Allocation, Translocation, and Partitioning

of Photoassimilates

Selama siang hari, hasil fotoasimilasi oleh Photosynthetic Carbon Reduction (PCR) untuk sementara dikumpulkan di daun sebagai sukrosa di vakuola mesofil atau amilum di stroma kloroplas.

Fotoasimilasi Sukrosa atau amilum alokasi karbon

Asimilasi Karbon

Di daun Di organ atau jaringan lain

transpor

Translokasi floem

Efisiensi distribusi hasil fotosintesis Penentuan produktivitas hasil panen

Topik Utama yang akan dibahas: 1. Biosintesis amilum dan sukrosa.

2. Alokasi karbon di antara jalur biosintesis amilum dan sukrosa.

3. Dasar identifikasi jalur floem untuk translokasi fotoasimilasi dan substansi alam yang ditranslokasikan di floem.

4. Struktur jaringan floem, khususnya beberapa aspek unik dari struktur dan komposisi sieve tube (pembuluh penyaring).

5. Konsep source-sink dan signifikasi dari sources dan sink untuk proses translokasi.

6. Hipotesis pressure-low untuk translokasi floem dan proses fotoasimilasi masuk lagi dalam floem pada daun dan berkurang dari berkas translokasi pada organ target.

7. Faktor yang meregulasi distribusi fotoasimilasi antara competing sinks.

8. Muatan dan translokasi agrokimia xenobiotic.

1. Biosintesis Amilum (Stroma) dan Sukrosa (Sitosol)

Amilum polisakarida yang terdiri dari dua bentuk yaitu amilosa dan amilopektin.

a. Amilum dibiosintesis dalam Stroma

Gambar 1. Struktur kimia dari dua bentuk amilum: amilosa dan amilopektin. Amilosa adalah rantai panjang dari ikatan α-(1→4) turunan glukosa. Amilopektin adalah polimer bercabang banyak dari ikatan α-(1→4) glukosa yang mengandung α-(1→6) titik cabang.

Sintesis Amilum Tempat sintesis amilum pada daun adalah di kloroplas. Penyimpanan amilum paling banyak terdapat pada kloroplas tanaman C3 (terlihat jelas dengan mikrograf elektron).

hexose phosphate pool oleh siklus PCR

hexose-phosphate isomerase phosphoglucomutase

Dikatalisis oleh enzim ADP-glucose phosphorylase

• Enzim amilum sintase mengkatalisis pembentukan ikatan α-(14) yang baru

Sukrosa merupakan disakarida solubel (dapat larut) mengandung turunan glukosa dan fruktosa

b. Sukrosa dibiosintesis dalam Sitosol

Sintesis Sukrosa

sucrose synthase (SS)

energi ditentukan oleh hidrolisis sucrose-6- phosphate (sekitar 12.5 kJ mol−1) yang mungkin berperan dalam akumulasi konsentrasi sukrosa tinggi.

• sucrose phosphate synthase

• sucrose phosphate phosphatase

Biosintesis sukrosa pada jalur lain membutuhkan aktivasi glukosa dengan nukleotida Uridine Triphosphate (UTP) daripada ATP

Translokasi sukrosa dari daun ke organ penyimpanan seperti akar, jaringan umbi, dan perkembangan biji ini paling sering disimpan sebagai amilum. Konversi sukrosa menjadi amilum umumnya diduga melibatkan pembalikan reaksi sukrosa sintase:

Hasil ADP-glukosa kemudian diubah menjadi amilum oleh starch synthase

Biosintesis Amilum dan Sukrosa merupakan proses yang kompetitif Metabolisme karbohidrat sebagian besar diatur oleh hubungan source-sink. Daun fotosintetik source yang menyediakan asimilasi karbon untuk dikirim ke sink (organ penyimpanan, misalnya buah). Hubungan antara sukrosa dan amilum, itu sering diamati mengganggu pengiriman ke sink, sehingga mengurangi photoassimilate, mengakibatkan akumulasi amilum pada daun. Sitosol fruktosa-1,6-bifosfat fosfatase (FBPase) memainkan peran yang lebih penting dalam menyeimbangkan alokasi karbon antara sukrosa dan sintesis amilum

BIOSINTESIS FRUKTAN MERUPAKAN JALUR ALTERNATIF ALOKASI KARBON

Fruktan polimer fruktosa yang larut dalam air

Biosintesis fruktan terjadi di vakuola

Fruktan terdapat pada sereal (gandum, barley, rye), bawang, leek, dan lain-lain.

Biosintesis fruktan membutuhkan enzim sukrosa – sucrose fructosyl transferase (SST).

sukrosa+ sukrosa 1-kestosa + glukosa

Pembentukan polimer fruktosa membutuhkan enzim fructan fructosyl transferase (FFT)

1-Kestosa + fruktan → glukosil-1,2-fruktosil-1,2-fruktrosil-(fruktosil)N

Akumulasi karbon melebihi laju penggunaan karbon menginduksi akumulasi sukrosa dan metabolisme enzim-enzim fruktan (SST dan FFT)

Akumulasi sukrosa pada sitosol (mencapai 40% dari berat kering) sukrosa ditransfer pada vakuola dan diubah menjadi fruktan.

Terjadi akumulasi fruktan pada rumput untuk menjaga laju asimilasi CO2

FOTOASIMILAT DITRANSLOKASI PADA SELURUH BAGIAN TUMBUHAN

Untuk membedakan translokasi zat anorganik dan organik pada tumbuhan Malpighi melakukan teknik GIRDLING

GIRDLING menghilangkan/membuang kulit (bark) pohon (yang mengandung floem) dari kayu (hanya mengandung xilem) pada batang muda dengan memisahkankannya pada bagian kambium vaskulernya.

Hasil: tanaman yang dihilangkan floemnya membengkak pada bagian di sekitar sayatan atas.

BUKTI 1

Girdling pada pohon berkayu. A. Jaringan floem dihilangkan dari

kayu (xilem) pada kambium vaskuler.

B. Aliran nutrisi dan hormon ke bawah terhambat nutrisi menumpuk pembelahan sel cepat bagian yang membengkak

BUKTI 2

Radioaktif terdeteksi (warna abu-abu) pada floem di tangkai daun gula bit setelah fotosintesis selama 10 menit dengan adanya 14CO2

KESIMPULAN

Translokasi dari fotoasimilat dan senyawa-senyawa organik lain di seluruh jaringan tumbuhan dilakukan oleh floem

KOMPOSISI FOTOASIMILAT YANG DIANGKUT OLEH FLOEM

Fotoasimilat selain sukrosa merupakan non-reducing sugar:

Raffinose

Stachyose pada Cucurbita maxima

Verbascose

Maninitol atau sorbitol pada Oleaceae, Rosaceae

Sukrosa sebagai sarana translokasi fotoasimilat

1. Disakarida yang bukan gula pereduksi (non-reducing sugar) ikatan asetat antara subunit stabil dan non-reaktif pada larutan alkali/basa. Monosakarida seperti glukosa dan fruktosa (reducing sugar) gugus aldehid atau keton sebagai agen oksidasi.

2. Ikatan β-fructoside antara glukosa dan fruktosa memiliki energi bebas bernilai negatif tinggi (sekitar -27 kJ mol-1)

SIEVE ELEMENT unsur pokok floem Pembeda floem dengan jaringan lain adalah sieve element (sel tapis).

Floem terdiri dari:

1. Sieve element dinding sel tidak terlalu keras dan mengandung protoplas ketika dewasa dan fungsional. Protoplas berfungsi sebagai penghubung antara sieve element dan sieve area. Ketika pori pada sieve area membesar dan

berkelompok sieve plate.

2. Companion sel sel parenkim pada floem yang berasosiasi dengan sieve element. Companion sel dan sieve element berasal dari sel induk yang sama sehingga bisa berasosiasi dan saling berhubungan secara sitoplasmik, dan saling ketergantungan.

Sel transfer sel parenkim istirahat yang mengalami pertumbuhan pada dinding sel yang dapat memperluas permukaan membran plasma.

Fungsi dari sel transfer belum diketahui, tetapi dilihat dari namanya fungsi dari sel transfer untuk mengumpulkan dan menyalurkan hasil fotosintesis dari sel mesofil, memfasilitasi pertukaran larutan antara sel transfer dengan apoplas sekitarnya.

Jaringan Floem dari batang tembakau

Eksudat floem mengandung sejumlah protein penting Eksudat floem dari Cucurbita mengandung P-protein.

Dengan mengunakan teknik dari sodium dodecyl sulphate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) dengan variasi sub unit polipeptida dengan massa molekul 15-220 kD.

Hasil: protein floem bervariasi antar spesies berdasarkan komposisi sub unit dan properti kimianya.

Salah satu ciri protein floem: mampu membentuk gel.

Bentuk gelatin tersebut dapat dicegah dengan menggunakan 2-mercaptoethanol – mencegah pembentukan ikatan disulfide (-S-S-)

P-protein dapat mengimplikasi yang menunjukkan jenis transport dari sieve element. Pada beberapa teori disebutkan bahwa P-protein berperan aktif dalam proses transportasi.

P-protein di sepanjang dinding bagian dalam sieve element dan tidak menyumbat sieve plate.

Penyumbatan pada sieve plates terjadi ketikan sieve element terluka. Keadaan tersebut terjadi karena dibawah tekanan hidrostatik postif secara normal. Hal tersebut akibat dari aliran exudate secara terus menerus dari aphid stylets.

Ketika tekanan dilepaskan melalui luka ke sieve element, P-protein mengarah ke luka. Kemudian P-protein mungkin membentuk gel untuk menyumbat bagian dari sieve plate memberikan tekanan. Oleh karena itu salah satu fungsi dari protein adalah protektif. Selain itu P-protein juga membantu perbaikan dari tekanan positif hidrostatik dari floem dan mengurangi hal yang tidak diperlukan dalam proses asimilasi.

KALOSE

Salah satu bagian penting dari sieve element adalah kalose.

Kalose berkaitan dengan tepung dan selulosa.

Sebagian kecil dari kalose disimpan dalam permukaan sieve plate atau battas dari pori yang menghubungkan antara sel satu dengan yang lainnya.

Kalose terdapat pada pada pori yang berperan dalam translokasi.

Kalose dapat melakukan sintesis dengan cepat dan sama dengan P-protein , yang akan terakumulasi pada sieve element yang terluka.

Jadi fungsi dari kalose adalah untuk melindungi sieve element yang sudah tidak berfungsi atau yang terluka.

Arah dari translokasi ditentukan oleh hubungan antara Source dan Sink

Identifikasi dari organ atau jaringan tersebut termasuk source atau sink dilihat dari arah dari transport asimilasi.

Source adalah exporter or produser assimilasi atau Organ atau jaringan yang melakukan asimilasi. Contoh: daun dewasa

Sink adalah importer atau konsumer dari hasil fotoasimilasi. Contoh: akar, jaringan batang dan buah yang berkembang.

Hasil fotoasimilasi ditranslokasikan dari source ke sink

Translokasi floem terjadi oleh massa transfer Faktor-faktor yang mempengaruhi mekanisme translokasi melalui floem:

1.Struktur sieve element, termasuk adanya sitoplasma aktif, P-protein, dan ketahanan sieve plate.

2.Laju translokasi yang teramati (50-250 cm hr-1)

3.Translokasi dengan arah berbeda pada waktu yang sama

4.Tansfer asimilat awal dari mesofil daun ke sieve element dari tulang daun minor (floem loading).

5.Transfer akhir asimilat keluar dari sieve element ke sel target (floem unloading)

Transport hasil asimilasi: dengan cara difusi, aliran sitoplasma, pompa ion melalui sieve plate dan elemen kontraktil di protoplasma transeluler. Tetapi teori tersebut sudah ditolak.

Pada tahun 1930 E. Munch: translokasi floem hipotesis “pressure flow”. Mekanisme “pressure flow” berdasarkan pada massa transfer larutan dari source ke sink sepanjang gradien tekanan hidrostatik (turgor).

Pengangkutan gula ke dalam sieve element terdekat dari source menyebabkan pengambilan air secara osmosis dari element xilem terdekat. Pengambilan air meningkatkan tekanan hidrostatik di sieve element. Tekanan menurun pada sink berakhir ketika gula dilepaskan ke dalam sel penerima dan air dikembalikan ke xilem. Perbedaan tekanan ini menyebabkan aliran air dari source ke sink. Gula terbawa secara pasif.

Diagram “pressure flow”

Floem loading dan unloading mengtur translokasi dan penyekatan Dalam pembahasan translokasi floem perlulah membahas bagaimana asimilasi dipindahkan dari sel mesofil fotosintesis ke dalam elemen-elemen ayakan pada ujung sumber (floem loading) atau dari elemen ayakan ke dalam sel target pada ujung sink (floem unloading)

Floem Loading dapat Terjadi dengan cara Simplas atau secara Apoplas Hampir semua sel mesofil berada di dalam (sedikitnya 10 mm), pada hampir tiga atau empat jarak sel dari ujung pembuluh minor dimana pengangkutan asimilasi ke dalam elemen ayak-kompleks sel rekan (se-cc/sieve element-companion cell complex) biasanya terjadi

sukrosa berpindah dari sel mesofil ke floem, yaitu pada sel parenkim floem, secara prinsip oleh difusi melalui plasmodesmata (simplas)

Sukrosa dilanjutkan melalui simplas- kemudian melalui plasmodesmata- kemudian secara langsung ke dalam kompleks se-cc (kompleks elemen ayakan sel rekan) Jalur ini diketahui sebagai jalur simplastik

Cara lain, gula mungkin ditransportasikan melewati membran sel mesofil dan dilepaskan ke dalam cairan dinding sel (aploplasma). Kemudian akan diambil melalui membran se-cc kompleks dimana gula memasuki arus transpor jarak jauh Rute tersebut dikenal sebagai jalur apoplastik.

Model apoplastik untuk pengangkutan floem diketahui pada pertengahan tahun 1970-an oleh D.R. Geiger dan rekannya

Percobaan ini menggunakan daun-daun yang telah dikupas dengan carborundum untuk membuang kutikulanya, hal itu meningkatkan akses ke apoplas daun

Mereka menemukan bahwa radioaktif sukrosa nampak pada apoplas seiring sebuah periode fotosintesis pada kehadiran 14CO2

Mereka juga menemukan bahwa secara exogenous suplai gula diserap ke dalam kompleks se-cc ketika daun dikupas yang direndam dalam cairan yang mengandung 14C-sukrosa

Hasilnya mengindikasikan bahwa sukrosa ditemukan secara normal pada apoplas dan dapat diambil ke dalam elemen ayakan dari apoplas

Pengangkutan floem di beberapa tanaman juga dihalangi oleh zat kimia seperti asam sulfonik p-chloromercuribenzene (PCMBS) ketika diaplikasikan untuk daun-daun yang dikelupas atau cakram daun

PCMBS dan regen sulfhydryl spesifik tertentu yang lain kiranya bertentangan dengan protein karier yang dilibatkan dalam transpor sukrosa melalui membran plasma.

Karena regen tersebut tidak dapat menembus membran sel, efek yang lain mereka harus dilokalisasi pada permukaan apoplastik dari membran

Sukrosa dan gula yang lain dengan selektif diangkut ke dalam komplek se-cc melawan sebuah gradien konsentrasi, yang biasanya menyiratkan transpor aktif

sebuah mekanisme pengambilan sukrosa yang tergantung-ATP dan dihubungkan pada pengambilan proton; yaitu, sebuah kotranspor gula-H+

Kesimpulannya bahwa pengambilan gula disertai dengan kenaikan pH (deplesi proton) atau perubahan polaritas dalam apoplas

Dan sebaliknya, jika pH secara eksperimen naik- maka proton dipindahkan dari apoplas dengan menerobos apoplas dari daun yang dikelupas dengan sebuah bufer dasar kemudian diletakkan dalam sel floem menjadi penghalang

dibeberapa kasus itu dapat ditunjukkan bahwa hanya gula yang diambil ke dalam komplek se-cc dan ditranslokasikan dalam sieve elemen akan menimbulkan respon pH

Gula yang lain, yang tidak secara normal diletakkan oleh floem, menimbulkan tidak ada perubahan pH

Gula diletakkan ke dalam komplek se-cc dengan simport gula-H+, ditranslokasikan ke luar dari wilayah sumber

Sebuah Eksperimen membuka alternatif penafsiran: bahwa kotranspor sukrosa-H+ ada sebagai mekanisme untuk mendapatkan kembali sukrosa yang mengalami kebocoran dari sel fotosintetik dalam apoplas

Seperti mekanisme pengembalian tidak membedakan antara gula yang bocor dari mesofil, atau dengan mungkin komplek se-cc, dan gula yang disuplai secara eksogenus oleh pengeksperimen

Jika kebocoran terjadi, sebuah mekanisme untuk mengembalikan dilakukan untuk mencegah kehilangan gula dari arus transpor. Tentu saja telah didalilkan bahwa kebocoran- siklus kembali terjadi secara normal sepanjang keseluruhan jalur translokasi.

Floem Unloading mungkin terjadi secara simplas atau apoplas

Floem unloading terjadi melalui apoplastic atau symplastic.

Rute yang symplastic ( jalur 1) telah diuraikan sebagian besar pada jaringan muda, pupus daun dan ujung akar.

Aliran sukrosa, melalui hubungan plasmodesmata, terjadi pada gradien konsentrasi dari kompleks se-cc ke site metabolisme pada sink sel.

Gradien tersebut mengalir ke dalam sel akhir adalah diatur dengan hidrolisis sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa

Ada dua jalur aploplastik, yaitu jalur 2 dan 3.

Jalur 2 pada penyimpanan sel parenkim, termasuk mengeluarkan sukrosa dari kompleks se-cc ke dalam apoplas.

Pengeluaran tersebut tidak sensitif terhadap inhibitor metabolik atau PCMBS dan bahkan tidak termasuk sebuah energi pembawa.

Pada apoplas, sukrosa dihidrolisis oleh enzim asam invertase yang mengikat dengan kuat dinding sel dan mengkatalis reaksi

Sucrose + H2O →glucose + fructose

Reaksi tersebut tidak dapat balik dan menghidrolisis produk, glukosa dan fruktosa, secara aktif diambil oleh sel sink

Hidrolisis sukrosa pada apoplas dikombinasi dengan ketidak balikan reaksi dari reaksi asam invertase

Jalur ini sama untuk yang terjadi dalam biji jagung, sorgum dan pearl millet

Jalur ketiga untuk floem unloading mengindikasikan bahwa sukrosa tidak diangkut ke dalam apoplas dengan energi karier yang tidak bebas. dibantu dengan kotransporter sukrosa-H+