MEKANISME FIKSASI NITROGEN PADA KACANG – KACANGAN.

Faktor-faktor yang mempengaruhi keberadaan bakteri bintil akar: Sumber makanan (BO dan perakaran) untuk bertahan sebelum menginfeksi tanaman. Mikroorganisme lain (sbg kompetitor di rizosfir) terutama yang antagonis, karena dapat menghalangi infeksi Lingkungan yang mempengaruhi kegiatan fotosintesis untuk menyediakan kebutuhan energi bakteri (cahaya, luas daun, CO2, pembentukan biji/ fase generatif) pH yang dikehendaki netral – agak basa, 5. Suhu yang disukai 20-28oC, masing-masing jenis isolat berbeda tanggapnya terhadap suhu

Faktor-faktor yang mempengaruhi keberadaan bakteri bintil akar: 6. Ketersediaan air dan hara untuk fotosintesis karena fotosintesis yang dihasilkan tanaman dimanfaatkan oleh bakteri 7. Senyawa racun yang berasal dari herbisida, fungisida di tanah tidak disukai bakteri bintil, dapat berpengaruh terhadap keberadaan bakteri, salinitas 8. Ketersediaan nutrisi seperti N yang bisa menghambat bintil; P untuk supali energi; Mo untuk kerja nitrogenase, Fe dan Co utk laghemoglobin dan transfer elektron 9. Kesesuian genetik antara bakteri dgn tan (utk keperluan infeksi)

. Mekanisme Infeksi Bakteri Rhizobium pada Akar Sebagian besar dari N2 dihasilkan oleh simbiosis Rhizobium. Ada hubungan antara bintil-bintil Leguminose dengan senyawa N2. Tanaman kacang-kacangan akan tetap tumbuh walaupun tidak ada Nitrogen kalau akarnya terdapat bintil-bintil ini, bintil-bintil ini timbul karena infeksi rambut akarnya dengan bakteri dari dalam tanah.

Bintil- bintil Akar pada Tanaman Leguminosa (1) Bakteri-bakteri yang menimbulkan bintil tanaman Leguminosa, yaitu bakteri bintil, dikelompokkan dalam  genus Rhizobium. Batang-batang Gram-negatif ini yang hidup bebas dalam tanah, tumbuh secara anaerob ketat dengan senyawa organic sebagai nutrein. Infeksi tumbuh-tumbuhan terjadi hanya pada rambut akar muda. Bakteri menerobos masuk pada / ketat pada ujung rambut akar dan tumbuh sebagai benang infeksi sampai ke dasarnya. Benang infeksi ini yang diliputi oleh membran selulosa kemudian menerobos dinding sel muda dari epidermis dan kulit akar. Kalau bakteri ini berjumpa dengan sebuah sel tetraploid dan jaringan kulit, maka sel ini dan sel-sel diplois yang ada di sekelilingnya terangsang untuk membelah, benang infwekinya bercabang dan membagi diri pada sel tetraplois.

Bintil- bintil Akar pada Tanaman Leguminosa(2) Percabangan ini menyebabkan jaringan kortek membesar yang dapat dilihat sebagai bintil. Bintil-bintil ini merupakan hasil poliferasi jaringan yang terangsang oleh Rhizobium dengan perantara sesuatu faktor pertumbuhan. Bakteri- bakteri ini amat cepat memperbanyak diri, tumbuh menjadi sel dengan bentuk tidak teratur ( bakterod ), dengan volume 10-12 kali lipat dari Rhizobium yang dapat bebas, dan akhirnya terletak dalam sitoplasma sel-sel tumbuh-tumbuhan sebagai sel-sel individual/dalam kelompok yang diselubungi oleh sebuah membrane.

Bintil- bintil Akar pada Tanaman Leguminosa(3) Tipe bintil akar : 1. Globus Ciri: berbentuk bulat, gampang lepas dari akar 2. Peanut Ciri: berbentuk agak bulat, letaknya terbenam 3. Semi Globus Ciri: bentuknya tidak beraturan, permukaannya ada yang kasar dan licin. 4. Memanjang 5. Koral Seringkali bintil akar terdapat pada tanaman legum yang tumbuh pada tanah berpasir yang kurang subur seperti tanah jenis PMK. Bintil akar tidak selalu tumbuh di pangkal akar, ada juga yang tumbuh di ujung-ujung akar. Tidak selalu bintil akar dihuni oleh bakteri rhizobium yang tepat dan efektif.

Gambar Pembentukan Bintil - Bintil Akar

Mekanisme terbentuknya bintil akar pada tanaman legume. (1) Pembentukan bintil akar dimulai dengan sekresi produk metabolism tanaman ke daerah perakaran yang menstimulasi pertumbuhan bakteri. Terjadi interaksi antara akar tanaman dengan bakteri Rhizobia. Akar tanaman mengeluarkan sinyal yang akan mengaktifkan ekspresi gen dari bakteri yang berperan pada nodulasi. Bakteri Rhizobia akan mensintesis sinyal berupa asam amino termodifikasi (homoserin lakton) yang membawa subtituen rantai asil yang bervariasi yang disebut asil homoserin lakton (AHL), yang menginduksi pembentukan meristem nodul dan memungkinkan bakteri untuk masuk ke dalam meristem tersebut melalui proses infeksi. Interaksi secara simbiosis terjadi karena adanya pertukaran sinyal antara tumbuhan dan bakteri (Rhizobia).

(2) Tanaman mensekresikan senyawa‐senyawa flavonoid yang gugus fenolnya bersama dengan NodD (protein penggerak) dari bakteri menginduksi ekspresi dari gen pembentukan nodul dari Rhizobia (nod). Sebagai hasilnya, Rhizobia memproduksi Nod factors. Induksi Nod factors direspon oleh tanaman (yang salah satunya) dengan pembentukan nodul.

(3) Gen yang berperan dalam pembentukkan bintil akar oleh Rhizobium disebut dengan gen nod. Gen nod yang berperan dalam menginduksi terjadinya pembengkokan akar rambut dan pembelahan sel tanaman adalah gen nod ABC yang disebut sebagai faktor Nods. Proses selanjutnya terjadi kolonisasi bakteri Rhizobia dan lalu menempel pada rambut akar yang dilanjutkan dengan deformasi (perubahan bentuk) bulu akar yaitu membelok atau bercabang, sebagai respon terhadap etilen, yang dirangsang oleh IAA.

(4) Kemudian Rhizobia terjebak di dalam lekukan lipatan rambut akar yang kemudian mengakibatkan Rhizobia mencoba masuk melalui dinding sel dengan menyusup dengan membentuk infeksi (luka). Di dalam bintil akar, bakteri akan membentuk struktur yang menggembung serta dapat mengikat nitrogen dari udara yang dikenal dengan nama bakteroid. Bintil akar yang aktif menambat nitrogen umumnya besar dan berwarna merah muda yang dikarenakan oleh leghemoglobin

(5) Pembentukan benang infeksi untuk mentransfer sel-sel bakteri ke dalam korteks akar. Bakteri menembus dan masuk ke dalam sel-sel korteks. Selanjutnya terjadi pembentukan meristem nodul dan perluasan nodul dengan pembelahan sel-sel korteks. Pembesaran sel-sel korteks yang terinfeksi di bagian dalam nodul. Sel kortikoid tertentu dari tanaman membelah untuk membentuk primordial nodul dan melalui primordial ini penyusupan sel secara infeksi tumbuh. Pertumbuhan tersebut lebih lanjut akan membentuk suatu tumor. Di dalam daerah infeksi tersebut bakteri membelah diri sebelum akhirnya terbentuk nodul dan bakteri tersebut terdiferensiasi menjadi bakteroid dan mulai mengikat nitrogen.

Faktor- faktor yang Mempengaruhi Pembentukan Bintil Akar (1) Temperatur dan Cahaya dapat mempengaruhi pertumbuhan tanaman, bintil akar dan penambatan N. Pengaruh suhu terhadap tanaman legum bervariasi tergantung kepada jenis legumnya. Sistem simbiotik lebih sensitif terhadap suhu dibandingkan dengan pertumbuhan tanaman. Pada suhu yang rendah (<10 0C) proses pembelahan sel dari bakteri pada rizosfer akan terhambat sehingga menyebabkan terhambatnya proses infeksi dan menurunnya berat bintil, sedangkan pada suhu >24 0C merangsang infeksi rambut akar oleh Rhizobium. Rentang temperatur yang paling menguntungkan untuk pembentukan jaringan bakteroid di dalam bintil adalah 20-30 0C .

(2) Kelembaban Tanah sangat berperan dalam pembentukan bintil akar. Terjadi penurunan infeksi akar dan nodulasi seiring dengan penurunan kelembaban tanah (kekeringan), bahkan tidak terbentuk bintil akar pada tanah yang mengalami kekeringan. Hal ini disebabkan oleh kegagalan proses infeksi rambut akar. Keadaan yang demikian juga dapat menekan proses fiksasi nitrogen dan menurunkan fotosintesis. Defisiensi kelembaban tanah sangat mempengaruhi fiksasi N2 sebab pembentukan bintil awal, perkembangan bintil dan aktifitas nitrogenase lebih sensitif terhadap stress kelembaban tanah daripada sistem metabolisme akar dan pucuk. Stress yang ringan atau berat menurunkan baik jumlah maupun ukuran bintil akar tanaman.

(3) Zat Pengatur Tumbuh berupa asam indol asetat (IAA) dan giberelin telah dapat dideteksi dalam bintil akar. Bintil akar mengandung lebih banyak IAA daripada perakaran yang bersebelahan dengannya. Beberapa zat tumbuh merangsang pembentukan bintil sedangkan yang lainnya menghambat, tergantung pada konsentrasi zat kimia yang digunakan. Kemasaman tanah berpengaruh terhadap perkembangan akar tanaman dan ketersediaan hara tanah. Pada pH yang rendah, beberapa jenis legum tidak dapat berkembang walaupun Rhizobium cukup toleran, sehingga proses pembentukan bintil terhambat. Jumlah dan ukuran bintil mungkin dipengaruhi oleh reaksi substrat tempat tumbuh legum. Kondisi masam dan defisiensi kalsium berpengaruh langsung terhadap pembentukan simbiosis

(4) Faktor ekologis Penggunaan pestisida merupakan usaha yang dilakukan untuk mengendalikan hama dan penyakit tanaman dan beberapa senyawa kimia ini mungkin mempengaruhi proses mikrobiologis dalam tanah. Tetapi dengan dosis yang direkomendasikan pestisida tidak mempengaruhi nodulasi. Sebaliknya, herbisida mempengaruhi proses pembentukan bintil dan fiksasi nitrogen pada legum. Pada percobaan menunjukkan bahwa penggunaan Dalapon dapat mengurangi pembentukkan bintil dan cenderung mengurangi efisiensi fiksasi nitrogen. Hal ini terlihat dari autoradiograf herbisida ditranslokasikan dengan cepat dan dapat dideteksi dalam daun dan bintil

(5) Ketersediaan Hara Lainnya Ketersediaan fosfor (P) merupakan faktor penting dalam pembentukkan bintil dan pertumbuhan tanaman terutama pada tanah-tanah masam. Kandungan P dalam bintil 2-3 kali lebih besar daripada kandungan P pada akar .Bahwa aplikasi KH2PO4 25 ppm di tanah-tanah masam meningkatkan dengan signifikan persentase pembentukkan bintil pada Trifolium subterraneum yang diinokulasikan Rhizobium leguminosarum bv. Trifolii. Hal yang sama, pembentukkan bintil dan fiksasi N2 (aktivitas nitrogenase) pada Trifolium vesiculosum akan meningkat secara signifikan setelah ditambahkan P (100 ppm) dan K (300 ppm) sedangkan aktivitas nitrogenase meningkat dua kali pada saat konsentrasi P dinaikkan menjadi 400 ppm.

(6) Kandungan N dalam tanah (khususnya dalam bentuk NO3-) dapat menghambat proses nodulasi dan fiksasi N2 oleh bakteri rhizobia yang bersimbiosis dengan tanaman legum. Selain itu Molibdenum merupakan unsur mikro yang sangat esensial untuk semua tanaman dan sangat dibutuhkan untuk pembentukkan bintil akar dan fungsi enzim kompleks nitrogenase dari bakteri rhizobia. Tanah yang kekurangan Mo akan menurunkan populasi rhizobia sehingga tanaman yang terinfeksi tidak ternodulasi efektif Interaksi Mikroorganisme

(7) Interaksi Mikroorganisme Setiap inokulasi strain Rhizobium ke media tanah akan mengalami beberapa kendala untuk mencapai keberhasilan nodulasi akar. Tiga kendala utama yaitu : (1) rhizobia tidak berhasil bertahan hidup di daerah rhizosfer maupun membentuk bintil akar tanaman inang. (2) Inokulan Rhizobium berhasil bertahan hidup di daerah rhizosfer dan menghasilkan bintil akar yang baik tetapi gagal bertahan hidup di media tanah sekitarnya. (3) Inokulan Rhizobium gagal bersaing dengan rhizobia asli untuk membentuk bintil akar. Indikasi kemampuan kompetitif dan daya efektivitas strain rhizobia tergantung dari karakter strain itu sendiri, namun tanaman inang lebih menyeleksi beberapa strain yang terbaik dari campuran populasi strain efektif dan strain tidak efektif .

(8) Ada beberapa jenis fungi terutama Penicillium dan Aspergillus bersifat antagonis terhadap R. trifoli atau R. lupini. Fungi tersebut membentuk koloni pada tanah atau daerah sekitar rhizosfer yang mengakibatkan berkurangnya daya simbiosis yaitu berkurangnya pembentukkan bintil, leghaemoglobin bintil, kandungan nitrogen dan pertumbuhan tanaman inang

Reaksi pada proses penambatan nitrogen: N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP 2NH3 + 16 ADP + 16Pj + H2 Untuk mereduksi 1 molekul N2 diperlukan 15 – 30 ATP yang 30 – 60 % dari energi ATP ini terbuang dalam bentuk gas H2 Rumus Pemanfaatan Nitrogen bagi Tanaman: N2 + H2 → NH4 + O2 → NO3 + O2→ NO2