Mekanisme Fiksasi Nitrogen Bebas pada Tanaman Legum

Tanaman kedelai dengan tonjolan kecil pada bagian akar yang terbentuk akibat infeksi bakteri pengikat N2 (Rhizobium) yang bersimbiosis dengan tanaman secara mutualistik. Sumber: Dokumentasi Pribadi (2020)

Unsur nitrogen merupakan komponen penyusun dari banyak senyawa esensial bagi tanaman, misalnya asam-asam amino. Menurut Lakitan (2008), oleh karena setiap molekul protein tersusun dari asam-asam amino dan setiap enzim adalah protein maka nitrogen juga merupakan unsur penyusun protein dan enzim. Selain itu, nitrogen juga terkandung dalam klorofil, hormon sitokinin dan auksin. Hal tersebut menunjukkan bahwa ketersediaan unsur nitrogen dalam kadar yang optimal akan meningkatkan laju fotosintesis yang selanjutnya akan meningkatkan akumulasi bahan kering oleh tanaman (Salisbury & Ross, 1995; Schaffer, 1996).

Meskipun menyusun sekitar 78% dari keseluruhan gas yang ada di atmosfer, nitrogen bebas tidak dapat digunakan langsung oleh tanaman (Susilowati & Setyowati, 2016). Namun demikian, tanaman legum melalui bintil akarnya – yang terbentuk melalui kerja sama dengan Rhizobium – dapat memanfaatkan gas nitrogen (N2) dari udara menggunakan enzim nitrogenase maupun nitrogen anorganik dari tanah dalam bentuk ion amonium (NH4+) dan nitrat (NO3-) (Taiz & Zeiger, 2002). Secara ringkas, gas nitrogen dari udara disemat menggunakan bantuan enzim nitrogenase. Gas nitrogen kemudian diubah menjadi amonia yang selanjutnya berdifusi ke dalam sitosol dari sel inang yang terinfeksi (terprotonasi menjadi amonium) untuk kemudian diasimilasi dengan cepat. Asam amino dan/atau ureides kemudian disintesis dan diekspor dari bintil akar tanaman legum menuju tajuk (Liu et al., 2018).

Proses fikasasi N2 dari atmosfer oleh Rhizobium berlangsung secara enzimatis. Reaksi enzimatis ini dikatalisir oleh enzim nitrogenase, merupakan enzim kompleks yang terdiri dari dua komponen terpisah yaitu protein Fe (disebut juga komponen II atau dinitrogenase reduktase) dan protein MoFe (disebut juga komponen I atau dinitrogenase) (Dean & Jacobson, 1992). Protein Fe berperan sebagai pengikat ATP dan donor elektron untuk mereduksi protein MoFe. Sedangkan protein MoFe merupakan tempat melekatnya substrat dan tempat berlangsungnya proses reduksi. Selama proses fiksasi, protein Fe akan mengikat 2 molekul MgATP, mengalami reduksi, berasosiasi dengan protein MoFe dan mentransfer 1 (satu) elektron ke protein MoFe dalam suatu reaksi yang menyebabkan terjadinya hidrolisis ATP dan disosiasi kedua protein tersebut (Seefeldt et al., 2009).

N2 + 8e- + 8H+ + 16 MgATP ---> 2 NH3 + H2 + 16 MgADP + 16 Pi

Persamaan reaksi enzimatis di atas menggambarkan bahwa proses fiksasi memerlukan banyak energi untuk mereduksi 1 molekul N2 menjadi 2 molekul amonia yang dapat dimanfaatkan oleh tanaman. Sampai dengan 40 mol ATP mungkin diperlukan untuk mereduksi 1 mol N2 menjadi amonia (Hill, 1992). Adapun dalam proses reduksi N2 tersebut diperlukan beberapa daur proses asosiasi dan disosiasi dari dua komponen enzim nitrogenase (protein Fe dan MoFe), karena protein Fe hanya dapat mentransfer 1 elektron.

Selanjutnya, amonia yang dihasilkan oleh bakteroid berdifusi ke dalam sitosol dari sel inang yang terinfeksi untuk kemudian diasimilasi dengan cepat. Asam amino dan/atau ureides kemudian disintesis dan diekspor dari bintil akar tanaman legum menuju tajuk. Adapun bintil akar tipe determinate kebanyakan mengangkut allantoin dan allantoate (ureides) sebagai senyawa hasil fiksasi N, sedangkan pada tipe indeterminate kebanyakan mengangkut N hasil fikasi dalam bentuk asparagine (Asn) dan glutamine (Gln) (Sprent, 2009).

Menurut Todd et al. (2006), langkah pertama proses asimilasi amonium pada kedua tipe bintil menunjukkan hal yang sama. Liu et al. (2018) menyatakan bahwa N hasil fiksasi dalam bakteroid pada kedua tipe bintil akar, diekspor menuju sitosol tanaman inang untuk kemudian dikonversi menjadi Gln dan glutamate (Glu) oleh enzim Gln synthetase (GS) dan Glu synthase (NADH-GOGAT). Pada bintil akar tipe indeterminate, Glu dan Gln lebih lanjut dikonversi menjadi aspartate (Asp) dan Asn oleh enzim Asp aminotransferase (AAT) dan Asn synthetase (AS). Sementara itu, pada bintil akar tipe determinate Gln akan lanjut masuk ke jalur sintesis purin dan dikonversi menjadi ureides sebagai produk akhir yang diekspor ke tanaman inang.

Menurut Wisnubroto et al. (2020), hubungan simbiosis yang efektif antara tanaman legum dan Rhizobium dapat diketahui dengan cara membelah bintil, lalu kemudian diamati warnanya. Bintil yang efektif berukuran besar dan mempunyai warna merah cerah di bagian dalam. Pigmen merah adalah leghemoglobin yang menunjukkan penambatan nitrogen secara aktif. Sari & Prayudyaningsih (2015) menambahkan bahwa terdapat dua tipe nodula (bintil), yaitu efektif dan inefektif. Nodula efektif dibentuk oleh strain efektif dari Rhizobium. Nodula ini berkembang dengan baik, berwarna merah muda akibat adanya pigmen leghemoglobin. Jaringan bakteroid berkembang baik dan terorganisasi dengan baik dengan banyak bakteroid. Berbeda dengan strain inefektif dari Rhizobium, bentuk nodula umumnya kecil dan berisi sedikit jaringan bakteroid yang berkembang, menunjukkan akumulasi tepung dalam sel tanaman inang yang tidak berisi Rhizobium. Bakteroid dalam nodula inefektif berisi glikogen. Adapun bintil akar terbentuk akibat adanya asosiasi antara akar tanaman dengan mikroba penambat N (nitrogen) dari jenis Rhizobium (Taufiq & Sundari, 2012). Bintil akar sesungguhnya berasal dari rambut akar tanaman yang terinfeksi oleh bakteri Rhizobium yang melakukan pembelahan dan akhirnya terdiferensiasi menjadi bakteroid disertai dengan perubahan metabolik (Tajima et al., 2008).

Adapun leghemoglobin (gugus heme menempel ke protein globin) dibentuk untuk melindungi enzim nitrogenase yang labil terhadap O2 dan pada waktu yang sama menyediakan O2 untuk aktivitas respirasi bakteroid. Hidayatullah et al. (2017) menyatakan oksigen akan bereaksi dengan gugus metal pada enzim nitrogenase dan menyebabkan enzim menjadi tidak aktif dan mengalami reaksi irreversible. Leghemoglobin bukan bagian dari enzim nitrogenase melainkan pengendali oksigen yang diperlukan untuk mengaktifkan enzim tersebut (Uheda et al., 2001).

Pada dasarnya leghemoglobin tidak berperan langsung terhadap proses fiksasi nitrogen tapi berfungsi untuk mengatur masuknya oksigen ke dalam bakteroid pada tingkat optimum yang kondusif sehingga sistem pemfiksasian nitrogen dapat berlangsung dengan baik (Subantoro & Prabowo, 2012). Rhizobium merupakan bakteri aerob yang membutuhkan oksigen dalam proses metabolismenya, sehingga keberadaan oksigen sangat baik dalam perkembangan bakteroid. Akan tetapi peran enzim nitrogenase sebagai katalisator terjadinya fiksasi nitrogen akan terhambat dengan keberadaan oksigen.