Peranan Mikroorganisme Penghasil Siderophore Pada Tanaman

Penulis : Asnul Fitria_Mahasiswa S2 Program Studi Biologi, Universitas Andalas (Tugas Mata Kuliah Interaksi Mikroba dengan Tumbuhan_Dosen Pengampu; Dr. Fuji Astuti Febria)

Besi bagi tumbuhan berperan sebagai salah satu unsur hara mikro yang sangat penting selain Cu, Zn, Mn, Ni, Mo. Mikronutrisi ini tidak dibutuhkan dalam jumlah banyak oleh tumbuhan dibandingkan hara makro mislanya C, H, O, P, N, S, Ca, Mg, K. Besi yang ditemukan sebanyak 0,01% dari berat kering jaringan tumbuhan, lebih kecil daripada unsur hara makro yaitu > 0,1% masa kering jaringan tersebut (Seran,2017).

Namun besi merupakan unsur esensial yang kehadirannya mutlak harus dipenuhi dalam metabolisme tumbuhan. Hara mikro ini dibutuhkan dalam proses respirasi, fotosintesis, sintesis DNA, sebagai penyusun sitokrom, perawat dan pengarah struktur kloroplas guna membentuk klorofil serta pengaktifan enzim.

Siderophores (Yunani: “pembawa besi”) adalah, senyawa yang mempunyai affinitas tinggi dengan berat molekul kecil yang berperan mengchelating besi (Fe³⁺) disekresikan oleh mikroorganisme seperti bakteri dan jamur dan melayani terutama untuk transportasi besi di membran sel , meskipun fungsi siderophore yang semakin luas kini sedang popuper. siderophore adalah salah satu bahan pengikat Fe ³⁺ terlarut terkuat yang diketahui.

Meskipun menjadi salah satu unsur paling melimpah di kerak bumi, zat besi tidak tersedia secara hayati. Di sebagian besar lingkungan aerobik, seperti tanah atau laut, besi ada dalam bentuk besi (Fe ³⁺), yang cenderung membentuk padatan seperti karat yang tidak larut. Agar efektif, nutrisi tidak hanya harus tersedia, tetapi juga harus larut. Akibatnya tanaman akan mengalami defisiensi besi atau klorosis. Ciri-ciri klorosis pada tanaman adalah munculnya bercak kuning pada daun muda, tanaman menjadi kerdil dan mati.

Mikroba melepaskan siderophore untuk mengais besi dari fase mineral dengan pembentukan kompleks Fe³⁺ terlarut yang dapat diambil oleh mekanisme transpor aktif. Banyak siderophore adalah peptida nonribosom, meskipun beberapa disintesis secara independen. siderophore juga penting bagi beberapa bakteri patogen untuk memperoleh zat besi.

Pada inang mamalia, zat besi terikat erat dengan protein seperti hemoglobin, transferin, laktoferin, dan ferritin. Homeostasis besi yang ketat menyebabkan konsentrasi bebas sekitar 10⁻²⁴ mol L⁻¹, karenanya ada tekanan evolusioner yang besar pada bakteri patogen untuk mendapatkan logam ini.

Misalnya, patogen antraks Bacillus anthracis melepaskan dua siderophore, bacillibactin dan petrobaktin, untuk mengais besi besi dari protein besi. Sementara bacillibactin telah terbukti mengikat protein sistem kekebalan siderocalin, petrobaktin diasumsikan menghindari sistem kekebalan dan telah terbukti penting untuk virulensi pada tikus.

Siderophores adalah salah satu pengikat terkuat untuk Fe³⁺ yang diketahui, dengan enterobactin menjadi salah satu yang terkuat. Karena sifat ini, mereka telah menarik minat dari ilmu kedokteran dalam terapi kelasi logam, dengan siderophore desferrioxamine B mulai digunakan secara luas dalam pengobatan untuk keracunan besi dan talasemia .

Selain siderophore, beberapa bakteri patogen menghasilkan hemofor ( protein pemulung pengikat heme ) atau memiliki reseptor yang mengikat langsung ke protein besi / heme. Pada eukariota, strategi lain untuk meningkatkan kelarutan besi dan serapan adalah pengasaman lingkungan (misalnya digunakan oleh akar tanaman) atau ekstraseluler pengurangan dari Fe^{3 +} menjadi lebih mudah larut Fe²⁺ ion.

Siderophore biasanya membentuk kompleks oktahedral yang stabil, heksadentat, lebih istimewa dengan Fe³⁺ dibandingkan dengan ion logam melimpah yang terjadi secara alami, meskipun jika terdapat kurang dari enam atom donor, air juga dapat berkoordinasi. siderophore yang paling efektif adalah yang memiliki tiga ligan bidentat per molekul, membentuk kompleks heksadentat dan menyebabkan perubahan entropik yang lebih kecil daripada yang disebabkan oleh pengkelat ion besi tunggal dengan ligan terpisah.

Siderophore biasanya diklasifikasikan berdasarkan ligan yang digunakan untuk mengkelat besi-besi. Kelompok utama siderophore termasuk katekolat (fenolat), hidroksamat dan karboksilat (misalnya turunan asam sitrat ).  Asam sitrat juga dapat bertindak sebagai siderophore.  Berbagai macam siderophore mungkin disebabkan oleh tekanan evolusioner yang ditempatkan pada mikroba untuk menghasilkan siderophore yang berbeda secara struktural yang tidak dapat diangkut oleh sistem transpor aktif khusus mikroba lain, atau dalam kasus patogen yang dinonaktifkan oleh organisme inang.

Contoh siderophore yang diproduksi oleh berbagai bakteri dan jamur :

Siderophore hidroksamat : ferrichrome oleh Ustilago sphaerogena; Desferrioxamine B( Deferoxamine ) oleh Streptomyces pilosus; Desferrioxamine E oleh Streptomyces coelicolor, fusarinine C oleh Fusarium roseum; ornibactin oleh Burkholderia cepacia; ornibactin oleh Burkholderia cepacia; asam rhodotorulic oleh Rhodotorula pilimanae

Catecholate siderophores : enterobactin oleh Escherichia coli bakteri enterik; bacilibactin oleh Bacillus subtilis dan Bacillus anthracis; vibriobactin oleh Vibrio cholerae;

Ligan campuran: azotobaktin oleh Azotobacter vinelandii; pyoverdine oleh Pseudomonas aeruginosa; yersiniabactin oleh Yersinia pestis

Menanggapi keterbatasan zat besi di lingkungan mereka, gen yang terlibat dalam produksi dan serapan mikroba siderophore dihentikan tekanannya, yang mengarah ke pembuatan siderophore dan protein serapan yang sesuai. Pada bakteri, penekan yang bergantung pada Fe²⁺ mengikat DNA di hulu ke gen yang terlibat dalam produksi siderophore pada konsentrasi besi intraseluler yang tinggi.

Pada konsentrasi rendah, Fe ²⁺ memisahkan diri dari penekan, yang pada gilirannya memisahkan diri dari DNA, mengarah ke transkripsi gen. Pada bakteri gram negatif dan gram positif kaya AT, ini biasanya diatur oleh penekan Fur (ferric uptake regulator), sedangkan pada bakteri gram positif kaya GC (misalnya Actinobacteria ) adalah DtxR (penekan racun difteri), yang disebut sebagai produksi racun difteri berbahaya oleh Corynebacterium diphtheriae juga diatur oleh sistem ini.

Meskipun terdapat cukup zat besi di sebagian besar tanah untuk pertumbuhan tanaman, kekurangan zat besi merupakan masalah di tanah berkapur , karena kelarutan besi (III) hidroksida yang rendah . Tanah berkapur menyumbang 30% dari lahan pertanian dunia. Dalam kondisi seperti itu tanaman graminaceous (rumput, sereal dan beras) mengeluarkan fitosiderophores ke dalam tanah, contohnya adalah asam deoxymugineic.

Fitosiderophore memiliki struktur yang berbeda dengan siderophore jamur dan bakteri yang memiliki dua pusat pengikatan α-aminokarboksilat, bersama dengan satu unit α-hidroksikarboksilat. Fungsi bidentat yang terakhir ini menyediakan fitosiderophore dengan selektivitas tinggi untuk besi (III). Ketika tumbuh di tanah yang kekurangan zat besi, akar tanaman graminaceous mengeluarkan siderophore ke dalam rhizosfer. Pada besi pemulung (III), kompleks besi-fitosiderophore diangkut melintasi membran sitoplasma menggunakan mekanisme simport proton.

Kompleks besi (III) kemudian direduksi menjadi besi (II) dan besi dipindahkan ke nikotianamin, yang meskipun sangat mirip dengan fitosiderophore bersifat selektif untuk besi (II) dan tidak disekresikan oleh akar. Nicotianamine mentranslokasi besi dalam floem ke seluruh bagian tanaman.

Zat besi merupakan nutrisi penting bagi bakteri Pseudomonas aeruginosa , namun zat besi tidak mudah didapat di lingkungan. Untuk mengatasi masalah ini, P. aeruginosa memproduksi siderophore untuk mengikat dan mengangkut besi.

Tetapi bakteri yang menghasilkan siderophore belum tentu mendapat manfaat langsung dari asupan zat besi. Sebaliknya, semua anggota populasi seluler memiliki kemungkinan yang sama untuk mengakses kompleks iron-siderophore. Produksi siderophore juga membutuhkan bakteri untuk mengeluarkan energi.

Dengan demikian, produksi siderophore dapat dilihat sebagai sifat altruistik karena bermanfaat bagi kelompok lokal tetapi mahal bagi individu. Dinamika altruistik ini mengharuskan setiap anggota populasi seluler untuk sama-sama berkontribusi pada produksi siderophore. Tetapi terkadang mutasi dapat terjadi yang menghasilkan beberapa bakteri yang memproduksi siderophore dalam jumlah yang lebih rendah.

Mutasi ini memberikan keuntungan evolusioner karena bakteri dapat memperoleh keuntungan dari produksi siderophore tanpa mengurangi biaya energi. Dengan demikian, lebih banyak energi dapat dialokasikan untuk pertumbuhan. Anggota populasi seluler yang dapat memproduksi siderophore ini secara efisien biasanya disebut sebagai kooperator; anggota yang menghasilkan sedikit atau tidak ada siderophores sering disebut sebagai nonkooperator.

Penelitian telah menunjukkan ketika kooperator dan nonkooperator tumbuh bersama, kooperator mengalami penurunan kebugaran sementara nonkooperator mengalami peningkatan kebugaran. Hal ini diamati bahwa besarnya perubahan kebugaran meningkat dengan meningkatnya pembatasan zat besi. Dengan peningkatan kebugaran, para nonkooperator dapat mengalahkan para kooperator; hal ini menyebabkan penurunan kebugaran grup secara keseluruhan, karena kurangnya produksi siderophore yang cukup.

Poaceae (rerumputan) termasuk spesies pertanian yang penting seperti barley dan gandum mampu secara efisien menyerap zat besi dengan melepaskan fitosiderophore melalui akarnya ke rizosfer tanah di sekitarnya .  Senyawa kimia yang dihasilkan oleh mikroorganisme di rhizosfer juga dapat meningkatkan ketersediaan dan serapan zat besi. Tanaman seperti gandum mampu mengasimilasi zat besi melalui siderophore mikroba ini.

Telah dibuktikan bahwa tanaman dapat menggunakan siderophores ferrichrome tipe hidroksamat, asam rhodoturulic dan ferrioxamine B; siderophore tipe katekol, agrobaktin; dan siderophores asam katekol-hidroksi-hidroksi ligan campuran yang dibiosintesis oleh bakteri penghuni akar saprofit. Semua senyawa ini diproduksi oleh strain bakteri rizosfer, yang memiliki kebutuhan nutrisi sederhana, dan ditemukan di alam di tanah, dedaunan, air tawar, sedimen, dan air laut.

Pseudomonas fluoresen telah dikenali sebagai agen biokontrol terhadap patogen tanaman yang terbawa tanah tertentu. Mereka menghasilkan pigmen kuning-hijau ( pyoverdines ) yang berpendar di bawah sinar UV dan berfungsi sebagai siderophore. Mereka menghilangkan patogen dari zat besi yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan patogenesisnya.

Sideropohore dapat juga digunakan untuk mengendalikan penyakit tanaman. Beberapa bakteri penghasil siderophore yang telah digunakan dalam bidang pertanian diantaranya P. aeruginosa , P. flourescens, , P. putida  dan Bacillus sp. . Menurut Meyer (2000), Pseudomonas isolat yang berbeda memiliki kemampuan untuk menghasilkan siderophore dalam jumlah yang tinggi. Siderophore ini diketahui efektif menekan pertumbuhan penyakit Fusarium oxysporum.

Hal ini karena ion Fe yang dibutuhkan F. oxysporum untuk berkecambah tidak tersedia akibat dikelat oleh siderophore (Budzikiewicz 2001). Menurut Wahyuni et al. (2010), P. aeruginosa mampu menginduksi ketahanan tanaman terhadap Cucumber mosaic virus (CMV) dengan memproduksi siderophore pada kondisi Fe terbatas.

Kemampuan bakteri penghasil siderophore dalam mengikat Fe3+ merupakan pesaing terhadap mikroorganisme lain. Mekanisme kerja siderophore terjadi melalui perkembangan yang cepat dari bakteri yang mengkolonisasi akar tanaman dan memindahkan besi di daerah permukaan serta terciptanya kondisi yang sesuai untuk pertumbuhan akar dan tidak sesuai untuk pertumbuhan mikroba rhizoplant (Budzikiewicz 2001).

Kemampuan bakteri dalam menangkap besi tersebut menyebabkan terhambatnya pertumbuhan mikroba pathogen sehingga menyebabkan berkurangnya kemampuan pathogen dalam menyebabkan penyakit pada tanaman inang.

Mikroorganisme penghasil siderophore menjadi solusi untuk tanaman yang kekurangan unsur Fe, baik digunakan sebagai pemenuhan terhadap unsur hara mikro dalam hal ini besi dan juga untuk melawan patogen yang menyerang tanaman, dimana bakteri penghasil siderophore juga dapat menginduksi ketahanan tanaman. Mekanisme ketahanan tanaman terjadi karena adanya perbaikan lingkungan tumbuh dari adanya interaksi antara mikroba dengan tanaman, termasuk interaksi antara mikroorganisme penghasil siderophore dengan akar tanaman. **

Baca Juga :

• Peranan Mikroorganisme Penghasil Siderophore pada Tanaman
• Pemanfaataan Teknologi Nano Partikel Untuk Pengendalian Hama Terpadu (PHT)