Simbiosis Bakteri-Legum

Bakteri Pembentuk nodul akar:

• Rhizobium
• Bradyrhizobium
• Sinorhizobium
• Mesorhizobium
• Azorhizobium

Penting: Dalam kondisi tidak bersimbiosis baik legum maupun Rhizobium tidak mampu mengikat nitrogen, kemampuan nitrofixing baru berkembang setelah bersiimbiosis.

Dalam kultur murni Rhizobium baru dapat mengikat Nitrogen jika dalam kondisi mikroaerofilik karena untuk memperoleh energi pada saat fiksasi O₂ Rhizobium memerlukan O₂ tetapi Nitrogenase yang terbentuk menjadi non aktif akibat O₂. Ketika bersimbiosis dengan dalam nodul, Kadar O2 secara akurat dikendalikan oleh protein pengikat O₂ yaitu leghemoglobin. Leghemoglobin yaitu protein dengan inti mengandung besi, berwarna merah. Baik Rhizobium maupun legum sendiri-sendiri tidak mampu menghasilkan leghemoglobin, pembentukan hemoglobin diinduksi oleh interaksi antara keduanya. Fungsi Hemoglobin adalah sebagai buffer oksigen yang akan selalu berubah antara dalam bentuk  teroksidasi (Fe³⁺)  dan dalam bentuk tereduksi (Fe²⁺) menjaga tingkat O₂ bebas di dalam nodul tetap rendah tetapi konstan.

Fase-fase pembentukan bintil akar

1. Pengenalan pasangan yang cocok antara rhizobium dan tanaman dan pelekatan baktri pada buluh-buluh akar

2. Ekskresi faktor nod oleh bakteri

3. Invasi buluh akar oleh bakteri membentuk jalur infeksi

4. Masuk ke bagian utama akar melalui jalur infeksi

5. pembentukan  bakteroid, yaitu sel-sel bakteri dengan bentuk beragam di dalam sel tanaman dan berada dalam kondisi mampu mengikat N2

6. Sel tanaman dan bakteri di dalamnya membelah secara terus menerus sehingga terbentuk bintil akar.

Pelekatan dan Infeksi

·    Akar tanaman legum mengeluarkan sekret berupa berbagai senyawa organik yang menstimulasi pertumbuhan berbagai bakteri pada Rhizosfer.

·    Jika pada Rhizosfer terdapat Rhizobium, akan terjadi pertumbuhan sehingga kepadatan populasinya menjadi meningkat.

·    Pelekatan dimediasi oleh rhicadesin, suatu protein pelekat yang terdapat pada permukaan sel Rhizobium maupun Bradyrhizobium.

·    Rhicadhesin  merupakan protein pengikat kalsium yang berfungsi dengan mengikat kompleks kalsium yang terdapat pada permukaan buluh akar. Substansi lain yaitu protein yang mengandung karbohidrat, lectins juga ikut berperan pada pelekatan bakteri.

·    Penetrasi Rhizobium ke dalam buluh akar  terjadi melalui ujung buluh akar.

·    Setelah melekat, bakteri akan mengekskresikan substansi (faktor nod) yang menyebabkan buluh akar melekuk (curl) dan bakteri akan masuk ke dalam buluh akar.

·    Masuknya bakteri ke dalam buluh akar menginduksi pembentukan tabung selulosa yang disebut jalur infeksi (infection thread) yang menjalar ke bagian lain dari akar. Sel-sel yang berdekatan dengan buluh akar akan terinfeksi dan faktor nod akan menstimulasi pembelahan sel.

BACTEROIDS

·      Rhizobium yang terdapat di dalam sel tanaman akan berreplikasi dengan cepat dan mengalami perubahan menjadi lebih bengkak, tanpa bentuk dan bercabang yang disebut bacteroid.

·      Bakteroid akan dikelilingi, baik sendiri-sendiri atau dalam kelompok kecil oleh membran sel tanaman membentuk suatu struktur yang disebut simbiosom. Fiksasi nitrogen baru dapat dimulai setelah terbentuk simbiosom ini.

Pembentukan Nodule

·      Gen yang mengatur tahap spesifik dari prosus nodulasi oleh strain Rhizobium adalah gen-gen nod.

·      Gen-gen nod terdapat pada plasmid berukuran besar yaitu plasmid sym, selain mengandung gen-gen nod, pada plasmid sym juga terdapat gen spesifik yang membatasi pelekatan Rhizobium pada tanaman tertentu. Akan tetapi dengan mentransfer plasmid sym yang sesuai, inokulasi silang dapat dilakukan.

·      Pada Rhizobium leguminosarum  biovar viciae, gen-gen nod terletak di antara dua kluster gen yang penting pada fiksasi nitrogen yaitu gen-gen nif.

·      Fungsi gen-gen nod:

Gen nod	fungsi
nodABC	produksi oligosakarida yaitu  faktor nod yang penting pada pelekukan buluh akar dan memicu pembelahan sel akar tanaman
Nod	mengendalikan transkripsi gen-gen nod lainnya dengan   membentuk protein yang berikatan dengan DNA pada bagian hilir dari gen struktural nod, setelah berikatan dengan molekul inducer akan memicu terjadinya transkripsi.
nodF	mengkode pembentukan protein carrier asil spesifik yang digunakan oleh protein Nod A untuk mengasilasi faktor nod
nodE dan nodL	inokulasi inang lain
nodM	membentuk glukosamin synthase yang penting pada sintesis faktor nod
nodI dan nodJ	Sintesis protein membran yang berfungsi untuk mengeksport faktor nod dari sel bakteri.

·      Salah satu inducer penting adalah flavonoid, suatu molekul organik kompleks yang dihasilkan oleh tanaman.

Biokimia pengikatan Nitrogen di dalam Nodul

·       Fiksasi nitrogen melibatkan nitrogenase, suatu enzim yang mengandung Fe dan Mo. Nitrogenase bersifat sensitif terhadap O₂ dan mampu mereduksi N₂.

·       Nitrogenase terdapat di dalam sel bakteroid dan tidak dilepaskan di dalam sitoplasma sel tanaman.

·       Bakteroid secara total tergantung pada tanaman akan suplai energi yang dibutuhkan pada pengikatan N₂.

·       Bahan organik utama yang ditransfer menembus simbiosom ke dalam bakteroid adalah senyawa intermediate untuk siklus TCA, yaitu asam suksinat, malat dan fumarat. Senyawa-senyawa itu berfungsi sebagai donor elektron untuk pembentukan ATP. Selain itu  senyawa tersebut dikonversi menjadi  piruvat yang merupakan sumber elektron untuk mereduksi nitrogen.

·       Produk fiksasi N₂ pertama yang stabil adalah amonia, beberapa tahap berikutnya akan mengubah amonia menjadi bahan organik lain dilakukan oleh sel tanaman.

·       Meskipun bakteroid dapat memetabolisme amonia menjadi bahan organik, tingkat metabolisme di dalam bakteroid sangatlah rendah. Sebaliknya enzim yang penting pada asimilasi amonia yaitu Glutamine shynthetase terdapat dalam jumlah banyak pada sel tanaman, sehingga amonia akan di transfer ke dalam sel tanaman dan dikonversi menjadi glutamin.

·       Selain glutamin, senyawa nitrogen organik lain seperti  asam amino amida (asparagin dan 4-methylene glutamine)  dan kelompok ureida (allantoin dan asam allantoin) juga disintesis oleh tanaman  dan ditransport ke jaringan.