RESPON EPIGENETIK TANAMAN TERHADAP STRES DENGAN 3 TINGKAT

PERTAHANAN

Oleh :

Dewi Puspa A 111510501110

Ajeng Widyaningrum 111510501111

Fajri Wildana 111510501109

Yustina Ratnasari 111510501116

PROGRAM STUDI AGROTEKNOLOGI (BEASISWA UNGGULAN)

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS JEMBER

2013

PENDAHULUANSudah dapat dipastikan bahwa tanaman di lapangan akan menghadapi resiko stres.

Kondisi tersebut karena beberapa faktor, yaitu suhu dan intensitas cahaya yang terlalu tinggi atau rendah, kandungan unsur hara yang tidak optimal, hambatan mekanik, patogen, rendahnya simbiosis, interaksi dengan tanaman lain, dan parasit atau herbivora. Hal tersebut menimbulkan respon tanaman untuk meminimalisir kondisi stres demi kelangsungan hidupnya dengan cara memicu aktivitas respon pertahanan dari tanaman. Mekanisme ini memungkinkan tanaman untuk menempati habitat ekstrim. Dalam kondisi lapangan , jenis stres yang berbeda biasanya terjadi bersamaan , seperti panas dan kekeringan dengan respon molekular, shingga akan sulit untuk dibedakan. Selain itu, respon untuk satu jenis stres juga dapat bertentangan dengan yang lain , contohnya tanaman beradaptasi terhadap substrat yang miskin hara untuk mengurangi stres dengan cara berkompetisi. Gangguan stres dengan penyebab faktor epigenetik semakin sering terjadi belakangan ini. Efek stres pada tingkat epigenetik diharapkan dapat menimbulkan perubahan yang lebih pasti. Untuk itu, ulasan ini akan fokus pada hubungan stres dengan konsep epigenetik , yang dipisahkan dalam tiga tingkatan, antara lain:

Level 1: Komponen-Komponen Epigenetik Untuk Menginduksi Respon StressTanaman mempunyai berbagai mekanisme “sensing” dan “signaling” yang berbeda

untuk menginduksi respon stres saat terjadi rangsangan. Signaling meliputi hormon asam salisilat (SA), asam jasmonic (JA) dan ethylene pada cekaman biotik, dan asam absisat (ABA) dalam kasus stres abiotik. Namun, ada kasus yang berkembang bahwa “noncoding” dan siRNAs serta protein yang menghasilkan atau mengikat mereka terlibat dalam sinyal stres dan kemudian dapat menginduksi transkripsi yang membungkam gen (TGS atau PTGS, masing-masing). Prinsip-prinsip ini dijelaskan dalam review oleh Wierzbicki.

Ada banyak contoh diferensial siRNA, miRNA atau ncRNA ekspresi pada stres. Identifikasi terbaru dari gen mutasi NRPD2 bertanggung jawab untuk lebih konstitutif dari gen SA-yang bisa diinduksi, menyediakan link mekanistik antara sinyal stres dan unsur RNA yang diarahkan pada jalur metilasi DNA. Beberapa mutasi RdDM memiliki respon kekebalan terhadap jamur patogen yang berkorelasi dengan kurangnya induksi gen dengan JA. Sebaliknya, resistensi terhadap bakteri patogen meningkat, sesuai dengan peningkatan kadar gen yang berhubungan dengan pertahanan asam salisilat dan diperkaya mengaktifkan kromatin tanda H3K4me3 dan H3K9ac pada promotor gen SA-yang dapat diinduksi PR-1.

Stres pasti bisa menginduksi produksi siRNAs , baik melalui antisense transkripsi “protein – coding” atau “non - protein – coding” atau kebalikannya. Di antara 76 RNA non - protein - coding panjang ( npcRNA ) dalam genom Arabidopsis, 26 diantaranya telah mengubah tingkat ekspresi pada fosfat rendah , garam atau kekeringan. Beberapa dari mereka memunculkan 24 bp siRNAs , dan npc536 diberikan pada pertumbuhan akar membaik di bawah tekanan garam. Salah satu contoh peran siRNAs dalam toleransi stres yang ekstrim adalah siRNA dehidrasi - dan ABA - diinduksi retro-element yang diturunkan yang berfungsi mengatur respon adaptif dalam pertumbuhan tanaman Craterostigma plantagineum.

Menerapkan tailor-made transkrip terbalik secara berulang (IR) adalah teknik rutin untuk mengganggu transkripsi gen target dengan homologi yang dihasilkan siRNAs, tapi siRNA yang serupa juga dapat berasal dari transkrip endogen IR. Dua ulangan Arabidopsis,

IR71 dan IR2039 menghasilkan siRNA kelas ukuran yang berbeda, yang beberapa dapat membungkam GFP-reporter di trans. Endogen IR sangat bervariasi dalam genom ekotipe yang berbeda Arabidopsis, menunjukkan evolusi cepat dan perubahan adaptif yang cepat. Namun, respon sebenarnya IR yang diturunkan siRNA yaitu faktor lingkungan dan kontribusi terhadap stres adaptasi masih harus dibuktikan.

Level 2: Stres yang Mempengaruhi Struktur KromatinSinyal atau tanda stress mengarah ke ekspresi suatu gen stres yang diadaptasi dan

juga mempengaruhi struktur kromatin pada gen responsif, secara langsung atau tidak langsung. Perubahan tersebut dapat mempengaruhi metilasi DNA, modifikasi ekor histon, pertukaran varian histon, atau hunian nukleosom dan konfigurasi kromatin yang lebih besar, seperti yang didokumentasikan dalam contoh berikut ( Gambar 1 ) .

Metilasi DNA merupakan strategi pertahanan yang penting terhadap infeksi oleh virus. Transkrip virus beruntai ganda dapat menyebabkan metilasi pada urutan yang homolog, yang menyebabkan penemuan fenomena RdDM. Mutan Arabidopsis RdDM sangat peka terhadap infeksi virus gemini. Beberapa Sirnas terkait dengan infeksi virus dapat melengkapi daerah genom inang, terutama untuk urutan peraturan yang mengandung unsur retro - berevolusi dari peristiwa integrasi kuno, dan dapat mengerahkan untuk membungkam gen stabil seperti 'off - target'. Prinsip yang sama bisa diterapkan pada Sirnas endogen lainnya yang sesuai dengan daerah promotor dan dapat mempengaruhi gen yang terkait dengan stres. Misalnya, elemen berulang dalam promotor dari gen transporter natrium adalah target metilasi dan menentukan toleransi stress akibat garam. Sebuah korelasi yang masuk akal juga bahwa metilasi DNA dari dua gen mengendalikan pembangunan stomata, represi transkripsi mereka, dan berkurangnya jumlah stomata pada tanaman Arabidopsis yang tumbuh di bawah kelembaban rendah. Perubahan metilasi yang

muncul (non-target) atau belum dikaitkan dengan target gen stres yang diinduksi oleh stres garam dalam Arabidopsis, atau akar tanaman padi, dengan derajat yang berbeda tergantung pada sensitivitas garam dari kultivar. Hal ini bisa saja merupakan efek sekunder akibat perubahan aktivitas stres akibat regulator epigenetik. Beberapa perubahan metilasi juga diamati terkait dengan herbivora dan serangan patogen dalam dandelion, dan di antara mangrove atau pohon karet yang tumbuh di habitat yang berbeda. Ketahanan lebih tinggi terhadap patogen mutan Arabidopsis dengan cacat pada methyltransferases DNA menginspirasi analisis genome setelah infeksi dengan bakteri patogen, mengungkapkan perubahan metilasi dalam semua konteks urutan dan di beberapa lokus, termasuk gen yang berhubungan dengan pertahanan, transposon dan pengulangan.

Ada beberapa laporan dari stres akibat modifikasi ekor histon dan ketahanan stres yang diubah dalam mutan yang kekurangan enzim pemodifikasi histon. Pemasangan dari tanda aktif dapat mengakibatkan peningkatan tingkat transkripsi gen stres tapi mungkin juga hanya penyederhanaan gen target untuk respon lebih cepat atau lebih kuat pada serangan yang lebih serius. ABA dan garam merubah H3 fosforilasi dan H4 asetilasi pada kultur sel tembakau dan Arabidopsis. Aktivasi gen untuk gen protein penerima kekebalan pada Arabidopsis tergantung pada histon methyltransferase yang menginstal H3K36me3. Sebuah target yang menonjol yaitu juga PR–1, gen yang terlibat dalam hal pertahanan atau adaptasi stres dimana H3K4me2, H3K4me3 dan tingkat H3ac meningkat pada pengobatan SA atau patogen. Ekspresi PR1 diatur secara negatif oleh dua faktor transkripsi WRKY, yang keduanya berinteraksi dengan deacetylase histon 19 (HDA19). Deasetilasi mengurangi tanda aktif, dan induksi HDA19 terhadap infeksi bakteri bisa menjadi cara kromatin untuk melemahkan sistem pertahanan tanaman, di antara banyak strategi lain. Deacetylase histone lain, hda6, diperlukan untuk membekukan toleransi di Arabidopsis, meskipun jalan ke asetilasi histon pada gen target tertentu hilang. Sebuah ligase ubiquitin histon menentukan ketahanan terhadap jamur necrotrophic, dan meningkatnya jumlah jenis modifikasi yang teridentifikasi membuat kemungkinan bahwa lebih dari mereka juga akan terhubung dengan regulasi stres.

Metilasi histon di H3K27 dibawah kendali Polycomb/Trithorax kompleks dan responnya terhadap sinyal lingkungan dijelaskan secara rinci di tempat lain. MSI1, anggota PRC2 serta kompleks CAF1, memberikan kontribusi terhadap kekeringan resistensi stres dengan mengendalikan ekspresi gen ABA - responsif dan sintesis prolin. Turunkan H3K27me3 setingkat dengan gen asam absisat responsif terhadap “downregulation” dari regulator siklus sel retinoblastoma terkait (RBR), dan induksi beberapa gen yang terkait dengan stres sebelum deregulasi mesin siklus sel menunjukkan koneksi ketat dan kompleks antara faktor stres yang memodifikasi fitur kromatin dan regulasi perkembangan. Tiga varian histone lainnya juga terhubung dengan respon stres. Histon varian H2A.Z terkait dengan “5'end” dari banyak gen yang relevan untuk represi respon patogen, sebagai mutan yang kekurangan subunit dari SWR1 kompleks yang menginstal H2A.Z, menunjukkan peningkatan resistensi terhadap infeksi bakteri. Sebuah hubungan yang jelas tentang varian ini juga dengan stres abiotik terlihat dari penggusuran sebesar paparan panas. Kurangnya ARP6, satu SWR1 subunit , meniru perubahan transkripsi bahkan pada suhu kamar. Selanjutnya, penghubung histon H1 varian tanaman spesifik dinyatakan di bawah tekanan kekeringan pada Arabidopsis, dan “downregulation” dalam tomat mengungkapkan pentingnya hal ini dalam respon stres air. Stress yang merusak DNA diikuti oleh

penggabungan H2A.X , yang menjadi terfosforilasi dan menarik kompleks perbaikan DNA dan aktivator transkripsi. Namun, banyak komponen kromatin yang mungkin terlibat dalam perbaikan DNA dan rekombinasi.

Terakhir, asosiasi nukleosom dengan DNA dapat dimodifikasi dalam respon terhadap stres. Bukti tidak langsung berasal dari analisis mutan dengan cacat pada faktor remodeling kromatin dalam respon terhadap stres. Sebuah protein fosfatase 2C dan ABA co - reseptor, hipersensitif terhadap ABA1 (hab1) dapat berinteraksi dengan subunit dari ATP-dependent kromatin renovasi SWI3B kompleks, dan mutan swi3b menunjukkan penurunan respon ABA. Deregulasi dari gen yang dikontrol secara epigenetic dan sekuens berulang pada stress panas dikaitkan dengan kehilangan transien nukleosom DNA yang terikat pada daerah genom tertranskripsi dan non - transkripsi, dan dengan substansial de-kondensasi kromatin yang berbeda. Peran untuk hunian nukleosom selanjutnya disarankan oleh pengurang stress panas yang tertunda diaktifkan dalam mutan dengan gangguan subunit kromatin ASSEMBLY FAKTOR 1 (CAF-1). Penggusuran nukleosom, bersama dengan modifikasi ekor histon juga diamati pada sasaran gen faktor transkripsi stres dalam alga Chlamydomonas.

Level 3: Potensi AdaptasiPada kondisi stress yang tinggi pertumbuhan akan terhambat, namun tanaman masih

dapat memperbaiki dirinya, meneruskan pertumbuhannya serta berkembang. Pada proses adaptasi, kemampuan tanaman mentolerir hilangnya kerusakan komponen DNA jauh lebih baik daripada binatang. Banyak tanaman berkembang biak secara vegetatif dan menghindari pemrograman epigenetik selama pembentukan gamet dan reproduksi seksual seperti yang ditemukan pada mamalia. Tanaman yang sering mengalami stress bisa saja akan lebih rentan pada stress, dan apabila tanaman tersebut masih dapat bertahan hal tersebut akan menguntungkan tanaman. Namun beberapa jenis stress menimbulkan efek “priming” dengan mengurangi atau menghilangkan transmisi dengan meniru sifat utama. Kekurangan dari metode ini adalah efek yang didapat tidak bertahan lama, hanya bertahan satu atau 2 generasi saja. Pada analisis metilasi DNA pada individu antar generasi dari habitat yang berbeda menunjukkan keragaman epigenetik yang besar. Hal tersebut terjadi karena adanya perubahan epigenetik yang dipicu oleh mutasi genetik.

KESIMPULANVariasi epigenetik berkontribusi langsung terhadap potensi adaptasi tanaman,

seperti keragaman genetik yang dipengaruhi kondisi lingkungan. Namun semua respon epigenetik terhadap stres tidak dapat dijadikan patokan sebagai ciri adaptif karena masih menjadi bahan perdebatan.