PENYERAPAN DAN AKUMULASI TEMBAGA (Cu2+) PADA KULTUR Datura metel L. IN VITRO SERTA PENGARUHNYA PADA PROFIL METABOLIT

YULITA NURCHAYATI, Dr. rer.nat. Ari Indrianto, S.U.

2017 | Disertasi | S3 Biologi

Tembaga (Cu) merupakan salah satu mikromineral yang memiliki fungsi esensial, karena menjadi bagian dari kompleks fotosistem pada proses fotosintesis. Ion Cu2+ secara alamiah diserap melalui bulu akar tumbuhan dan penyerapannya dibantu oleh keberadaan mikroba pada rhizosfer. Beberapa jenis tanaman yang ditumbuhkan secara in vitro juga menunjukkan kemampuan menyerap ion logam. Penggunaan unsur Cu2+ yang berlebihan mengakibatkan cekaman bagi tumbuhan. Salah satu mekanisme tumbuhan untuk mengurangi dampak cekaman tersebut adalah menyerap dan mengakumulasinya. Kecubung (Datura metel L.) belum pernah dilaporkan memiliki potensi sebagai tumbuhan akumulator. Penelitian ini menggunakan kecubung yang ditanam secara in vitro. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan bahan dan komposisi medium bagi pembentukan kalus, kultur pucuk dan kecambah in vitro yang akan digunakan sebagai bahan uji, menganalisis banyaknya Cu2+ yang diserap dan diakumulasi pada semua jenis kultur berdasarkan bentuk senyawa dan konsentrasinya, mengkaji pengaruh bentuk senyawa dan konsentrasi Cu2+ terhadap pertumbuhan dan perkembangan kultur in vitro serta mengkaji pengaruh bentuk senyawa dan konsentrasi Cu2+ terhadap profil metabolit pada sampel kultur. Ruang lingkup penelitian ini adalah penggunaan kultur kalus, kultur pucuk dan kecambah in vitro serta kecambah in vivo di rumah kaca. Metoda kerja yang dilakukan adalah menginduksi kalus dan pucuk masing-masing dari eksplan daun di dalam medium Murashige&Skoog (MS). Kultur kalus diinduksi pada medium MS dengan kombinasi Kinetin 3x10-5 M dan NAA 10-5 M, sedangkan kultur pucuk diinduksi pada medium MS dengan penambahan BA 4x10-6 M. Kecambah in vitro diperoleh dari perkecambahan biji secara aseptik. Pengujian terhadap cekaman Cu2+ secara in vitro dilakukan pada kultur kalus, kultur pucuk dan kecambah yang ditumbuhkan di dalam medium MS dengan perlakuan 2 macam senyawa Cu (CuCl2.2H2O dan Na2CuEDTA) dan 5 tingkat konsentrasi (0; 0.025; 1.25; 2.5; 3.75; dan 5 mg/L) selama 10 hari. Pengujian pada kecambah in vivo dilakukan dengan menumbuhkan kecambah dalam medium MS cair tanpa sukrosa dan vitamin dengan penambahan Cu2+. Desain penelitian menggunakan Rancangan Acak Lengkap (RAL) dengan 2 faktor, yaitu faktor bentuk senyawa dan faktor konsentrasi Cu2+. Analisis kualitatif dan kuantitatif pada tahap ini meliputi variabel pertumbuhan, persentase penyerapan Cu2+, produksi H2O2, aktivitas SOD (superoksida dismutase), kandungan MDA (malondialdehyde), kandungan prolin, profil protein, dan profil metabolit pada kultur. Hasil penelitian menunjukkan akumulasi Cu2+ tertinggi terjadi di akar kecambah in vivo, sedangkan yang terendah oleh kalus. Toksisitas Cu2+ dapat direduksi oleh sistem pertahanan seluler, melalui peningkatan aktivitas SOD dan kandungan prolin. Kedua bentuk senyawa Cu2+ yang diujikan tidak menginduksi biosintesis senyawa alkaloid pada semua jenis kultur. Baik CuCl2.2H2O maupun Na2CuEDTA menginduksi beberapa metabolit yang spesifik. Profil metabolit yang dihasilkan terdiri dari asam trikarboksilat, asam lemak, asam organik, hidrokarbon, senyawa amina, senyawa terpenoid dan senyawa fenol. Kalus memproduksi ragam metabolit paling banyak dibandingkan kultur yang lain. Senyawa alkaloid hanya dijumpai pada akar tumbuhan induk, sedangkan senyawa fenol hanya dijumpai pada kultur tanpa Cu2+. Pengujian dengan Na2CuEDTA 3.75 mg/L menginduksi metabolit skualen pada kultur kalus dan kultur pucuk. Kesimpulannya, semua kultur mampu menyerap dan mengakumulasi kedua bentuk senyawa Cu2+. Kalus, kultur pucuk, kecambah in vitro dan kecambah in vivo menunjukkan toleransi yang tinggi terhadap Cu2+ pada konsentrasi 5 mg/L. Kedua macam senyawa Cu menginduksi beragam metabolit pada kultur in vitro.

Copper (Cu) is one of the essential micro-minerals for plants, which take part of photosystem complex in photosynthesis. Naturally, ion Cu2+ is absorbed by plant roots with microbial associated in the rhizosphere. Some of plant species grown in vitro showed their ability to absorb metal ions. Excess Cu2+ leads to stress effect for plants. The plants absorb and accumulate Cu2+ into cells as one of mechanisms to reduce the stress effect. The potency of Amethyst (Datura metel L.) as Cu2+ accumulator has never been reported yet. This research was aimed to determine the material and medium composition for callus culture induction, shoot culture and in vitro seedlings of D. metel L., examine the amount of two kinds of Cu2+ absorbed and accumulated in all of cultures, to study the effect of both Cu compounds to the growth and development of cultures, as well as to observe towards its metabolite profiles. The scope of this research is the use of in vitro culture including callus, shoots, and seedlings culture and also in vivo seedling in a greenhouse. Research methodology which was carried out consists of callus and shoots induction derived from leaf explants in Murashige&Skoog (MS) medium. Callus culture was induced in MS medium that combined with Kinetin 3x10-5 M and NAA 10-5 M, while shoots culture was induced in MS medium by addition of BA 4x10-6 M. In vitro seedlings were derived from aseptic seed germination. Examination of in vitro Cu2+ stress treatment was performed on callus, shoots, and seedlings culture which were grown in MS medium with two kinds of Cu compound (CuCl2.2H2O and Na2CuEDTA) and 5 concentration levels (0; 0.025; 1.25; 2.5; 3.75; and 5 mg/L) for 10 days. Examination of in vivo seedlings was performed on seedlings which were grown in liquid MS medium + Cu without sucrose and vitamin. Research design was Completely Randomized Design (CRD) with two factors i.e. kinds of Cu compound and level of concentrations. Qualitative and quantitative analysis included growth variable, percentage of Cu2+ absorption, H2O2 production, SOD (superoxide dismutase) activity, MDA (malondialdehyde) content, proline levels, protein profile, and metabolite profiles of various cultures prepared. The results showed that the highest Cu2+ accumulation was performed by in vivo root seedling, while callus showed the opposite. Cu2+ toxicity can be reduced by the cellular defense system, through increased SOD activity and proline content. Both of the tested Cu compounds were not able to induce the biosynthesis of alkaloids in all cultures. Otherwise, it induced some specific metabolites. The metabolite profiles obtained comprises tricarboxcylic acids, fatty acids, organic acids, hydrocarbons, amines, terpenoids and phenols. Callus produced the most various metabolites compared to other cultures. Alkaloids were found only in the root of intact plant, whereas phenols were found only in cultures without Cu. Examination of Na2CuEDTA at 3.75 mg/L in callus and shoots culture showed potential to induce squalene biosynthesis. In conclusion, all cultures were able to absorb and accumulate both kinds of Cu compounds. Besides, all cultures showed high tolerance to Cu2+ at 5 mg/L. In vitro cultures produced various metabolites by all of Cu compounds treatment.

Kata Kunci : penyerapan tembaga (Cu2+), kalus, akumulator logam, profil metabolit