Sistem Imun Tumbuhan

A. RESPON IMUN TUMBUHAN

Dalam pertumbuhannya, tumbuhan seringkali mengalami gangguan dari berbagai patogen penyebab penyakit baik dari kelompok jamur, bakteri, virus, nematoda, dan mikoplasma.

Secara umum tumbuhan dapat bertahan dari serangan patogen tersebut dengan kombinasi sifat pertahanan diri yang dimilikinya, yaitu:

 (1) Sifat-sifat struktural yang berfungsi sebagai penghalang fisik dan menghambat patogen yang akan masuk dan berkembang di dalam tumbuhan.

 (2) Reaksi-reaksi biokimia yang terjadi di dalam sel dan jaringan tumbuhan yang menhasilkan zat beracun bagi patogen atau menciptakan kondisi yang menghambat pertumbuhan patogen pada tumbuhan tersebut. Kombinasi antara sifat struktural dan reaksi biokimia yang digunakan untuk pertahanan bagi tumbuhan berbeda antara setiap sistem kombinasi inang – patogen.

1.      PERTAHANAN STRUKTURAL

a)      Struktur Pertahanan Sebelum Ada Serangan Patogen

Garis pertama pertahanan tumbuhan terhadap patogen adalah permukaan tumbuhan, patogen mempenetrasi permukaan tumbuhan supaya dapat menyebabkan infeksi. Pertahanan struktural terdapat pada tumbuhan bahkan sebelum patogen datang dan berkontak dengan tumbuhan.  Struktur-struktur tersebut meliputi jumlah dan kualitas lilin dan kutikula yang menutupi sel epidermis, ukuran, letak dan bentuk stomata dan lentisel, dan jaringan dinding sel yang tebal yang menghambat gerak maju patogen.

Lilin pada permukaan daun dan buah membentuk permukaan yang dapat mencegah terbentuknya lapisan air (water-reppelent) sehingga patogen tidak dapat berkecambah atau memperbanyak diri. Selain itu terdapatnya bulu-bulu halus dan tebal pada permukaan tumbuhan mungkin juga mempunyai pengaruh yang sama dengan efek penolak air sehingga dapat menurunkan tingkat infeksi.

Kutikula yang tebal dapat meningkatkan ketahanan tumbuhan terhadap infeksi patogen yang masuk ke tumbuhan inang hanya melalui penetrasi secara langsung. Akan tetapi ketebalan kutikula tidak selalu behubungan dengan ketahanan tumbuhan karena ada beberapa varietas Tumbuhanyang memiliki lapisan kutikula tebal tetapi mudah terserang oleh patogen.

Ketebalan dan kekuatan dinding bagian luar sel-sel epidermis nampaknya merupakan faktor penting dalam ketahanan beberapa jenis tumbuhan terhadap patogen-patogen tertentu. Sel-sel epidermis yang berdinding kuat dan tebal akan membuat penetrasi secara langsung mengalami kesulitan atau bahkan tidak mungkin dilakukan sama sekali.

b)      Sruktur Pertahanan Yang Dibentuk Sebagai Tanggapan Terhadap Infeksi Patogen.

Meski pada tumbuhan terdapat pertahanan guna mencegah terjadinya serangan patogen penyebab penyakit akan tetapi infeksi masih saja bisa terjadi. Maka dari itu setelah patogen dapat mempenetrasi pertahanan struktural yang ada pada tumbuhan, tumbuhan akan mampu membentuk struktur yang berfungsi untuk bertahan dari serangan patogen tersebut.

Beberapa jenis pertahanan struktural yang terbentuk melibatkan jaringan disekitar jaringan Tumbuhanyang terserang (bagian dalam tumbuhan) yang biasa disebut struktur pertahanan jaringan (histologycal defense structure), yang melibatkan dinding sel yang terserang disebut struktur pertahanan sel  (cellular defense structure), dan yang melibatkan sitoplasma sel yang terserang prosesnya dinamakan reaksi pertahanan sitoplasma (cytoplasmic defense reaction). Dengan demikian adanya kematian sel yang terserang oleh patogen dapat melindungi tumbuhan dari serangan selanjutnya oleh patogen tersebut. Hal demikian biasa disebut nekrotik atau reaksi pertahanan hipersensitif (hypersensitive defense reaction). 

c)      Struktur Pertahanan Jaringan

·         Pembentukan Lapisan Gabus (Cork Layer). Infeksi inang oleh patogen penyebab penyakit sering menyebabkan tumbuhan membentuk beberapa lapisan yang terdiri dari sel-sel gabus di depan titik infeksi sebagai akibat rangsangan terhadap sel-sel inang oleh zat yang disekresikan patogen. Lapisan gabus menghambat serangan patogen dari awal luka dan juga menghambat penyebaran zat beracun yang mungkin disekresikan patogen. Lapisan gabus menghentikan hara dan air dari bagian yang sehat ke bagian terinfeksi dan memisahkan patogen dari tempat hidupnya. Jaringan yang mati termasuk patogennya selanjutnya dibatasi oleh lapisan gabus dan patogen tetap berada pada tempat yang membentuk nekrosis atau ditekan keluar oleh jaringan sehat dibawahnya dan membentuk kudis yang mungkin mengelupas sehingga memisahkan patogen dari inangnya.

·         Pembentukan Lapisan Absisi (abscission layers). Lapisan absisi terbentuk pada daun muda yang aktif setelah infeksi oleh patogen. Lapisan absisi terdiri dari celah antara dua lapisan sirkuler sel daun yang mengelilingi lokus infeksi. Pada infeksi lamela tengah antara dua lapisan sel tersebut menjadi larut dari keseluruhan ketebalan daun sehingga memotong areal pusat infeksi dari bagian sisa daun. Secara bertingkat bagian tersebut mengerut/layu, mati dan mengelupas, dan patogen ikut terbawa pada bagian tersebut.

·         Pembentukan Tilosa. Tilosa terbentuk di dalam pembuluh kayu pada tumbuhan dalam keadaan stres dan selama penyerangan oleh jenis patogen vaskular. Tilosa adalah protoplasma yang tumbuh melebihi normal dari sel-sel parenkim yang menonjol dari pembuluh kayu melalui lubang-lubang. Bisa saja tilosa terbentuk sangat banyak dan cepat di depan patogen sehingga mampu menghambat perkembangan patogen selanjutnya.

·         Pengendapan getah atau blendok (gums). Berbagai jenis getah dapat dihasilkan oleh tumbuhan disekitar luka oleh infeksi patogen. Dengan adanya getah tersebut terbentuk penghalang yang tidak dapat dipenetrasi oleh patogen sehingga patogen menjadi terisolasi dan tidak bisa memperoleh nutrisi dan lama kelamaan akan mati.

d)     Struktur Pertahanan Seluler

Melibatkan perubahan morfologi di dalam dinding sel atau perubahann yang berasal dari dinding sel yang diserang oleh patogen. Namun mekanisme pertahanan ini memiliki kemampuan yang terbatas. Ada tiga jenis utama struktur pertahanan seluler yaitu:

 (1) terjadi pembengkakan pada lapisan terluar dinding sel yang disertai dengan zat berserat (amorphous) yang dapat mencegah bakteri memperbanyak diri.

(2) dinding sel yang menebal sebagai respon terhadap beberapa jenis virus dan jamur patogen.

(3) kalosa palpila yang terdeposit pada sisi bagian dalam dinding sel sebagai respon terhadap serangan jamur patogen.

e)      Reaksi Pertahanan Sitoplasmik

Pada beberapa jenis sel yang terserang oleh jamur patogen sitoplasma dan intinya membesar. Sitoplasma menjadi granular dan keras dan muncul berbagai partikel atau berbagai bentuk didalamnya akhirnya miselium patogen terurai dan infeksi berhenti.

2. PERTAHANAN METABOLIK (BIOKIMIA)

Pada beberapa jenis tumbuhan terdapat zat yang dihasilkan oleh sel sebelum atau sesudah terjadi infeksi. Terbukti dengan adanya jenis tumbuhan yang tidak terdapat sistem pertahanan struktural namun tidak terdapat infeksi dari patogen penyebab penyakit.

a)      Pertahanan Kimia Sebelum ada Serangan Patogen

·         Inhibitor yang Dilepaskan oleh Tumbuhan ke Lingkungannya. Tumbuhan mengeluarkan berbagai zat baik dari bagian tumbuhan di atas tanah maupun melalui permukaan akarnya. Beberapa zat yang dikeluarkan oleh tumbuhan memiliki daya hambat terhadap patogen-patogen tertentu.

b)      Pertahanan dengan Tidak Terdapatnya Faktor-faktor Esensial

·         Tidak ada Pengenalan antara Inang  dan Patogen. Spesies atau varietas tumbuhan tertentu mungkin tidak dapat diinfeksi oleh patogen jika permukaan selnya tidak mempunyai faktor pengenal-spesifik (specific recognition factor) yang dapat dikenali oleh patogen. Jika patogen tidak mengenal tumbuhan sebagai salah satu tumbuhan inangnya, maka patogen mungkin tidak jadi menyerang tumbuhan tersebut atau mungkin patogen tidak menghasilkan zat-zat infeksi.

·         Kekurangan Reseptor dan Bagian yang Sensitif Inang terhadap Toksin. Pada kombinasi inang – patogen, patogen biasanya menghasilkan toksik spesifik – inang, toksik tersebut bertanggung jawab terhadap gejala yang akan dihasilkan dan bereaksi terhadap dengan bagian sensitif atau bagian reseptor tertentu di dalam sel. Hanya tumbuhan yang mempunyai reseptor atau bagian sensitif yang menjadi sakit.

·         Tidak ada Hara-hara Esensial bagi Patogen. Varietas tumbuhan karena beberapa sebab manghasilkan suatu zat esensial untuk bertahan hidup bagi parasit obligat sehingga varietas tersebut tahan terhadap serangan patogen.

·         Inhibitor yang Terdapat dalam Sel Tumbuhan Sebelum Infeksi. Beberapa senyawa fenolik dan tanin terdapat dalam konsentrasi tinggi dalam sel daun atau buah yang masih mudadan diperkirakan bertanggung jawab dalam ketahanan jaringan yang masih muda tersebut terhadap mikroorganisme patogenik.

c)      Ketahanan Metabolik yang Disebabkan oleh Serangan Patogen

·         Inhibitor Biokimia yang Dihasilkan Tumbuhan Dalam Responnya terhadap Kerusakan Patogen. Sel dan jaringan tumbuhan bereaksi terhadap kerusakan, baik yang disebabkan oleh patogen atau agensia mekanik dan kimia, melalui serangkaian reaksi biokimia yang ditujukan untuk mengisolasi gangguan dan menyembuhkan luka. Reaksi tersebut sering berhubungan dengan reaksi fungitoksis di sekeliling tempat pelukaan sepertihalnya pembentukan lapisan jaringan perlindungan seperti kalus dan gabus.

·         Pertahanan melalui peningkatan kadar senyawa fenolik. Senyawa fenolik terdapat pada tumbuhan sehat maupun sakit. Peningkatan kadar senyawa fenolik seringkali terjadi lebih cepat setelah terjadi infeksi pada varietas tahan. Senyawa fenolik yang terdapat pada tumbuhan tidak sehat tetapi dihasilkan setelah terjadi infeksi ialah fitoaleksin. Fitoaleksin dihasilkan oleh sel sehat yang berdekatan dengan sel-sel rusak dan nekrotik untuk mencegah patogen berkembang.

·         Pertahanan melalui Pembentukan Substrat yang Menolak Enzim Patogen. Ketahanan tumbuhan terhadap beberapa jenis patogen ialah akibat dari adanya senyawa-senyawa yang tidak mudah diuraikan oleh enzim-enzim patogen. Senyawa-senyawa tersebut merupakan bentuk komplek antara pektin, protein dan kation polivalen seperti kalsium atau magnesium. Senyawa-senyawa tersebut dapat menghambat pertumbuhan patogen sehingga mengakibatkan luka yang terbatas. 

·         Pertahanan Melalui Inaktivasi Enzim Patogen. Beberapa jenis senyawa fenolik dan hasil oksidasinya dapat menghasilkan ketahahnan terhadap penyakit melalui reaksi penghambatan enzim pektolitik dan enzim patogen yang lain.

·         Pertahanan melalui Pelepasan Sianida Fungitoksis dari Kompleks Non-Toksis. Beberapa jenis tumbuhan sianogenik glikosida atau ester sianogenik yang bersifat tidak beracun di dalam sel selama senyawa tersebut terpisah dari enzim-enzim hidrolitik tertentu. Akan tetapi apabila sel tersebut dirusak secara fisik sehingga membrannya terganggu dan kandungan selnya bercampur, maka enzim hidrolitik bercampur dengan kompleks sianogenik dan dapat menghasilkan senyawa toksin sianida yang beracun bagi sebagian besar organisme dan mikroorganisme.

3. CONTOH BERBAGAI MACAM PERTAHANAN TUMBUHAN

1)      Sel idioblas, adanya zat kimia beracun ini, dapat merobek mulut serangga herbivor dan hewan herbivor. Sel idioblas terbagi atas 4 jenis yaitu :

·         Sel berpigmen yang mengandung tannin (pahit).

·         Sel sclereid yang memiliki struktur yang keras yang sulit dikunyah oleh serangga dan hewan herbivor.

·         Sel crystalliferous yang mengandung kristal kalsium oksalat yang dapat merobek mulut herbivor dan dapat menjadi racun jika tertelan.

·         Sel silika yang memberi kekuatan dan sifat kaku pada rumput teki sehingga serangga sulit memakannya.

2)      Lapisan kutikula epidermis (zat lilin), dengan adanya lapisan lilin pada epidermis tumbuhan, akan mencegah kurangnya air pada Tumbuhandan mencegah jamur hidup (dikarenakan jamur dapat tumbuh di daerah lembab dan banyak air) dan mencegah spora jamur berkecambah.

·      Adanya stomata yang menutup jika ada patogen yang berkaitan pula dengan mekanisme kerja MAMPs.

·      Adanya trikoma, dapat mencegah serangga bertelur pada permukaan daun Tumbuhankedelai dan mencegah patogen masuk ke epidermis

3)      Terdapat kulit kayu, kulit terluar dari Tumbuhanberupa phellem yang kedap air serta strukturnya keras karena ada suberin dan mencegah patogen masuk sampai ke sel-sel hidup yang berada di lapisan bawahnya, terdapat pula kandungan lignin yang strukturnya keras dan kaku.

4)      Resitensi basal atau innate immune

Terjadi jika sel-sel tumbuhan mengenali mikroba dengan adanya molekul MAMPs (microbe-associated molecular patterns) termasuk protein spesifik, LPS, dan komponen dinding sel yang ditemukan pada mikroba sehingga sel Tumbuhandapat bertahan yang disebut dengan resistensi basal atau innate immune. Bila patogen berhasil masuk menginfeksi tumbuhan, terdapat 2 respon yang terjadi yaitu :

·         Compatible respon : tumbuhan akan sakit karena terinfeksi

·         Incompatible respon : tumbuhan tetap sehat karena mampu mengenali patogen dan meniadakan patogen dengan sistem imun resisten/innate.

Jika resistensi basal ditembus oleh patogen, terdapat pertahanan yang disebut HR (Hypersensitive response) yang ditandai dengan sel tumbuhan sengaja bunuh diri di lokasi tempat terjadinya infeksi, yang dapat membatasi akses patogen untuk mengambil nutrisi dengan mengorbankan sedikit sel nya untuk menyelamatkan bagian tumbuhan yang lain. Setelah respon HR diinduksi, Tumbuhandapat tahan terhadap patogen dalam jangka waktu yang lama. Sistem ini disebut pula SAR (systemic acquired resistance)

Terdapat fitohormon (molekul penting yang berperan dalam regulasi signaling tumbuhan) terdiri dari hormon classic (auksin, sitokinin, giberelin, asam absisat, dan ethylene (ET) ). Serta molekul kecil berupa Salycic acid (SA), Jasmonate acid (JA), dan Brassinosteroid. Yang berperan utama dalam signaling primer yaitu SA, JA, dan ET. SA --> SAR (melawan patogen hemibiotriph dan biotroph. JA dan ET --> ISR (Induced Systemic Resistance) berperan melawan patogen necrotroph dan serangga herbivor.

Terdapat pula pertahanan tumbuhan melawan virus secara genetik yang disebut dengan RNA silencing. Virus menghasilkan  untai RNA atau DNA selama replikasi dalam sel inang. Tumbuhanmengenali untai RNA/DNA tersebut lalu mencernanya dan template untai RNA/DNA yang dicerna tersebut dapat digunakan untuk menanggapi/merespon jika diserang oleh virus di kemudian hari. Mekanisme pertahanan ini mirip dengan sel memori pada vertebrata.

Dihasilkan senyawa metabolit pada tumbuhan :

a)      Metabolit primer yang digunakan untuk pertumbuhan, perkembangan, dan reproduksi. Misal : glukosa, asam amino, asam nukleat, dan protein

b)      Metabolit sekunder yang digunakan untuk pertahanan :

·         Terpenoid

·         Tumbuhanmint hasilkan menthol

·         Krisan -->pyrethrins (neurotoksin pada serangga)

·         Kapas --> gossypol (antijamur dan antibakteri)

·         Bayam --> phytoectysones (mengganggu perkembangan larva)

·         Jeruk --> limonoid

·         Nimba --> azadirachtin

·         Sereh --> citronella

·         Digitalis purpurea --> digitoxin dan digoxin

·         Phenolics

·         Flavonoid berupa antocyanin (mencegah bahaya sinar UV)

·         Flavonoid (tannin) -->menginaktifkan enzim di saliva serangga

c). Merusak struktur sel patogen dan metabolismenya :

·         Alfalfa -->medicarpin

·         Tomat --> rishitin 

·         Arabidopsis thaliana --> camalexin

·         Alkaloid (turunan asam amino) :

·         Kopi -->cafein

·         Tembakau -->nicotine

·         Lombok -->capsaicin

·         Coklat --> theobromin

·         Kubis --> glucosinolate (cyanogenicglycosides) memproduksi asam sianida (HCN) yang dapat menghentikan respirasi seluler serangga.

Adanya elicitor yang terdapat pada kelenjar liur serangga herbivor akan direspon oleh Tumbuhandengan melepaskan VOCs (Volatile Organice Compounds) misalnya senyawa terpenoid yang merupakan produk metabolit sekunder.

1.              Dihasilkan enzim :

a)      Enzim inhibitor berupa inhibitor amilase, inhibitor proteinase

b)      Enzim hidrolitik berupa enzim lisozim yang dapat merusak dinding sel bakteri dan enzim kitinase yang dapat mendegradasi dinding sel jamur

2.              Dihasilkan protein antimikroba misal defensin yang menghambat jamur, bakteri, dan nematoda

3.              Molekul H2O2. Molekul ini merespon jika terdapat patogen berupa jamur. Adapun mekanisme kerjanya terdiri dari 2 bagian :

a)                 Jamur yang menyerang pektin dinding sel tumbuhan, akan dihentikan oleh H2O2 yang menghentikan aksi penzim pektinase dari jamur dengan cara, peroksidase bereaksi dengan pektinase dan bahan kimia yang tidak beruna tersebut lalu dihancurkan.

b)                 Mekanisme kerja yang lain dari molekul H2O2 yaitu H2O2  menginduksi Tumbuhanuntuk menghasilkan senyawa phytoalexins (mirip protein antivirus) . kerjanya menghambat sintesis protein dan pertumbuhan. H2O2 di membran plasma akan memicu respon kimia untuk menginformasikan inti sel yang terinfeksi dengan mRNA --> ribosom dan diproduksi phytoalexins.

B. REAKSI PERTAHANAN NEKROTIK (HIPERSENSITIF)

Lebih merupakan mekanisme pertahanan biokimia bukan mekanisme pertahanan struktural. Dianggap sebagai pertahanan struktural karena respons sejumlah sel yang terlihat jelas. Pertahanan ini dapat mencegah menyebar luasnya serangan patogen (parasit obligat). Seperti Virus, Cendawan, Bakteri, dan Nematoda.

Pada proses infeksi patogen, patogen mempenetrasi dinding sel, setelah patogen berkontak dengan protoplasma sel inti bergerak kearah serangan patogen dan segera terdisintegrasi/pecah dan berbentuk bulat berwarna coklat di dalam sitoplasma. Pertama-tama keadaan tersebut mengelilingi patogen patogen dan kemudian keseluruhan sitoplasma. Pada saat sitoplasma berubah warna menjadi coklat dan akhirnya mati hifa yang menyerang mulai mengalami degenerasi. Hifa tidak dapat tumbuh ke luar sel yang terserang dan serangan selanjutnya akan terhenti. Jaringan yang mengalami nekrotik akan mengisolasi parasit obligat dari substasnsi hidup disekitarnya sehingga dapat menyebabkan patogen mati.

Respons hipersensitif (HR) merupakan suatu induksi kematian sel-sel secara lokal pada titik infeksi patogen. Gejala hipersensitif dapat dilihat bila terjadi pada banyak sel dan tidak dapat dilihat bila hanya terjadi pada satu atau beberapa sel.

Peningkatan ketahanan dinding sel dengan memperkuat molekul-molekul. Dinding sel tumbuhan yang kontak dengan patogen (cendawan) dapat memproduksi beberapa senyawa pertahanan yang terakumulasi dan meningkatkan kekuatan dinding sel terhadap invasi cendawan

Protein-protein yang  berhubungan dengan Patogenisitas adalah kelompok protein struktural yang toksik terhadap patogen. Terdistribusi dalam jaringan tumbuhan dalam jumlah sangat sedikit. Diproduksi dalam konsentrasi tinggi bila terjadi serangan patogen atau stres lingkungan. Terdapat secara inter dan intraselulair. Senyawa-senyawa tersebut misalnya:

1. Fitoaleksin

Merupakan senyawa toksik anti mikroorganisme yang diproduksi  karena adanya:

• Serangan mikroorganisme patogen
• Kerusakan mekanik
• Gangguan bahan kimia
• Dalam konsentrasi yang cukup dapat menekan perkembangan patogen
• Senyawa fenol sederhana

Diproduksi dan terakumulasi secara cepat setelah terjadinya infeksi terutama pada varietas tumbuhan resisten. Misalnya Chlorogenic acid, Caffeic acid, Ferulic acid.