CYTOKININ (sitokinin)

CYTOKININ (sitokinin)

Bambang B. Santoso Fakultas Pertanian UNRAM 24 September 2010

PENGANTAR • Auksin dan giberelin  hanya pemanjangan sel • Tanaman tdk dpt tumbuh normal hanya dgn pemanjangan sel  sel memanjang terbatas • Proses penting pertumbuhan tanaman  pembelahan sel  menambah jumlah sel

PENGANTAR • Pembelahan sel dikontrol oleh hormon • Pada buah dan biji yg sedang berkembang  senyawa pemicu pembelahan sel  terutama di bagian biji yg bersifat embrional • Embrio menerima senyawa tersebut dari endosperm • Endosperm cair pada buah kelapa (air kelapa) kaya dengan faktor pemacu pembelahan sel

PENGANTAR • Air kelapa tidak hanya memacu pembelahan sel pd embrio kelapa ttp jg pd embrio Detura dan tanaman lain yang dikultur in vitro. • Ekstrak buah (jagung, Ginkgo, dan bbrp tanaman lain) yg sdg berkembang juga mengandung senyawa pemacu pembelahan sel

Sekilas coconut milk (air kelapa) • Merupakan senyawa kompleks • Steward & Shantz mengisolasi dan purifikasi zat aktif yg ada di dalam air kelapa • Berhasil diisolasi: 2 senyawa yaitu diphenyl urea dan myo inositol • Selain itu ada bbrp senyawa lain: auksin, giberelin, asam amino, asam nukleat dll. • Pengaruh air kelapa thd pembelahan sel mrp efek dr semua senyawa yg terkandung didlmnya bukan efek tunggal dari salah satu senyawa.

PENGANTAR • Terobosan nyata dlm penemuan sitokinin adl penelitian di bidang kultur jaringan • Folk Skoog dkk di university of Wisconsin  menumbuhkan potongan jaringan empulur tanaman tembakau secara in vitro pd media dg elemen makro dan mikro, vitamin dan sukrosa  jaringan tidak dapat tumbuh • Ketika auksin di+kan ke media  sel memanjang tetapi tidak membelah

PENGANTAR • Jablonski dan Skoog (1954)  jaringan empulur jika dikultur kan bersama jaringan floem  sel mulai aktif membelah • Jika jaringan empulur kontak dg floem  cukup utk memacu pembelahan sel  floem dpt mensuplai faktor yg menyebabkan terjadinya pembelahan sel • Usaha untuk mengekstrak senyawa aktif dari floem tembakau belum berhasil.

PENGANTAR • Sel empulur tembakau yg dikultur in vitro di medium yg ditambah kinetin dan auksin  mulai membelah dan kemudian membentuk masa sel parenkimatis yg belum terorganisasi  disebut kalus • Jika yg ditambahkan ke media itu berupa : auksin saja  sel memanjang tdk membelah kinetin saja  tidak efektif Utk pembelahan, sel membutuhkan paling sedikit 2 zpt  auksin dan kinetin  yg akan berinteraksi dan memacu pembelahan sel

SEJARAH SITOKININ 1892 Weisner • Pembelahan sel tanaman diduga diatur oleh suatu senyawa tertentu • Cara untuk mempelajari hormon tanaman  mempelajari kerja hormon pada sel tunggal 1902 Haberlandt • usahanya gagal untuk menginduksi sel agar membelah secara in vitro

SEJARAH SITOKININ 1913 Haberlandt • Cairan floem menginduksi pembelahan sel parenkim kentang • Berarti terdapat senyawa yang merangsang pembelahan sel 1921 Haberlandt • Jika ada luka maka ada proses induksi pembelahan sel untuk menutup permukaan yang luka • Senyawa perangsang pembelahan sel diduga merupakan molekul yang kecil

SEJARAH SITOKININ 1941 Skoog • Teknologi kultur jaringan tumbuhan mulai berkembang • Apakah sel dapat diikusi untuk tumbuh secara normal sebagai sel bila dikultur secara in vitro ? Apakah penambahan nutrisi dan zat pengatur tumbuh, auksin, Cukup untuk menginduksi sel untuk tumbuh secara normal?

• Jaringan internodus batang tidak dapat tumbuh pada saat dikultur pada media tanpa ditambah hormon auksin

SEJARAH SITOKININ • Ketika auksin diaplikasikan pada empulur batang tembakau  sel membesar tapi tidak membelah • Senyawa alami apakah yang mengandung senyawa yang dapat merangsang pembelahan sel ??

• Ekstrak batang tembakau memberikan pengaruh yang tidak konsisten • Air kelapa, malt, ekstrak yeast, DNA sperma ikan herring yang diotoklaf merangsang pembelahan sel empulur tembakau

SEJARAH SITOKININ 1955-6 Miller et al. • Kinetin (furfurylamino purine) berhasil diidentifikasi dari DNA ikan hering yang diotoklaf sebagai zat kimia yang dapat merangsang pembelahan sel • Kinetin terbentuk dari reaksi antara adenine dan deoxyribose atau reaksi kompleks yang melibatkan proses dehidrasi dan rearrangement residu deoxyadenosine • Kinin semula diusulkan sbg nama, ternyata sudah digunakan untuk hormon pd hewan  dipilih nama cytokinin (Skoog) (sitokinesis = pembelahan sel) • kinetin jelas terbukti sebagai senyawa yang secara in vivo berperan sebagai sitokinin

SEJARAH SITOKININ

1963-64 Letham • Sitokinin pertama kali diisolasi dan diidentifikasi strukturnya dari jagung kernels • karena Letham berasal dari New Zealand, atau karena senyawa ini diisolasi dari Zea maize, maka diberi nama ZEATIN.

KEBERADAAN DAN DISTRIBUSI • Dalam tumbuhan, sitokinin dlm 2 bentuk: bebas dan sbg komponen tRNA as amino serin dan tirosin • Selain di jagung, zeatin juga tdpt di eksudat akar bunga matahari, daun begonia dan filtrat kultur jamur Rhizopogon roseus. • Selain zeatin, tanaman juga mengandung zeatin ribozide. • Misal ribofuranosyl zeatin tdpt di endosperm air kelapa. • Dihydrozeatin di biji yellow lupin

KEBERADAAN DAN DISTRIBUSI Senyawa yg analog dgn zeatin  N6-isopentenyl adenin (IPA) = N6-dimethylallylamino purine tdpt di tRNA yeast dan jagung serta pea. • Senyawa zeatin tdk mempunyai molekul OH • Methylbutanylamino purine jg merupakan sitokinin yg sangat aktif • Senyawa ini pertama kali diisolasi dari filtrat kultur Corynebacterium fascians

KEBERADAAN DAN DISTRIBUSI • Sitokinin dilaporkan jg diproduksi di tumor yg dihasilkan Agrobacterium tumefascians dan nodul yg dihasilkan Rhizobium japonicum • tRNA E. coli jg mengandung sitokinin

STRUKTUR SITOKININ

• Turunan Adenine (amino purines) • Tersusun dari: (a) the free nitrogenous base (b) a nucleoside (base + ribose) (c) a nucleotide (base + ribose + phosphate) (d) glycosides

• Struktur sitokinin satu dg yg lain dibedakan oleh rantai samping • Rantai samping menempel pd molekul adenin pd N6 • Jika posisi berubah ke tempat lain  mengurangi keaktifan atau bahkan menjadi tdk aktif • Molekul adenin tanpa rantai samping aktivitas sitokinin lemah Menempelnya rantai samping  meningkatkan keaktifan molekul

• Keaktifan molekul sitokinin akan meningkat jika rantai samping memiliki satu atau lebih ikatan ganda • Rantai samping dpt berupa cincin  pd benzyl adenine atau rantai lurus  pd zeatin Sitokinin sintetik memiliki rantai samping: furfuril, benzyl, butyl, phenil atau methyl (BA, Kinetin dan methyl adenin) Sitokinin alami memiliki rantai samping isopentenil (IPA dan zeatin)

• Keaktifan sitokinin akan hilang jika inti adenin berubah atau rusak • Molekul adenin sangat penting utk keaktifan sitokinin • Sehingga furfuril guanin dan benzil sitosin bersifat inaktif • Ada bbrp senyawa non purin yg memiliki aktifitas sitokinin yg lemah yaitu N,N-diphenyl urea, benzimidazole dan myo-inositol

• Basa bebas adalah bentuk aktif (sitokinin) • Ada 40 struktur yang berbeda • Zeatin (Z), pertama kali berhasil diisolasi dari jagung (Zea mays) merupakan sitokinin yang paling terkenal • Sitokinin alami lainnya: dihydrozeatin (DHZ) & isopentenyladenosine (IPA).

Sitokinin Sintetik • kinetin merupakan produk samping dari degradasi (pemecahan zeatin)

• Ada beberapa senyawa lain yang memiliki zat aktif sitokinin yaitu benzyl adenine (benzylaminopurine; BA).

Biosintesis dan Metabolisme Sitokinin • Sitokinin ditemukan di hampir semua tanaman tingkat tinggi • Di lumut, jamur, bakteri dan tRNA beberapa prokaryotes dan eukaryotes

Biosintesis dan Metabolisme Sitokinin • Jalur biosintesis = adenin • Rantai samping isopentenil dari jalur asam mevalonat

Produk dari jalur mevalonate : isopentyl pyrophosphate + adenosine monophosphate (AMP)  isopentenyl adenosine-5'-phosphate (isopentenyl AMP)

phosphate

enzyme isopentenyl AMP synthase.

isopentenyl adenosine ribose group. isopentenyl adenine

Isopentenyl adenine diubah menjadi 3 bentuk utama sitokinin alami

• Degradasi sitokinin  oleh enzim sitokinin oksidase. • Enzim memotong rantai samping dan melepaskan adenine. • Derivatnya dpt terbentuk tetapi jalurnya lebih kompleks dan belum banyak diketahui

Tempat biosintesis: • Terkandung di tanaman tingkat tinggi • Ujung Akar dan nodul akar • embrio dan endosperm biji yg sedang mengalami perkembangan • Banyak terkonsentrasi di daerah meristematik dan di daerah yg aktif tumbuh misal daun muda, meristem apikal, buah yg sedang berkembang • Kandungan sitokinin mulai berkurang pd jaringan tua yg tidak meristematis lagi

Biosintesis sitokinin • Ujung akar merupakan tempat penting biosintesis sitokinin • Bukti : daun + tangkai direndam di air  daun segera kehilangan klorofil & menguning • Jika pd ujung tangkai daun terbentuk akar adventif  senescence/penuaan tertunda • Jika tdk ada akar ttp ditambah kinetin  penuaan jg tertunda

• Pd tanaman tomat, buah tdk tergantung pd akar utk disuplai sitokinin  bisa mensintesis sendiri • Buah berbiji lebih tinggi sitokinin dp buah tdk berbiji  biji yg sdg berkembang merupakan tempat sintesis sitokinin • Mata tunas yg dorman menghasilkan sitokinin • Semua sel yg aktif membelah mensintesis asam nukleat shg mampu mensintesis sitokinin  krn semua sitokinin merupakan turunan adenin  yg merupakan basa purin yg tdpt di DNA dan RNA

Contoh organ tanaman yg mengandung sitokinin Spesies

Bagian tanaman

Apel

Buah

Ginkgo biloba

Gametofit betina

Pea

Seedling

Bunga matahari

Eksudat akar

Tembakau

Kambium dan jar tumor Cairan buah (juice)

Tomat

Transport Sitokinin • Sitokinin sangat jarang ditranslokasikan • Pd daun yg ditetesi benzil adenin yg dilabel dgn 14C  senyawa tsb tidak ditranslokasikan ttp tetap berada ditempat semula • Transport (akropetal) dari akar ( tempat produksi utama) ke pucuk  via xilem (secara pasif melalui jalur transpirasi)  cairan xilem mengandung sitokinin dlm konsentrasi tinggi • Bentuk utama yg ditransport  Zeatin ribosides • Setelah sampai di daun diubah menjadi basa bebas (free base) atau glucosides

Mekanisme kerja sitokinin Belum banyak diketahui dan tidak cukup bukti utk menyimpulkan mekanisme kerja sitokinin secara biokimia Meningkatkan sintesis asam nukleat  meningkatkan sintesis enzim tRNA sintetase Mengurangi proses degradasi  mengurangi aktivitas ribonuklease (RNAse)

Mekanisme kerja sitokinin • Ada hubungan dekat antara sitokinin dan asam nukleat • Sitokinin merupakan turunan adenin yg merupakan basa purin dari asam nukleat • Sitokinin membantu tRNA menempel ke mRNA selama proses sintesis protein • Kerja sitokinin pd level translasi

Effects Pembelahan sel Morfogenesis Pertumbuhan tunas samping Penundaan penuaan daun Perkembangan kloroplas

Mengatur Siklus Sel (Regulates Cell Cycle) Mengatur siklus sel (pembelahan sel), itulah maka dinamakan sitokinin (cytokinins) – khususnya pengendalian pd fase G2 dari mitosis. Diatur oleh protein terikat kinase (CDK’s) dan sub-unitnya yaitu cyclins.

37

Cytokinin dalam siklus sel

Cytokinin mengaktifkan phosphatase utk menghambat phosphate dari CDC2 (adalah phosphate tdk aktif)

Peranan biologi Sitokinin

AtCKX2-OX

WT

Tembakau mengekpresikan gen utk cytokinin oxidase → penyebab sitokinin rendah → menghambat pertumbuhan tunas krn berkurangnya kecepatan pembelahan sel dlm SAM (shoot apical meristem) ↓ Cytokinins regulate cell division in vivo

AtCKX1-OX

AtCKX1 and AtCKX2 = Arabidopsis cytokinin oxidase WT : wild type

Sitokinin menekan pertumbuhan akar: ‘reducing’ ukuran sel & pembelahan sel Akar dicat dgn fluorescent dye utk dpt melihat inti sel

WT tobacco

WT tobacco

AtCKX1-OX Cytokinin-deficient

AtCKX1-OX Cytokinin-deficient

Meningkatkan pertumbuhan akar melalui perbesaran ukuran RAM (root apical meristem) sitokinin memiliki peran yg berbeda dlm mengatur pembelahan sel di RAM dan SAM

Mengatur pertumbuhan akar

41

Cytokinin menghambat penuaan daun • senescence adalah suatu proses program penuaan pd tanaman • Terjadi kehilangan/penurunan klorofil, RNA, protein dan lipids Penurunan RNA krn peningkatan enzim RNAse (ribonuklease) • Terjadi translokasi mineral, asam amino, gula dan metabolit lain dari daun ke bagian lain • Permeabilitas membran sel meningkat  degenerasi organel sel spt inti dan kloroplas

sitokinin memacu perkembangan kloroplas

kecambah yg tumbuh dlm gelap Perlakuan sitokinin menginduksi & tanpa sitokinin  Plastids pembentukan thylakoid plastids berkembang sbg etioplasts kecambah yg tumbuh dlm gelap.

• Sitokinin memacu pembentukan klorofil yang diinduksi oleh cahaya • Pematangan kloroplas: etioplas akan menjadi kloroplas jika terkena cahaya • Sitokinin memacu perkembangan kloroplas dari etioplas (perubahan etioplas dengan cara merangsang sintesis klorofil)

Penuaan pd daun dpt dicegah pd daun tembakau transgenik yg mempunyai gen IPT yg berperan dlm cytokinin biosynthesis IPT akan terekspresi utk merespon signals yg memacu penuaan (hari pendek pd musim gugur, kekeringan, kekurangan nutrisi yg menyebabkan berkurangnya produksi auxin).

Senescence dpt ditunda dg sitokinin 1.Daun di air  menguning dan kehilangan RNA dan protein Daun di air + kinetin  tertundanya kehilangan klorofil, RNA & protein 2.Daun bertangkai direndam di 14C as amino  helaian daun ditetesi kinetin  14C as amino terkumpul di helaian daun yg mgd kinetin Terjadi mobilisasi as amino dan mineral dr bag ian lain ke jaringan yg di+ kinetin  protein tetap di daun  mencegah penuaan

3.Aplikasi sitokinin pd ‘ an intact leaf’ mengurangi kecepatan degradasi klorofil dan protein 4.detached leaves senesce  kadar sitokinin turun ketika daun + auxin  merangsang pembentukan akar ketika akar terbentuk : kadar sitokinin meningkat.  penuaan stops

5.Tobacco plants + senescence promoter sequence + IPT gene (cytokinin gene)  gene active on senescence  no senescence • Mekanisme belum jelas tp melibatkan kemampuan sitokinin dalam memobilisasi dan mengambil (uptake) nutrien  sitokinin berperan sbg “sink”.

• Sitokinin mengurangi aktivitas RNAse  mencegah degradasi RNA • Sitokinin meningkatkan sintesis RNA  terjadi sintesis protein  menunda penuaan 6.Penelitian lain: • Daun pea + 14C leusin + kinetin  penuaan tertunda  tdk terjadi peningkatan perubahan 14C leusin menjadi protein  mencegah proses degradasi 14C leusin

• Sitokinin juga mempengaruhi arah transport metabolit organik, mineral dan akumulasi di sel 7.Buktinya : • Metabolit ditranslokasi ke buah dan biji yg sdg berkembang  krn disitu ada sitokinin • Transport floem dari ‘source to sinks’  dikontrol oleh sitokinin

Pengendalian Bentuk (Control morphogenesis) • Pada kultur jaringan tumbuhan, sitokinin dibutuhkan utk pertumbuhan kalus kalus + auxin + no sitokinin little growth of callus kalus + auxin + sitokinin  callus grows well, belum terdiferensiasi

• rasio sitokinin dan auxin penting utk menentukan arah pertumbuhan kalus : callus + low [cytokinin/auxin] callus grows well, terbentuk akar callus + high [cytokinin/auxin] callus grows well, terbentuk meristem & pucuk/tunas

The auxin:cytokinin ratio regulates morphogenesis in cultured tissues Plant tissue

Shoots

Callus

Roots

No growth

Nutrient agar Auxin Kinetin Ratio:

15

150

0.003

High auxin/cytokinin ratio: root Low auxin/cytokinin ratio: shoot Intermediate levels: callus

Auxin Cytokinin

Cytokinin - essential for shoot development

Peran sitokinin dan auksin pada dominansi apikal • Fenomena antagonis antara sitokinin dan auksin

• Dominansi Apikal : penghambatan tunas aksilar yg disebabkan pertumbuhan tunas apikal

• Contoh: Kapri (Pisum sativum) & bunga matahari (Helianthus annuus)  dominasi apikal sangat kuat • Tomat& kentang  dominasi apikal lemah  banyak cabang lateral Tunas aksilar = sintesis sitokinin

• Ada 2 teori auksin & domimasi apikal • ‘direct theory of auxin’ Terjadi penumpukan auksin di tunas lateral shg konsentrasi supraoptimal krn selain tunas lateral memproduksi auksin sendiri, selain mendpt kiriman auksin dr pucuk  pertumbuhan tunas lateral terhenti • ‘Nutrition diversion theory’ Kandungan auksin di tunas lateral sangat rendah saat tunas pucuk masih di batang utama  saat tunas pucuk dipotong  kandungan auksin meningkat

Berdasar teori kedua • Setelah pucuk dipotong, suplai auksin dr pucuk ke tunas lateral berkurang  terjadi ekspresi IPT (isopentenil transferase = katalisator biosintesis sitokinin)  terbentuk sitokinin  tunas lateral tumbuh • Sitokinin  diferensiasi berkas pengangkut antara tunas lateral dan batang utama  tjd aliran nutrien dan metabolit  tunas lateral tumbuh

Berdasar teori kedua •

& 14C diberikan ke tanaman  bergerak dan terakumulasi di bagian yg konsentrasi auksin tinggi  pergerakan nutrien dan metabolit dikontrol oleh auksin • Ketika pucuk batang memproduksi auksin  menerima suplai utama nutrien dan metabolit  tunas lateral tertekan pertumbuhannya  pucuk batang terus tumbuh 32P

Lanjutan teori kedua • Ketika kandungan auksin tunas lateral rendah  tdk mempunyai berkas pengangkut yg menghubungkan dgn batang utama • Ketika pucuk dipotong  auksin tunas lateral meningkat  membentuk berkas pengangkut  nutrisi dan metabolit dpt sampai ke tunas lateral  mampu tumbuh

Peranan sitokinin pd jaringan tanaman

Peranan sitokinin pd kultur jaringan

Things to Remember • Regulates morphogenesis • Suppresses growth of root by reducing cell size and cell division • Crown gall formation • Regulates cell cycle • Promotes Plastid/chloroplast development • They are Adenine derivatives.

• Important first step of biosynthesis is iso-pentenyl transferase • Cytokinin oxidase contributes to cytokinin catabolism • WUSCHEL controls meristem function by direct regulation of cytokinin-inducible response regulators • Cytokinin-activating enzyme regulates shoot meristem activity • Cytokinin promotes shoot apical meristem activity • Cytokinin signal transduction involves two-component signaling system 66

REFERENCES

• Campbell, N. A. and J. B. Reece. 2002. Biology. Sixth Edition, Pearson Education. Inc. San Francisco. • Davies, P.J., 2004. Plant Hormones. Physiology, Biochemistry, and Molecular Biology. Kluwer Academic Publishers • Google search (images) auxin, IAA, 2,4-D, etc • Taiz, L., E Zeiger. 2002. Plant Physiology. Third Edition. Sinauer Associates, Inc., Publishers. Sunderland, Massachusetts.

THE END