per tiga saat

tanam dan sepertiganya saat berbunga, sedangkan pupuk SP-36 diberikan

seluruhnya pada saat tanam.

Kedelai edamame dapat dipanen pertama kali saat berumur 45 hari,

tergantung varietasnya. Tahap pertumbuhan reproduktif kedelai secara

keseluruhan terdiri atas delapan tahap (R1-R8). Tahap R1 ditandai dengan

munculnya bunga pertama, kemudian pada tahap R2 muncul bunga pada dua buku

teratas. Sedangkan tahap R3 dan R4 merupakan tahap pembentukan dan

perkembangan polong pada empat buku teratas yang dilanjutkan dengan tahap

perkembangan biji yang mengisi sampai separuh bagian ruang polong (R5), dan

biji memenuhi ruang polong (R6). Tahapan R7 dan R8 merupakan tahap

pematangan polong dan biji (Handayani dan Hidayat, 2012).

Kualitas kedelai edamame ditentukan oleh rasa, tingkat kemanisan, aroma,

tekstur, bau langu (beany flavor), dan rasa pahit (Johnson et al., 1999). Rasa

manis disebabkan oleh kandungan sukrosa, glukosa, fruktosa, dan raffinosa

(Suwan, 2015). Sedangkan rasa enak atau gurih disebabkan oleh kandungan asam

amino seperti asam glutamat. Bau langu berasal dari oksidasi asam linolenik oleh

enzim lipoksigenase, sedangkan rasa pahit oleh kandungan enzim lipoksigenase

sendiri (Masuda, 1991). Kedelai edamame paling banyak dikonsumsi oleh

penduduk Jepang, disusul oleh Korea, Cina, dan Taiwan. Secara komersial kedelai

edamame juga telah berkembang di berbagai negara seperti Argentina, Australia,

Israel, Mongolia, New Zeland, dan Thailand. Secara non komersial juga sudah

berkembang di Malaysia, Nepal, Filipina, dan Srilangka (Wang et al., 1979). Di

5

Indonesia kedelai rebus sudah cukup lama dikenal dan dikonsumsi. Kedelai yang

disukai adalah varietas kedelai berbiji agak besar seperti Orba, Tambora, dan

Galunggung, namun jumlah dan pasarnya masih terbatas. Di dataran tinggi

Cipanas Jawa Barat kedelai edamame sudah mulai berkembang.

2.2 Rizobakteri yang Menghasilkan IAA

Pertumbuhan tanaman sangat dipengaruhi oleh faktor eksternal dan

internal pada tanaman (Decoteau, 1998; Milovanovic et al., 2011). Faktor

eksternal pada tanaman adalah nutrisi dan lingkungan, sedangkan faktor internal

pada tanaman adalah genetik dan hormon (Salisbury dan Ross, 1995). Secara

alamiah tanaman sudah mengandung hormon pertumbuhan seperti indole asam

asetat atau IAA. IAA endogen tanaman berada pada jaringan meristem yaitu

jaringan yang aktif tumbuh seperti ujung tunas atau tajuk dan akar (Davies et al.,

1999). Sedangkan IAA eksogen adalah hormon yang dimanfaatkan tanaman yang

berasal dari luar sistem metabolisme tanaman. Bakteri dapat menghasilkan IAA

yang dapat dimanfaatkan oleh tanaman untuk proses pertumbuhan dan

perkembangan tanaman (Dewi, 2008). Bakteri yang hidup di rizosfer dikenal

dengan istilah rizobakteri. Rizobakteri adalah bakteri yang dapat ditemukan pada

rizosfer tanaman, di permukaan akar atau berasosiasi dengan akar berbagai jenis

tanaman.

Beberapa peneliti melaporkan bahwa rizobakteri yang dapat menghasilkan

IAA dapat digunakan sebagai biostimulan untuk meningkatkan pertumbuhan dan

hasil tanaman. Ahmad et al. (2004) melaporkan bahwa Azotobacter isolat AZS1

6

yang menghasilkan IAA sebesar 7,4 mg/ml pada media Nutrient Broth (NB) tanpa

penambahan L- tryptophan dapat meningkatkan panjang akar tanaman Sesbania

aculeate sebesar 9,31% jika dibandingkan dengan kontrol. Sharma dan Rai (2015)

melaporkan bahwa rizobakteri isolat P19 yang menghasilkan IAA sebesar 50,25

µg/ml pada media dengan penambahan L - tryptopan dapat meningkatkan bobot

kering tanaman tomat sebesar 16,67% jika dibandingkan dengan kontrol. Reetha

et al. (2014) melaporkan bahwa Bacillus subtilis yang menghasilkan IAA 12,67

µg/ml pada media Nutrient Broth dapat meningkatkan bobot kering akar tanaman

bawang merah sebesar 15,47% jika dibandingkan dengan kontrol. Abaid et al.

(2015) melaporkan bahwa rizobakteri Serratia liquefaciens FA-2 yang

menghasilkan IAA 4,2 µg/ml pada media dengan penambahan L- tryptopan dapat

meningkatkan biomassa tanaman gandum sebesar 14,74% jika dibandingkan

dengan kontrol. Sivasankari et al. (2014) melaporkan bahwa penambahan 1

mg/ml L- tryptophan pada 5 ml media dapat meningkatkan kemampuan Bacillus

cereus dalam meningkatkan panjang tajuk dan akar tanaman Vigna unguiculata,

peningkatan panjang tajuk dan akar tanaman V. unguiculata sebesar 23,8% dan

26,5% jika dibandingkan dengan perlakuan 5 ml media tanpa penambahan L-

tryptopan. Patten dan Glick (2002a) melaporkan bahwa perlakuan Pseudomonas

putida GR12-2 wild type yang menghasilkan IAA 14,5 µg/ml pada media Tryptic

Soy Broth (TSB) dengan penambahan 50 µg/ml L- tryptophan dapat

meningkatkan jumlah akar tanaman kacang hijau sebesar 198,53% jika

dibandingkan dengan kontrol. Apastambh (2014) melaporkan bahwa perlakuan

Pseudomonas fluorescens isolat Yps25 yang menghasilkan IAA 28,4 µg/ml dapat

7

meningkatkan panjang tajuk dan panjang akar sebesar 88% dan 113,33% jika

dibandingkan dengan kontrol. Gravel et al. (2007) melaporkan bahwa P. putida B

strain 1 yang menghasilkan IAA 23,4 µg/ml dengan penambahan tryptamine

dapat meningkatkan kandungan nitrogen pada daun tanaman tomat sebesar 5.72%

jika dibandingkan dengan kontrol. Ramezanpour et al. (2010) melaporkan bahwa

bakteri isolat MZ26 yang menghasilkan IAA 86,1 mg/l dapat meningkatkan

kandungan nitrogen pada daun dan biji tanaman padi sebesar 55% dan 13,42%

jika dibandingkan dengan kontrol. Cassan et al. (2009) melaporkan bahwa

Azospirillum brasilense Az39 yang menghasilkan IAA 13,16 µg/ml dapat

memacu perkecambahan biji dan pembentukan bintil akar tanaman kedelai.

1.3 Mekanisme Kerja IAA dalam Memacu Pertumbuhan dan Hasil Tanaman

Mekanisme IAA dalam memacu pertumbuhan dan meningkatkan hasil

tanaman berdasarkan hipotesis pertumbuhan asam (Abel et al., 1994; Abel dan

Theologis, 2010; Rechenmann, 2010; Kotake et al., 2000; Rayle dan Cleland,

1992; Tepfer dan Cleland, 1979; Didonet dan Magalhaes, 1993). Dalam teori ini,

IAA diikat oleh protein reseptor ABP1 yang berikatan dengan protein CBP1 yang

berada di membran plasma. Adanya ikatan komplek IAA dan protein ABP1 dan

CBP1 akan mengaktifkan ATPase pompa proton. ATPase pompa proton berada

di membran sel tanaman dan berfungsi mengeluarkan H+ dari sitoplasma menuju

dinding sel. IAA akan meningkatkan kerja ATPase pompa proton sehingga

banyak H+ yang keluar dari sitoplasma menuju dinding sel. Konsentrasi H

+ yang

meningkat menyebabkan pH dinding sel menurun atau bertambah asam. Kondisi

8

asam pada dinding sel akan mengaktifkan enzim ekspansin dan xyloglucan

endotransglycosylase atau hidrolase (XTH). Enzim ekspansin dan xyloglucan

endotransglycosylase akan melonggarkan dinding sel dengan cara memutus ikatan

hidrogen pada ikatan silang mikrofibril (serat selulosa, hemiselulosa, dan pektin).

Ikatan silang yang terputus menyebabkan dinding sel menjadi lebih kendur dan

lunak. Aktivasi ATPase juga dapat menginduksi hiperpolarisasi membran plasma

dan mengaktifkan K+ yang berada di saluran membran plasma. Hal tersebut akan

menyebabkan masuknya ion ke dalam sel sehingga meningkatkan konsentrasi ion

di dalam sel. Konsentrasi ion yang meningkat akan mempengaruhi masuknya air

ke dalam sel secara osmosis. Masuknya air ke dalam sel menyebabkan tekanan

turgor sel meningkat. Tekanan yang meningkat dan didukung dengan dinding sel

yang kendur akan menyebabkan terjadinya pemanjangan sel (Gambar 2.1).

Peristiwa pemanjangan sel terutama terjadi di daerah pemanjangan sel di ujung

batang dan ujung akar.

Gambar 2.1.

Hipotesis pertumbuhan asam (sumber: Rechenmann, 2010)

9

Mekanisme IAA dalam memacu pertumbuhan dan meningkatkan hasil

tanaman berdasarkan hipotesis aktivasi gen (Abel dan Theologis, 2010; Guilfoyle

et al., 1998; Rechenmann, 2010; Weijers et al., 2005; Bianco dan Kepinski, 2011;

Kotake et al., 2000; Kepinski dan Leyser, 2002; Guilfoyle, 1995). Dalam teori ini,

IAA berikatan dengan protein penerima (reseptor) yang disebut protein transport

inhibitor response 1 (TIR1). TIR1 berinteraksi dengan protein cullin, protein S-

phase kinase, dan protein RBX1 membentuk ligase tipe ubiquitin SCF (SCF TIR1

).

IAA berikatan dengan SCF TIR1

dan menstimulasi SCF TIR1

untuk berikatan dengan

protein Aux/IAA inhibitor yang telah berikatan dengan Auxin- activated

Transcription Factor (ARFs). Dengan adanya IAA, maka protein Aux/IAA

inhibitor terlepas dan akan didegradasi oleh ATP dependent protease 26S

proteosom (Petrasek dan Friml, 2009; Worley et al., 2000; Dharmasiri dan

Estelle, 2002; Reed, 2001). Sedangkan Auxin- activated transcription factor akan

bergerak menuju Auxin - dependent promoter untuk memulai terjadinya proses

transkripsi gen target atau Auxin – regulated gene (Chapman dan Estelle, 2009;

Dharmasiri dan Estelle, 2002; Dharmasiri dan Estelle, 2004; Weijers et al., 2005;

Gray et al., 2001; Ulmasov et al., 1999) (Gambar 2.2). IAA meningkatkan

transkripsi DNA menjadi mRNA, mRNA keluar dari inti ke sitosol dan

ditranslasikan di ribosom untuk sintesis protein. Adanya peningkatan sintesis

protein untuk membentuk enzim-enzim baru dan mengaktifkan enzim-enzim

tertentu melalui jalur biokimia yang spesifik dapat mempengaruhi proses

metabolisme tanaman. Sarkissian (1970) melaporkan bahwa IAA dapat

mengaktifkan enzim citrate synthase. Enzim citrate synthase merupakan enzim

10

kunci dalam daur siklus Krebs, enzim ini menggabungkan molekul asetil-CoA

dengan oksaloasetat membentuk asam sitrat. Bianco et al. (2006a) melaporkan

bahwa enzim-enzim yang terlibat dalam metabolisme energi melalui daur siklus

Krebs pada Escherichia coli dapat diaktifkan oleh IAA. IAA mengaktifkan gen

gltA, sdhB, dan sucA yang bertanggung jawab dalam pembentukan enzim citrate

synthase, succinate dehydrogenase, dan 2-oxoglutarate dehydrogenase.

Peningkatan metabolisme tanaman dapat meningkatkan pertumbuhan tanaman

atau berat kering tanaman yang nantinya dapat meningkatkan hasil tanaman

(Salisbury dan Ross, 1995). Berat kering tanaman merupakan parameter yang

sering digunakan untuk menunjukkan hasil metabolisme dalam tubuh tanaman

tanpa adanya pengaruh kadar air dalam sel.

Gambar 2.2

Hipotesis aktivasi gen (sumber: Petrasek dan Friml, 2009)

Beberapa peneliti melaporkan bahwa IAA dapat mengatur ekpresi gen

pada tanaman. Tian dan Reed (1999) melaporkan bahwa IAA dapat mengontrol

perkembangan akar tanaman Arabidopsis thaliana dengan cara mengaktifkan gen

SHY/IAA3 yang bertanggung jawab dalam pertumbuhan akar dan pembentukan

akar lateral. Krizek (2011) melaporkan bahwa IAA mengatur perkembangan

11

bunga A. thaliana dengan cara mengaktifkan gen AIL/PLT yang bertanggung

jawab dalam inisiasi pembentukan organ bunga. Sundberg dan Ostergaard (2009)

melaporkan bahwa IAA mengatur pertumbuhan organ bunga dengan cara

mengaktifkan gen YUC2 dan YUC6 yang bertanggung jawab dalam pembentukan

serbuk sari. Hu et al. (2003) melaporkan bahwa IAA mengatur ukuran organ

tanaman dengan cara mengaktifkan gen ARGOS yang bertanggung jawab dalam

pertumbuhan sel dan proliferasi sel. Catala et al. (2000) melaporkan bahwa IAA

dapat meningkatkan ukuran sel pada buah tomat dengan cara mengaktifkan gen

LeEp2, LeEXT1, dan Cel7 yang bertanggung jawab dalam pembentukan enzim

ekspansin, xyloglucan endotransglycosylase, dan 1,4-β- glucanase. Enzim- enzim

tersebut berfungsi untuk melonggarkan dinding sel dengan cara memutus ikatan

hidrogen pada ikatan silang mikrofibril sehingga akan terjadi pemanjangan sel

selama pertumbuhan buah tomat. Nagpal et al. (2005) melaporkan bahwa IAA

mengatur ekspresi gen ARF6 dan ARF8 yang bertanggung jawab dalam

pemasakan benang sari dan putik pada bunga A. thaliana. Peng dan Chen (2011)

melaporkan bahwa IAA mengatur ekspresi gen MtPIN10, SGL1, dan MtCUC2

yang bertanggung jawab dalam perkembangan daun dan bunga. Borisov et al.

(2003) melaporkan bahwa IAA mengatur ekspresi gen LjNin yang bertanggung

jawab dalam memulai organogenesis bintil akar tanaman kacang. Kobayashi et al.

(2012) melaporkan bahwa IAA menekan ekspresi gen LONGHYPOCOTYL5

(HY5) di akar tanaman A. thaliana. Gen HY5 bertanggung jawab dalam

pembentukan klorofil, sehingga akar tanaman tersebut tidak berwarwa hijau.

12

2.4 Biosintesis Indole Asam Asetat (IAA) dalam Tanaman dan Bakteri

Biosintesis IAA adalah suatu proses pembentukan IAA yang dikatalisis oleh

enzim yang terjadi dalam tanaman dan mikroorganisme. Proses biosintesis IAA

terjadi beberapa tahap, dimana produk dari satu tahap akan menjadi substrat bagi

tahap berikutnya. Proses biosintesis IAA dalam tanaman terjadi didalam jaringan

merismatik yang aktif yaitu tunas, daun muda dan buah yang sedang tumbuh

(Salisbury dan Ross, 1992). IAA disintesis dari asam amino tryptopan, dengan

hasil perantara sejumlah substansi yang secara alami mirip IAA seperti indole

acetonitrile, indole asam piruvat dan indole asetataldehyde. IAA merupakan salah

satu hormon tanaman yang dapat meningkatkan pembentukan DNA dan RNA

sehingga dapat meningkatkan pembentukan protein dan produksi enzim (Oneill

dan Scott, 1987; Sacher, 1968; Evans dan Ray, 1969). Mekanisme tanaman dalam

mensintesis IAA secara genetik belum sepenuhnya dimengerti (Normanly dan

Bartel, 1999), namun demikian para peneliti telah melaporkan bahwa terdapat dua

jalur utama untuk biosintesis IAA yaitu jalur biosintesis IAA yang tergantung

pada tersedianya tryptopan atau dependent Trytophan dan jalur biosintesis IAA

yang tidak tergantung pada tersedianya tryptopan atau independent Trytophan

(Gambar 2.3) (Wright et al., 1991; Normanly et al., 1997; Cohen et al., 2003;

Mano dan Nemato, 2012; Rozov et al., 2012).

Biosintesis IAA dalam jaringan tanaman yang tergantung pada tersedianya

tryptopan memiliki lima jalur yaitu (1) jalur indole asam piruvat, jalur indole asam

piruvat merupakan jalur biosintesis IAA yang paling umum dalam perubahan

asam amino tryptopan menjadi IAA. Dalam jalur ini, tryptopan diubah menjadi

13

indole asam piruvat oleh enzim tryptopan aminotransferase (Normanly dan Bartel,

1999; Gao dan Zhao, 2014). Pada tanaman Arabidobsis, enzim tryptopan amino

transferase dikode oleh gen TAA1 (Mano dan Nemato, 2012). Selanjutnya indole

asam piruvat diubah menjadi indole acetaldehyde oleh enzim indole-3-pyruvate

decarboxylase (Stepanova et al., 2011). Selanjutnya indole acetaldehyde diubah

menjadi IAA oleh enzim indole-3-acetaldehyde oxidase (Kriechbaumer dan

Glawischnig, 2005; Won et al., 2011; Gao dan Zhao, 2014). Zhao (2012) dan Dai

et al. (2013) melaporkan bahwa biosintesis IAA melalui jalur indole asam piruvat

juga dapat terjadi melalui perubahan tryptopan menjadi indole asam piruvat yang

dikatalisis oleh enzim tryptopan aminotransferase kemudian indole asam piruvat

diubah menjadi IAA oleh enzim flavin monooxygenase YUC; (2) jalur

tryptamine, dalam jalur ini tryptopan diubah menjadi tryptamine oleh enzim

tryptopan decarboxylase yang dikode oleh gen TDC. Tanaman yang terdeteksi

mengaktifkan gen TDC dalam biosintesis IAA adalah Catharanthus roseus,

Camptotheca acuminate, Ophiorrhiza pumila, dan Oryza sativa (Mano dan

Nemoto, 2012). Selanjutnya tryptamine diubah menjadi N-hydroxytryptamine

oleh flavin monooxygenase yang dikode oleh gen YUC atau YUCCA (Zhao et al.,

2001; Zhao, 2012; Yamamoto et al., 2007; Gao dan Zhao, 2014). Tanaman yang

terdeteksi mengaktifkan gen YUC adalah A. thaliana, Petunia hybrid, O. sativa,

Zea mays, Solanum lycopersicum, dan Pisum sativum (Mano dan Nemato, 2012).

Selanjutnya N-hydroxytryptamine diubah menjadi indole-3-acetaldoxime oleh

enzim yang belum teridentifikasi. Selanjutnya indole-3- acetaldoxime diubah

menjadi indole-3-acetonitrile oleh enzim cytochrome P450 monooxygenase

14

CYP71A13 (Nafisi et al., 2007; Zaitoon, 2014). Kemudian indole-3-acetonitrile

diubah menjadi IAA oleh enzim nitrilase (Park et al., 2003; Mano dan Nemoto,

2012). Beberapa peneliti melaporkan bahwa jalur tryptamine juga dapat melalui

perubahan tryptopan menjadi tryptamine yang dikatalisis oleh enzim tryptopan

decarboxylase kemudian tryptamine diubah menjadi indole acetaldehyde oleh

enzim amine oxidase. Selanjutnya indole acetaldehyde diubah menjadi IAA oleh

enzim indole-3-acetaldehyde oxidase atau enzim indole-3-acetaldehyde

dehydrogenase (Kriechbaumer dan Glawischnig, 2005; Clarke dan Mann, 1957;

Quittenden et al., 2009; Spaepen et al., 2007; Taiz dan Zeiger, 2010); (3) jalur

indole acetonitrile, dalam jalur ini tryptopan diubah menjadi indole-3-

acetaldoxime oleh cytochrome P450 monooxygenase CYP79B2/B3 (Sugawara et

al., 2009; Zhao et al., 2002; Zhao, 2012; Gao dan Zhao, 2014). Selanjutnya

indole-3-acetaldoxime diubah menjadi indole-3-acetonitrile oleh enzim

cytochrome P450 monooxygenase CYP71A13 (Nafisi et al., 2007; Zaitoon,

2015). Kemudian indole-3-acetonitrile diubah menjadi IAA oleh enzim nitrilase

(Taiz dan Zeiger, 2010). Tanaman yang terdeteksi melakukan biosintesis IAA

melalui jalur indole acetonitrile adalah A. thaliana dan Z. mays (Mano dan

Nemoto, 2012); (4) jalur indole glucosinolate, dalam jalur ini tryptopan diubah

menjadi indole-3-acetaldoxime oleh cytochrome P450 monooxygenase

CYP79B2/B3 (Sugawara et al., 2009; Zhao, 2012). Selanjutnya indole-3-

acetaldoxime diubah menjadi indole-3-S-alkylthiohydroximate oleh cytochrome

P450 monooxygenase Sur2-1. Selanjutnya indole-3-S-alkylthiohydroximate

diubah menjadi thiohydroximate oleh S-alkyl-thiohydroximate lyase Sur1-3

15

(Ljung et al., 2005). Selanjutnya thiohydroximate diubah menjadi indole

glucosinolate oleh enzim yang belum teridentifikasi. Selanjutnya indole

glucosinolate diubah menjadi IAA oleh enzim yang belum teridentifikasi. Jalur ini

terdeteksi pada spesies tanaman yang menghasilkan glucosinolate (Halkier dan

Gershenzon, 2006; Hirani et al., 2012) seperti tanaman dalam famili Brassicaceae,

Poaceae, dan Musaceae (Taiz dan Zeiger, 2010); (5) jalur acetamide, jalur ini

merupakan jalur yang umum ditemukan di biosintesis IAA pada bakteri. Namun,

Pollmann et al. (2009) melaporkan bahwa tanaman A. thaliana dapat melakukan

biosintesis IAA melalui jalur acetamide. Dalam jalur ini, tryptopan diubah

menjadi indole acetamide oleh enzim yang belum diketahui. Selanjutnya indole

acetamide diubah menjadi IAA oleh enzim IAA synthase.

Gambar 2.3

Diagram jalur biosintesis IAA (sumber: Mano dan Nemoto, 2012)

16

Biosintesis IAA dalam jaringan tanaman yang tidak tergantung pada

tersedianya tryptopan hanya memiliki satu jalur yaitu jalur indole glyserol

phosphate (Ouyang et al., 2000; Tao et al., 2008). Mekanisme tanaman dalam

mensintesis IAA dalam jalur glyserol phosphate belum sepenuhnya dimengerti,

namun demikian para peneliti telah melaporkan bahwa asam khorismat yang

merupakan produk biosintesis asam shikimat diubah menjadi anthranilat oleh

enzim anthranilate synthase (Herrmann, 1995; Tzin dan Galili, 2010; Zhao, 2010).

Tzin dan Galili (2010) melaporkan bahwa anthranilate diubah menjadi 5-

phosphor-β-D-ribosyl anthranilate oleh anthranilate phosphoribosyltransferase.

Radwanski dan Last (1995) melaporkan bahwa 5-phosphor -β-D-ribosyl

anthranilate diubah menjadi 1-(2- carboxyl- phenylamino)-1-deoxy-D-ribulose-5-

phosphate oleh enzim phosphoribosylanthranilate isomerase. Selanjutnya 1-(2-

carboxyl-phenylamino)-1-deoxy-D-ribulose-5-phosphate diubah menjadi indole-

3- glycerol phosphate oleh enzim indole-3-glycerol-phosphate synthase.

Selanjutnya indole-3- glycerol phosphate mengalami kehilangan gugus D-

glyceraldehyde 3-phosphate sehingga terbentuk indole. Selanjutnya indole

mengikat gugus pyridoxal-5-phosphate dan L- serine. Mano dan Nemoto (2012)

melaporkan bahwa ikatan senyawa indole pyridoxal-5-phosphate dan L- serine

akan menjadi IAA, namun demikian enzim dan jalur biosintesis IAA dari indole

pyridoxal-5-phosphate dan L- serine belum sepenuhnya dimengerti. Tanaman

yang terdeteksi melakukan biosintesis IAA yang tidak tergantung pada

tersedianya tryptopan adalah jagung (Ostin et al., 1999) dan Arabidopsis (Wang et

al., 2015).

17

Kemampuan tanaman dalam mensintesis IAA endogenous dipengaruhi

oleh beberapa faktor pembatas sehingga pertumbuhan tanaman tersebut kurang

optimal. Ketersediaan IAA eksogenous dibutuhkan tanaman untuk

mengoptimalkan pertumbuhannya. Salah satu IAA eksogenous adalah IAA yang

disintesis oleh rizobakteri. IAA yang disintesis oleh rizobakteri masuk kedalam

jaringan akar tanaman sehingga akan mengubah konsentrasi IAA endogenous di

organ akar. IAA eksogenous dapat digunakan untuk proses pemanjangan akar

primer, pembentukan akar lateral dan rambut akar (Leveau dan Lindow, 2005;

Okon dan Kapulnik, 1986).

Peran IAA bagi rizobakteri masih belum diketahui secara jelas, namun

dalam asosiasi dengan tanaman di lingkungan alaminya, IAA yang diproduksi

oleh rizobakteri mampu menstimulasi pertumbuhan dan perkembangan tanaman

(Spaepen et al., 2007). Talboys et al. (2014) melaporkan bahwa pertumbuhan dan

perkembangan tanaman tersebut memicu terjadinya eksudasi akar berupa senyawa

organik yang dapat dimanfaatkan bagi pertumbuhan rizobakteri. Rizobakteri

dalam mensintesis IAA sangat tergantung pada ketersediaan tryptopan (Martens

dan Frankenberger, 1993). Biosintesis IAA oleh rizobakteri dalam tanah dapat

dipacu dengan adanya tryptopan yang berasal dari eksudat akar (Arshad dan

Frankerberger, 1991). Idris et al. (2007) melaporkan bahwa rizobakteri Bacillus

amyloliquefaciens FZB42 dapat memacu pertumbuhan tanaman jika di rizosfer

tersedia tryptopan. Tryptopan dari eksudat akar diubah menjadi IAA oleh

rizobakteri dengan menggunakan tiga jalur yaitu jalur indole acetamide, indole

asam piruvat dan tryptamine.

18

Jalur indole acetamide, dalam jalur ini tryptopan diubah menjadi indole

acetamide oleh enzim tryptopan-2-monooxygenase yang dikode oleh gene

aux1/iaaM/tms1, kemudian indole acetamide diubah menjadi IAA oleh enzim

indole-3-acetamide hydrolase yang dikode oleh gen aux2/iaaH/tms2 (Mano dan

Nemoto, 2012). Jalur indole acetamide telah terdeteksi dalam beberapa spesies

bakteri misalnya, P. syringae pv. syringae (White dan Ziegler, 1991), B.

japonicum dan Rhizobium fredii (Sekine et al., 1989), A. brasilense (Prinsen et al.,

1993; Malhotra dan Srivastava, 2006), patogen tanaman A. tumefaciens dan P.

savastanoi (Yamada et al., 1985) dan Streptomyces spp. (Manulis et al., 1994).

Jalur indole asam piruvat merupakan jalur utama untuk biosintesis IAA

pada tanaman. Namun, gen yang berperan dalam jalur ini belum teridentifikasi

pada tanaman. Pada bakteri, produksi IAA melalui jalur indole asam piruvat telah

diketahui. Biosintesis IAA melalui jalur indole asam piruvat, tryptopan diubah

menjadi indole asam piruvat oleh enzim tryptopan deaminase, indole asam piruvat

kemudian diubah menjadi indole-3- acetaldehyde oleh enzim indole-3-pyruvat

decarboxylase. Selanjutnya indole-3- acetaldehyde diubah menjadi indole asam

asetat oleh indole-3- acetaldehyde dehydrogenase. Biosintesis IAA pada bakteri

melalui jalur indole asam piruvat yang dikatalisis oleh enzim indole-3-pyruvat

decarboxylase yang dikode oleh gen ipdC (Lopez et al., 2000). Bakteri

mengekspresikan gen ipdC untuk biosintesis IAA terjadi pada fase stasioner dan

diinduksi oleh adanya tryptopan yang ada di rizosfer (Ryu dan Patten, 2008;

Spaepen et al., 2007; Patten dan Glick, 2002b). Spaepen et al. (2007) melaporkan

bahwa Azospirillum mengekpresikan gen ipdC untuk biosintesis IAA terjadi pada

19

fase stasioner dan biosintesis IAA akan meningkat jika pH dalam media rendah.

Beberapa spesies bakteri telah diidentifikasi melakukan biosintesis IAA melalui

jalur indole asam piruvat misalnya A. brasilense (Zakharova et al., 1999), E.

cloacae, E. herbicola (Ryu dan Patten, 2008), P. fluorescens (Oberhansli et al.,

1991), Rhodococcus sp. BF1332 (Lee et al., 2012) dan Rhodococcus fascians

(Vandeputte et al., 2005).

Jalur tryptamine pada bakteri dimulai dengan proses dekarboksilasi

tryptophan menjadi tryptamine. Selanjutnya tryptamine secara langsung

dikonversi menjadi IAA oleh amine oxidase. Bakteri memiliki beberapa jalur

yang berbeda dalam mensintesis IAA dan strain bakteri mampu melakukan

sintesis IAA lebih dari satu jalur (Spaepen et al., 2007) seperti Azospirillum

dalam mensintesis IAA melalui jalur indole asam piruvat dan tryptamine

(Normanly et al., 1997; Spaepen et al., 2007) sedangkan E. herbicola pv.

gypsophilae dalam mensintesis IAA melaui jalur indole asam piruvat dan

acetamide (Manulis et al., 1998). Lee et al. (1988) melaporkan bahwa A.

brasilense mensintesis IAA melalui jalur indole asam piruvat dan acetamide, hal

ini ditunjukkan dengan terdeteksinya aktivitas tryptophan decarboxylase dan

tryptamine oxidase pada kultur A. lipoferum SK16. Manulis et al. (1998)

melaporkan bahwa E. herbicola pv. gypsophilae mensintesis IAA melalui jalur

indole asam piruvat dan acetamide, hal ini ditunjukkan dengan terdeteksinya

aktivitas tryptophan decarboxylase dan tryptophan-2- monooxygenase pada kultur

E. herbicola pv. gypsophilae.

20

2.5 Pola Transportasi Indole Asam Asetat (IAA) dalam Tanaman

Biosintesis IAA merupakan proses yang komplek yang terjadi dalam

tanaman. Biosintesis IAA terjadi dalam jaringan meristem di tajuk dan akar

(Ljung et al., 2005). IAA yang terbentuk, selanjutnya didistribusikan langsung ke

seluruh bagian tanaman untuk digunakan dalam proses pembelahan sel,

pemanjangan sel, pertumbuhan akar lateral, perkembangan daun dan bunga

(Davies, 1999). IAA yang didistribusikan ke seluruh bagian tanaman namun tidak

semua bagian tanaman mendapat bagian yang sama, bagian yang jauh dari ujung

akan mendapatkan IAA lebih sedikit. Pola transportasi IAA dalam tanaman terjadi

melalui dua jalur, yaitu jalur non polar dan polar (Petrasek dan Friml, 2009;

Zazimalova et al., 2007). Jalur transportasi IAA secara non polar terjadi melalui

floem. Michniewicz et al. (2007) melaporkan bahwa sistem transportasi IAA

secara non polar terjadi melalui floem dan berlangsung relatif cepat dengan

perpindahan molekul berlangsung selama 5 - 20 cm per jam. Pada sistem ini,

auksin bersama dengan metabolit lain seperti fotoasimilat ditransportasikan

melalui floem ke akar, daun yang sedang berkembang, dan jaringan lain kemudian

secara bertahap di distribusikan lebih spesifik melalui sistem polar (Ruiz et al.,

2001). Jalur transportasi IAA secara polar terjadi melalui sel ke sel dengan

perpindahan molekul berlangsung selama 5-20 mm per jam (Lomax et al., 1995).

Distribusi IAA endogenous dan eksogenous terjadi melalui jalur transportasi

secara polar (Michniewicz et al., 2007; Lomax et al., 1995).

Pola transportasi IAA secara polar memiliki dua tipe yaitu tipe transportasi

ke seluruh bagian tanaman (jarak jauh) dan tipe transportasi ke jaringan spesifik

21

(jarak dekat). Transportasi IAA antara sel satu dengan sel yang lain terjadi secara

pasif dan aktif. Arah transportasi IAA di tajuk terjadi secara basipetal (bergerak

dari jaringan apical tajuk ke akar) sedangkan arah transportasi IAA di akar terjadi

secara acropetal (bergerak dari ujung akar ke bagian atas akar) dan basipetal

(bergerak dari bagian atas akar menuju ke ujung akar) (Rashotte et al., 2001;

Lewis et al., 2007; Lewis dan Muday, 2009). IAA masuk ke dalam sel secara

pasif dengan cara berdifusi dalam bentuk molekul IAA yang tidak mengalami

protonasi pada gugus karboksilnya (IAAH). Sedangkan IAA yang mengalami

disosiasi (ion IAA-) masuk dan keluar sel secara aktif dibantu oleh protein

pembawa (carrier protein) (Gambar 2.4).

Gambar 2.4

Pola Transportasi IAA (sumber: Petrasek dan Friml, 2009)

Protein pembawa berfungsi untuk membawa masuk dan keluar IAA

dalam sel. Protein pembawa masuk (influx protein) berfungsi untuk memasukkan

IAA dari sel satu ke sel yang lain (Friml dan Palme, 2002). Protein pembawa

masuk yang telah diidentifikasi pada tanaman Arabidopsis adalah AUX1, LAX1,

LAX2, dan LAX3 (Parry et al., 2001; Petrasek dan Friml, 2009; Estelle, 1998).

22

Sedangkan protein pembawa masuk yang telah diidentifikasi pada tanaman

mentimun adalah CS-AUX1 (Kamada et al., 2003). Jones et al., (2009)

melaporkan bahwa aktivitas AUX1 dapat meningkatkan efisiensi serapan IAA

jika dibandingkan dengan berdifusi secara pasif sehingga transportasi IAA lebih

efisien dalam jaringan tanaman. Sedangkan protein pembawa keluar (efflux

protein) berfungsi untuk mengeluarkan IAA dari sel satu ke sel yang lain

(Laskowski et al., 2008; Ge et al., 2010).

Protein pembawa keluar yang telah diidentifikasi pada tanaman

Arabidopsis adalah PIN1, PIN2, PIN3, PIN4, PIN7, ABCB1, ABCB4, dan

ABCB19 yang terdapat pada membran plasma (Peer et al., 2004; Mravec et al.,

2008; Petrasek et al., 2006; Teale et al., 2006; Taiz dan Zeiger, 2010; Henrichs et

al., 2012). Sedangkan protein pembawa keluar yang telah diidentifikasi pada

tanaman jagung adalah ZmPIN1a dan ZmPIN1b (Carraro et al., 2006). PIN1

berperan dalam mengeluarkan IAA dari sel satu ke sel yang lain secara acropetal

sedangkan PIN2 berperan dalam mengeluarkan IAA dari sel satu ke sel yang lain

secara basipetal (Wu et al., 2007; Sukumar et al., 2009). Morris (2000)

melaporkan bahwa PIN3 yang berada di jaringan akar dan batang berperan dalam

mengeluarkan IAA dari sel satu ke sel yang lain secara lateral atau mengeluarkan

IAA ke arah samping. Transport beberapa IAA juga terjadi dari sitosol (cytosol)

ke lumen ER (endoplasmic reticulum) dengan bantuan PIN5 yang mungkin

diperlukan dalam pengaturan metabolisme auksin (Mravec et al., 2008).