Diposting Senin, 12 Juli 2010 jam 6:37 pm oleh The X

Plastisitas pada Perkembangan Tanaman: Perubahan Pikiran Sel Epidermis Akar

Suka dengan artikel ini?

Jelajahi artikel-artikel FaktaIlmiah yang berdasarkan apa yang dibaca dan ditonton teman-teman.
Terbitkan aktivitas Anda sendiri dan dapatkan kendali penuh.
Login

Senin, 12 Juli 2010 -


Oleh : Wolfgang Schmidt

Peneliti dari Institut Biologi Tanaman dan Mikroba, Academia Sinica

Sumber : Academia Sinica E-news No. 3

Bentuk mengikuti fungsi

Akar memberikan tanaman air dan nutrisi dan berperan penting dalam interaksi dengan mikroba tanah bermanfaat. Jaringan yang berkontak langsung dengan larutan tanah, epidermis akar, terdiri dari dua tipe sel : sel rambut akar yang berbentuk tubular panjang mencuat, dan sel non rambut. Rambut akar penting untuk mengambil nutrisi mineral dengan mobilitas terbatas seperti fosfat (P) dan besi (Fe). Nutrisi ini mendasar bagi tanaman untuk berfungsi dan bereproduksi, namun erat ikatannya dengan partikel tanah dan tidak dapat ditransport kepada tanaman oleh aliran massa atau difusi. Dengan demikian, tanaman mesti menjelajahi volume tanah yang lebih besar untuk menghindari kekurangan ion ini di sekitar akar.

Rambut akar secara mendasar meningkatkan luas permukaan akar dan memungkinkan penarikan nutrisi-nutrisi ini dengan lebih efisien. Dengan demikian, tidak mengejutkan kalau sejumlah besar rambut akar memberi manfaat kompetitif saat besi atau fosfat terbatas : sungguh, telah ditemukan kalau spesies dengan rambut akar yang lebih banyak tumbuh lebih subur pada tanah yang rendah kadar besi atau fosfat dibandingkan spesies atau kultivar yang memiliki setup genetik untuk frekuensi rendah rambut akar.

Informasi Posisi tersandikan dalam DNA

Pada akar dari tanaman model Arabidopsis, sel rambut akar dan non rambut tersusun dalam pola bias posisi : sel yang memiliki kontak dengan dua sel dari jaringan dibawahnya berkembang menjadi sel rambut, sel yang memiliki kontak pada hanya satu sel akan mengalami takdir sebagai sel non rambut. Keputusan ini dibuat oleh sebuah interaksi kompleks dari faktor-faktor transkripsi, protein-protein kecil yang dengan pasti mengatur aktivitas penyandian gen untuk protein yang berpartisipasi dalam proses ini. Sebagian protein dapat bergerak dari lokasi produksi mereka ke sel tetangganya. Sel yang mendapatkan protein ini, pada gilirannya, mengekspor faktor transkripsi lainnya kembali ke tetangga mereka. Dengan jalan ini, sel dapat saling berkomunikasi dan pola sel rambut – non rambut bolak balik terbentuk. Bagaimana kemudian kalau, walaupun fakta bahwa semua sel memuat informasi genetik yang sama, tapi sel bertetangga memiliki struktur yang berbeda? Nasib berbagai sel ditentukan oleh pensinyalan posisional, sebuah lapisan informasi yang dikirimkan dengan, namun tidak disandikan oleh barisan DNA. Pada akar Arabidopsis, sebuah sinyal posisional diperoleh dari lapisan sel dibawah epidermis lewat ruang dalam dinding sel. Sel epidermis yang berada di dinding sel yang bersanding dengan dua sel lain mendapatkan jumlah sinyal ini sedikit lebih banyak daripada sel yang lebih jauh dari sumber sinyal. Ini menyebabkan sebuah bias dalam produksi salah satu faktor transkripsi dan polanya dapat terbangun tanpa perbedaan informasi genetik apapun antar sel.

Dari kekokohan menuju plastisitas

Pola ini bukannya tidak dapat balik dan dapat diubah sesuai dengan kondisi yang ada. Tanaman memiliki kemungkinan yang terbatas untuk lari dari asal mereka, dan plastisitas perkembangan mereka secara umum jauh lebih besar dari hewan. Ketersediaan nutrisi dapat mempengaruhi arsitektur keseluruhan akar. Dengan terpapar langsung pada dunia luar, sel dalam epidermis bersifat responsif pada perubahan lingkungan.

Ketiadaan besi dan fosfat sekaligus menyebabkan peningkatan jumlah rambut akar, dalam hal yang sama dengan situasi terkait. Saat pasokan fosfat rendah, rambut akar menjadi lebih panjang secara signifikan daripada tanaman yang tumbuh dengan jumlah P yang cukup. Sebagai tambahan rambut ekstra dalam posisi yang benar, rambut juga terbentuk di posisi yang secara normal ditinggali oleh sel non rambut. Sebaliknya, tidak adanya besi menyebabkan sedikit saja peningkatan frekuensi rambut. Walau begitu, rambut akar yang terbentuk sebagai respon dari defisiensi besi mengembangkan dua ujung, yang hampir melipat dua kan permukaan sel rambut akar.

Walau kedua situasi pada akhirnya membawa pada peningkatan luas permukaan akar, berbagai jalur dilewati untuk merasakan, menerjemahkan dan mengatasi sinyal terkait.

Biologi bertemu Matematika : pemodelan dinamika sistem biologis

Bagaimana perubahan nasib sel ini diatur? Kami mengasumsikan ada dua mekanisme berbeda yang bertanggung jawab untuk pola epidermal akar pada tanaman dewasa. Pola bias posisi awal, yang telah aktif sejak embrio, mendominasi akar tumbuh. Namun, gen-gen yang menyebabkan pola ini hanya aktif dalam zona akar yang sangat sempit. Dalam akar tanaman dewasa, zona ini hanya memuat persentase yang sangat kecil dari total sel epidermal. Mekanisme kedua terdiri dari sebuah aktivator yang memicu sintesisnya sendiri, dan sebuah inhibitor, yang juga diproduksi oleh aktivator yang penting pada tahap selanjutnya. Baik aktivator maupun inhibitor berdifusi dari asal mereka, namun inhibitor berdifusi lebih cepat dari aktivator. Pada jarak tertentu dari sebuah puncak aktivator, konsentrasi inhibitor sangat rendah dan memungkinkan puncak aktivator kedua muncul. Hasilnya adalah puncak-puncak periodik yang diterjemahkan menjadi formasi rambut akar. Mekanisme ini mendominasi akar dewasa dan menyebabkan jarak yang sama antar rambut di akar. Jarak yang hampir sama pada rambut akar penting untuk menghindari zona deplesi dari nutrisi tidak bergerak di sekitar akar. Sejumlah besar pola biologis telah dijelaskan oleh mekanisme inhibitor/aktivator yang pertama kali diajukan pada tahun 1950 an oleh matematikawan Inggris, Alan Turing.

Turing juga terkenal atas partisipasinya dalam menyandikan kode Enigma Jerma pada masa PD II dan karya mendasarnya dalam teori komputer. Dengan menggunakan matematika, ia membuktikan kalau sistem sederhana seperti itu dapat menghasilkan beraneka ragam pola. Pola sel epidermal menunjukkan sebuah ekspresi molekuler dari pertimbangan teoritis ini.

Epigenetika epidermal : lebih banyak informasi tersandikan

Informasi genetik disandikan oleh barisan basa di DNA. Walau begitu, contoh informasi posisional menunjukkan kalau bentuk sebuah organisme tidak dapat hanya dideduksi dari barisan gen. Tingkat lain informasi tersandikan disebabkan oleh pengemasan molekul DNA panjang. Pada sel tanaman dan hewan DNA melingkar disekitar protein yang disebut histone, seperti manik-manik di tali. Dalam konformasi ini DNA tidak dapat diakses ke permesinan yang menyebabkan gen berfungsi. Sebelum ini dapat terjadi, histones harus dimodifikasi secara kimia, yang menyebabkan sebuah remodeling seluruh kompleks. Perubahan demikian dapat terjadi pada masa perkembangan atau dalam merespon sinyal lingkungan, dan disebut sebagai epigenetik. Fenomena epigenetik didefinisikan sebagai semua perubahan yang dapat diwariskan dalam fungsi gen yang tidak tercermin dalam barisan DNA. Kita telah mengamati bahwaa mutan defektif dalam organisasi kromatin (kompleks yang tersusun dari DNA, histones dan beberapa protein lainnya), membentuk rambut akar lebih banyak atau sedikit saat dibandingkan dengan tipe liar. Sebagai tambahan, rambut pada posisi acak dan tidak menunjukkan jarak yang hampir sama besar yang memungkinkan pendapatan nutrisi optimal. Kami menyimpulkan kalau disrupsi “kesadaran khusus” disebabkan oleh sebuah komunikasi cacat antara sel epidermal. Tampak, sebuah pengemasan DNA yang benar penting bagi pola sel epidermal. Menariknya, pertumbuhan tanaman dalam medium P rendah mempengaruhi struktur kromatin, yang dapat ditafsirkan sebagai mekanisme pengatur potensial untuk mengadaptasikan tanaman pada lingkungannya.

Keputusan Demokratis: pensinyalan jarak jauh

Jumlah nutrisi hayati berubah dalam ruang maupun waktu. Dengan demikian, tidak semua akar terpaparkan pada konsentrasi mineral yang sama. Selain itu, permintaan nutrisi tergantung pada tahap perkembangan tanaman dan beragam seiring waktu. Dengan demikian perlu untuk mengintegrasi sinyal dan mengendalikan asupan pada seluruh tingkatan tanaman.

Percobaan kami menunjukkan kalau sinyal baik lokal maupun jarak jauh terlibat dalam keputusan nasib sel. Mutan tidak dapat merasakan jumlah fosfat dalam sel mereka, dan dengan demikian melakukan panggilan kekurangan darurat dari pucuk ke akar, membentuk lebih banyak rambut akar walaupun akar mereka dipasok dengan jumlah nutrisi yang cukup. Saat kami menumbuhkan tanaman mutan ini tanpa pucuk (untuk memotong sinyal dari daun), peningkatan jumlah rambut hanya ada saat tanaman tumbuh dalam medium bebas P. Ini menunjjukkan kalau sinyal lokal maupun jarak jauh perlu dan cukup untuk menginduksi fenotipe yang merupakan ciri khas tanaman defisien P.

Plastisitas : prasyarat kelangsungan hidup

Plastisitas perkembangan penting bagi tanaman untuk bertahan hidup, bereproduksi dan berkompetisi dalam lingkungan alami mereka. Rambut akar memberikan model sederhana untuk mempelajari efek sinyal lingkungan pada perubahan program perkembangan. Sel tanaman adalah totipoten, yaitu mereka memiliki kemampuan meregenerasi seluruh individual dari satu sel somatik terdiferensiasi. Kemampuan ini tercermin dalam plastisitas dalam perolehan nasib sel dalam sel epidermal akar dalam merespon sinyal luar yang mengadaptasikan tanaman pada kondisi lingkungan yang berubah. Sel epidermal akar memberikan alat untuk mendapatkan petunjuk mengenai mekanisme dibalik programming ulang sel. Pengetahuan ini, pada gilirannya, dapat dipakai untuk membuat tanaman yang lebih mampu beradaptasi pada sumber daya yang terbatas dan menghindari kebutuhan pupuk inorganik P yang mahal dan berpotensi merusak.

Perbedaan dalam pola rambut akar pada kondisi kontrol dan pada kondisi defisit Fe atau P

The X
Sains adalah sebuah pengetahuan universal, ilmu pengetahuan tidaklah sama dengan pengetahuan dongeng. Kadang, fakta lebih menyakitkan daripada doktrin / pandangan turun temurun.
Bergabung dengan 1000 orang lebih dengan kami melalui sosial media

Berlangganan artikel dan berita terbaru dari kami via email


Aktifitas

© 2010 FaktaIlmiah.com. Hak cipta asli oleh faktailmiah
Anda boleh mendistribusikannya dengan mencantumkan referensi dari situs kami.