peran trehalose metabolisme sepanjang masa kehidupan …

Peran Trehalose Metabolisme Sepanjang MasaKehidupan Tanaman

Oleh:Prapti Sedijani

Program Studi Pendidikan Biologi

AbstractTrehalose/T6P has important role at entire plant stage of life starting from embryonic

stage, vegetative growth, generative growth and senescence. The roles include celldevision, cell shape, plant architectecture, and plant responses to biotic and abiotic stress.Syncrunizing between energy demand and energy availability is the main mode of theroles through reprogramming of gene expression responsible for anabolism and/orcatabolism processes depending on given situation including biotic and abiotic stress.Moreover, proteins of trehalose metabolism are suggested to affect enzyme activity oftarget proteins. SnRK1 and bZIP11 involve in all those modes. Understanding crusialroles of trehalose metabolism in plant therefore is necessary in order to get benefit fromthis pathway for agricultural issue.

AbstrakTrehalose/T6P berperan penting bagi tahapan kehidupan tanaman dari tahap embryo,

pertumbuahn vegetatif, pertumbuhan generatif, hingga sanesensi. Peran molekul tersebutberpengaruh pada pembelahan sel, bentuk sel, arsitektur tanaman dan respon tumbuhanterhadap stres biotik dan abiotik. Pengintegrasian antara kebutuhan dan ketersediaanenergi merupakan modus utama dalam peran tersebut melalui pemrograman ekspresi genyang bertanggung jawab terhadap proses anabolisme dan atau katabolisme sesuai dengansituasi tertentu termasuk dalam kondisi stres biotic dan abiotik. Selain itu, protein-proteindalam lintasan metabolisme trehalose ini juga diduga mempengaruhi aktivitas enzim-enzim target. Peran krusial metabolisme trehalose, manusia dapat memanfaatkan lintasanini untuk kepentingan pertanian.

PENDAHULUANumbuhan sebagai mahluk sesil tidakbias memilih tempat tumbuhnya,oleh karena itu, tanaman tidak harus

menghadapi tantangan biotic maupunabiotik dari lingkungannya. Pemahamanmengenai bagaimana tumbuhanmenghadapi, beradaptasi dan bertahanhidup adalh menarik untuk dipelajari danagar dapat dimanfaatkan untuk kepentinganmanusia dalam dunia pertanian. Salah satudari mekanisme tersebut melibatkanlintasan metabolism trehalose.

Trehalose adalah gula sederhanadisakarida terdiri atas dua molekul glukosayang dihgubungolvean satu sama laindengan ikatan glikosida α-α 1-1. Gula initermasuk dalam gula non reduksi,mempunyai tingkat kemanisan sekitar 45%dibanding sukrosa (Higashiyama, 2002).Bersifat amourphous (tak berbentuk) padakondisi 100% tanpa air (Hagen et al 1995).Gula ini banyak ditemukan pada organismtingkat rendah bakteri dan jamur, tanamantingkat rendah serta pada tanaman yangteradaptasi dengan kehidupan yang keras

T

Jurnal Biologi Tropis. Vol. 14 No. 2 Juli 2014 139 ISSN: 1411-9587

seperti iklim gurun (Zentella et al 1999).Berikut review yang menjelaskan perantrehalose dalam kehidupan tumbuhan,termasuk bertahan menghadapi stress bioticdan abiotik.

PEMBAHASAN1. Karakter trehalose

Trehalose, sebagai gula non reduksi,tidak mudah didegradasi oleh faktor luarkecuali didegradasi secara enzimatis.Konskwensinyanya gula ini tidak mudahmengalami perubahan struktur fisikamaupun kimianya dalam berbagai kondisislingkungan dalam rentang yang luas,misalnya terhadap perubahan suhu, pH danstatus air (Higashiyama, 2002). Yang unikdari trehalose bukan saja sifat alamiahmolekulnya sendiri stabil, tapi juga bersifatmenyetabilkan molekul-molekul yang adadisekitarnya, termasuk molekul biologi(Higashiyama, 200) misalnya terhadapsuhu (Doehlemann etal, 2006; Patist et al,2005), garam tiggi (Chang et al 2014) danoxidative stress (Echigo et al 2012). Untukitu trehalose juga dijuluki sebagaibiological stabilizing agent atau stressprotecting agent (Shinohara et al, 2002),menjelaskan bahwa, trehalose adalah gulapaling efektif dalam menstabilkan materibiologi (Crowe 2008; Magazù et al., 2012).Test juga dilakukan terhadap 6 macamdisaccharida yang dicoba, trehalose palingbagus dalam melindungi membrane.Pernyataan ini didasarkan atas percobaandengan menambahkan 1 ml 5% trehaloseke dalam 100 g lipid, direbus selama 24jam, kemudian volatile pecahan lemakyang terbentuk dianalisis. Dari larutanlemak trehalose yang paling sedikitditemukan lemak volatile. Trehalose jugamampu mempertahankan sifat alamiah darimateri non biologi, sehingga gula ini seringdigunakan untuk memperpanjang masakadaluwarsa makanan (Higashiyama,2002).

Kemampuan trehalose dalammempertahankan sifat alami materi yangada disekitarnya tidak terlepas dari karaktertrehalose. Dilaporkan ada 3 teori untukfungsinya sebagai stress protecting agent.Trehalose berperan sebagai waterreplacement, water entrapmen dan glassforming agent. Sebagai water replacement,trehalose mempunyai kemampuan untukmebentuk ikatan hydrogen dengan molekulyang ada disekitarnya (Lefort et al 2007).Dengan lipid misalnya, setiap molekultrehalose dapat membentuk hingga delapanikatan hydrogen dengan minimal 3 molekullipid (Pereira et al 2004, Patist et al 2005).Sifat ini berkontribusi besar terhadapintegritas membran saat mengalami stres.Stres air misalnya, membran sel akanmengalami perubahan sesuai dengankomposisi unsur penyusun membran.Sebagai bilayer, komposisi anataramembrane luar dan membrane dalam tidaksama, dan kompisis di setiap bagian setiapdari lapisan membrane juga tidak sama.Masing-masing unsur penyusunmempunyai karakter yang berbeda danmerespon berbeda dengan perubahanlingkungan yang sama. Pada saat membranmengalami kekeringan, misalnya, setiapunsur dari membrane tersebut mengalamiperubahan bentuk, struktur, derajadkekakuan, sifat kimia dan fisikanya sesuaidengan karakternya masing-masing yangmengakibatkan perubahan fase membran,dari fase fluid (fase fisiologis) menjadi fasegel yang kaku dan tidak lagi mendukungfungsi fisiologis membran. Bahkan bisaterjadi pemisahan protein integral mebran,robeknya membran, dan fusi antar lapisanmembran, dan atau membrane antar sel(Lenne et al 2007). Dengan adanyatrehalose yang mampu memberikan ikatanhydrogen yang sama seperti yang diberikanoleh air, sehingga integritas membran lebihterjaga setidaknya kerusakan membrandapat dikurangi. Contoh peran trehalose


dalam penstabilan materi biologi sangatbanyak untuk didaftar, salah satunya asamfosfatidat derivate dari lipid yang terjagaoleh trehalose dari stres kekeringan, garamdan beku (Testerink and Munnik, 2011).

Peran trehalose sebagai waterentrapment, trehalose berperan penjerap air(adsorbsi). Dengan kemampuannyamembentuk ikatan hydogren dengan meteribiologi sekaligus membentuk ikatanhydrogen dengan air, trehalose membuatair lebih tersedia bagi proses-prosesfisiologi materi biologi. Dalam keadaanbeku trehalose membentuk matrik gelas,membuat materi biologi mendapatkansupot mekanik sebagaimana beradadidalam matrik gelas menyebabkan materibiologi terjaga struktur alamiahnya saatstress beku oleh suhu dingin. Terjaganyastruktur mekanik ini menjaga materibiologi terhindar dari kerusakan dan tidakkehilangan fungsi fisiologisnya. Selain itu,trehalose mengurangi kerusakan akibatsuhu dingin ini dengan mengurangi derajadkebekuan air sehingga air yang tidak bekulebih tersedia. Peran ini sesuai dengankarakter trehalose sebagai solute pemecahkoordinasi struktur tetrahedral dari iaktanhydrogen pada air. Air dalam suhu ruangberbentuk cair karena ikatan hydrogenantar molekul air selalu dinamis antarasambung dan putus. Es terbentuk ketikaikatan hydrogen tetrahedral antar molekulair berlangsung lama dalam keadaan tidakputus. Dengan adanya gula ikatanhydrogen tetrahedral pada air menjaditerganggu dan derajad kebekuan berkurang.Diantara gula yang sering digunakan untukmengurangi terbentuknya es, trehalosepaling tinggi mengurangi terbentuknya es.Sifat ini juga sering diaplikasikan dalamlaboratorium untuk menjaga keawetanmateri biologi, sebagai contoh, Lee et al.,2013 melaporkan bahwa penggunaan 50mM trehalose dalam cryopreservasi spermamenghasilkan viabilitas sel lebih tinggi

dibanding menggunakan DSMO. Sedangpreservasi dengan 200 mM trehalosemenghasilkan proliferasi sel yang lebihtinggi dan sel apoptosis lebih rendahdibanding preservasi menggunakan DSMO200 mM.

Sifat-sifat trehalose disebutkandidepan lebih relevan dengan perantrehalose sebagai stress protektant melaluiosmotic adjustment yang mana konsentrasitinggi diperlukan untuk mendukung fungsitersebut. Biasanya peran inididemonstarsikan pada organism tingkatrendah dimana trehalose ditemukan dalamjumlah yang tinggi seperti pada archea,bakteri, jamur, avertebrata dan tumbuhanteradaptasikan terhadap iklim gurun.

Trehalose juga membantu mengurangikerusakan dengan berfungsi sebagaichaperon yang membantu mengurangikerusakan protein stelah mengalami stres.Protein yang mengalami mutasi bisaterbantu pelipatan mendekati normalsehingga mengurangi tingkat hilangnyaaktivitas. Trehalose juga terlibat dalammeningkatkan ketahanan terhadap biotikstres. Pada tanaman tingkat tinggi trehalosedisintesis dalam jumlah yang sangat sedikitdan dikontrol dengan sangat ketat. Namundemikian, trangenik yang mengekspresikangen dalam lintasan metabolisme trehalosemempunyai ketahanan terhadap beberapamacam stress (Garg et al, 2002, Jang et al2003, Debast 2011). Peningkatan ini tidakdiikuti oleh peningkatan trehalose yangsignifikan. Hal ini mengundang pertanyaandengan cara bagaimana gen dalam lintasanbiosintesis trehalose membuat tanamanmenjadi lebih tahan terhadap beberapamacam stress. Mekanisme ini bukanmelalui osmotik adjustment seperti padaorganisme tingkat rendah atau tanamangurun, tapi trehalose/T6P berperan sebagaisignaling molekul. Paragraf-paragrafdibawah dikumpulkan dari publikasitentang aspek-aspek yang dipengaruhi oleh


gen-gen dalam lintasan metabolismetrehalose dengan pertumbuhan danperkembangan serta efek trehalosemetabolisme dalam meningkatkanketahanan tanaman terhadap stres.

2. Metabolit trehalose, T6P sebagaineraca ketersediaan dan pemakaiankarbon.

T6P dilaporkan mempunyai peransangat penting bagi kehidupan tumbuhanterkait dengan metabolism danperkembangan (Ponnu, etal 2011), sejakpembelahan sel (Smekeens et al 2010; Tsaiand Gozassarini, 2013) hingga sanessensi(Wingler, et. Al., 2012). T6P, substrattrehalose mempunyai peran sebagaiintegrator antara ketersediaan sumber danpenggunaan karbon. Kandungan T6P padatanaman meningkat seiring denganmeningkatnya kandungan sucrose (Lunn etal., 2006; Martinez-Barajas et al., 2011).Tingginya T6P menginduksi gen-genterkait dengan pertumbuhan, memacuekspresi gen anabolisme dan menekanekspresi gen katabolisme. Tingginya T6Pjuga menghambat ekspresi gen sucrosenonfermenting related-kinase1 (SnRK1)yang merupakan signal untuk stres danterinduksi oleh stres terutama stres energi(Baena González and Sheen, 2008).Akumulasi AMP sebagai akibat dariterpakainya ATP menginduksi ekspresiSnRK1 selanjutnya SnRK1 menekanekspresi gen terkait anabolisme danpertumbuhan (Crozet, et. Al., 2014).Meningkatnya eksprei SnRK1 jugamengakibatkan ekspresi gen yangdiprogram untuk katabolisme terutamakatabolisme protein, antara lain asparaginsynthase (Baena Gonzales, et. Al., 2007).SnRK1 diperlukan dalam ekspresi gen α-amylase pada embryo gandum dan padisaat kekurangan sucrose (Laurie, et. al.,2003; Lu. Et. al., 2007) menunjukkanbahwa SnRK1 berperan dalam pemecahan

pati saat kelaparan. Overexpresi geneKIN10 (penyandi katalitic unit dariSnRK1) menyebabkan meningkatnyaekspresi 1000 putative gen target KIN10yang terlibat dalam katabolisme danmenurunnya ekspresi gen yang terlibatdalam anabolisme (BaenaGonzález andSheen, 2008).

Tingginya T6P juga meningkatkanekspresi gen yang terkait dengan proses-proses yang memerlukan NADPH(Kolbe et al., 2005; Michalska et al.,2009), meskipun belum ada bukti yangjelas bahwa NADPH berinteraksi denganprotein TPS1; atau TPS1 mempengaruhikinerja enzim glukosa 6P dehydrogenase,G6PDH (Schluepmann, et. al. 2012). Halini menegaskan bahwa T6P memacu prosesanabolisme. Bila T6P terlalu banyakmengakibatnya berkurangnya stok Glukosa6 phosphate (G6P), substrat untukpembentukan NADPH melalui jaluroksidasi pentose pospat dan substrat energimelalui jalur glikolisis yang selanjutnyamenghasilkan ATP. Dengan berkurangnyaNADPH sebagai energi dalam prosesanabolisme dan pertumbuhan, prosestersebut akan melambat. Delatte, et. al.(2011) memaparkan bahwa tingginya T6Ptanpa adanya tambahan sumber karbonakan menghabiskan sumber karbon karenapenggunaan yang berlebihan, dan karenaterhambatnya proses ekspresi gen yangbertanggung jawab untuk proseskatabolisme. Sebaliknya bila T6P terlalusedikit, ekspresinya SnRK1 meningkat,ekspresi gen anabolisme dihambat olehSnRK1, sehingga tidak ada pertumbuhan,untuk Arabidopsis terhenti pada tahapterpedo (Schluepmann, et. al., 2003).Dengan demikian, T6P ikut berperan dalamneraca penyelaras antara karbon yangtersedia dan pengguanaanya termasuktermasuk proses-proses yang mendukungpertumbuhan. Proses-proses yangterpengaruh oleh neraca karbon ini antara


lain dipaparkan dalam paragraf berikut.3. Peran trehalose metabolisme

sepanjang kehidupan tanamanT6P ikut berperan dalam jaringanmeristematis: pembelahan sel,pembentukan dinding sel, dan penentuanarsitektur tanaman.

Pada Saccharomyces cerevisiae,trehalose bersinergi dengan glycogenmempengaruhi siklus sel. Mutant sel yangkehilangan kemampuan mensintesistrehalose membelah dengan kecepatansama dengan tipe liarnya jika ditumbuhkanpada kondisi sumber energi yang terbatas,namun jika ditumbuhkan dalam kondisinormal dengan sumber energi yangmemadai, mutant sel membelah lebihlambat dibanding tipe liar. Hal inimenunjukkan bahwa trehalose diperlukanuntuk proses normal pembelahan sel.Selain itu sel ragi tipe liar bertahan lebihlama dalam medium dengan sumber energiterbatas (Silije et al 1999).

Pada tanaman, T6P dilaporkanberinteraksi dengan protein yang mengaturpembelahan sel, CDKA1 dan KinesinKCA1 (Smeekens 2010) yangmengindikasikan kemungkinan T6P ikutberperan dalam pembelahan sel, dan didugamelalui T6P/SnRK1 dalam mensinkrunkanantara energi tersedia denganpenggunaannya seperti siklus sel. Tsai andGazarrini (2013) mengemukakan bahwaT6P secara tidak langsung mempengaruhipembelahan meristematik sel yang padaakhirnya memacu fase G2 ke fase Mdengan berikatan dengan regulatorpembelahan sel. Selain itu, UDP-dehydrogenase yang terlibat dalambiosintesis dinding sel sangat terinduksioleh meningkatnya T6P (Klinghammer andTenhaken, 2007). Namun demikainmekanisme persisnya bagaimana T6Pberperan dalam semua itu masih dalampenyelidikan (Wang and Ruan, 2013).

T6P berperan dalam determinasi sel

meristem. Tingginya T6P merupakansignal adanya sumber energi, sehingga selmeristem pada malai bunga terinduksiuntuk membuat cabang baru, sehinggaterbentuk malai dengan jumlah cabangyang banyak (Satoh-Nagasawa et al.,2006). Apikal dominasi tereduksi olehoverekspresi gen OtsA pada Adabidopsis,dan fenotipe sebaliknya pada transgenikdengan overekspresi gen OtsB(Schluepmann, et. al., 2003; van Dijken, et.al., 2004). Selain itu TPS6 salah satufamily dari gen trehalose synthase berperandalam morfogenesis seluler (Chary, et. al.,2008). Bukti dari penyataan tersebut bahwagen Trehalose phosphate phosphatase 6(TPS6) dapat mengkomplementasi mutanArabidopsis pada gen Cell shapephenotype-1 (csp-1) yang mengalamiperubahan bentuk dan ukuran sel sertapercabangan trikoma kembali menjadinormal.

Trehalose terlibat dalam determinasimeristematis sel dengan mengintegrasikanhormon dan sumber karbon. Ramosa 3menyandikan Trehalose phosphatephosphatase (TPP) pada jagung (Satoh-Nagasawa et al., 2006). Mutant Ramosa 3,ra3 meningkatkan percabanagan padamalai bunga jantan dan bunga betina(Satoh-Nagasawa et al., 2006). Mutanttersebut mengalami perubahan tingkatekspresi gen faktor transkripsi yang terlibatdalam pertumbuhan dan perkembangan danekspresi gen yang terlibat dalam sensingdan signaling hormone (Eveland et al2010). RA3 mempunyai fungsi yang samadengan RA1 dan RA2, dan berada disekitararea meristematis. Studi spatiotemporal dankeberadaan RA1 dalam genommenunjukkan bahwa RA1 berperan dalamdeterminasi meristem melalui sintesis dansignaling gibberelin dan auxin, sertadengan berinteraksi dengan protein yangbertanggung jawab terhadap pemeliharaansel meristem, KNOTTED1. RA1 juga


berinteraksi dengan protein yangmenetukan identitas meristem bunga,LEAFY (Eveland 2014). Dengan demikian,T6P berperan dalam determinasi selmeristem melalui signaling hormone danketersediaan sumber energi.

T6P ikut berperan dalam perkembanganembryo dan fase vegetative

Terdapat dua fase transisi padatanaman, yakni transisi dari fase embryo kevase vegetative (germinasi) dan dari fasevegetative ke fase reproduktif(pembungaan). Dalam fase transisi initerjadi perubahan ekspresi gen secara masifdan membutuhkan banyak energi. Dalamproses tersebut juga terjadi remobilisasiserta ketepatan alokasi nutrisi termasukkarbohidrat (Tsai and Gazzarini, 2014).Selama perkembangan embryo, setelahpola sel terbentuk diikuti denganpematangan embryo yang dimulai daritahap torpedo. Pada tahap pematangan inipembelahan sel istirahat, dan beralihkepada pembesaran sel dan penyimpanancadangan makanan serta penyiapandormansi biji dan ketahanan terhadapkurangnya air. Pematangan biji inidiinduksi oleh ABA dan faktor-faktortranskripsi. Konsentrasi ABA paling tinggidipertengahan perkembangan embryountuk memacu kematangan embryo dan diakhir tahap embryo untuk mendorongpenyimpimpanan cadangan makanan danmenyiapkan dormansi biji. Pada tahaptorpedo, dimana pematangan embryodimulai, ekspresi gen TPS1 meningkat(Gutierrez et al., 2007). Mutant bijiArabidopsis tps1 pada gen TPS mengalamiembyo letal (Eastmond, et. al., 2002).Kondisi ini dapat diperbaiki dengankomplementasi TPS dari E.coli yangmengindikasikan bahwa T6P sangat krusialbagi perkembangan embryo (Schluepmann,et. al., 2004). Studi anatomi, fisiologi danekspresi gen yang dilakukan oleh Gomes,

et. al., (2006) menunjukkan bahwa TPS1diperlukan dalam proses penyimpanancadangan makanan. Sintesis pati misalnya,T6P mengaktifkan enzim adenosine-5′-diphosphoglucose pyrophosphorylase(AGPase) melalui aktivasi post translasiuntuk menintesis pati (Kolbe et al 2005).

T6P juga diperlukan pada tahappertumbuhan vegetative tanaman.Eastmond et al., (2002) membuat tanamantransgenik mutan tps1 yangdikomplementasikan dengan gen TPSdengan promoter yang dapat diinduksi olehdexamethazone. Pada saat di induksidengan hormon tersebut, tanaman tumbuhnormal, namun pertumbuhan terganggusaat dexamethazone tidak tersedia. Hal inimenunjukkan bahwa ekspresi gen TPS1sangat penting untuk pertumbuhanvegetatif tanaman. Tanaman yangdimutasikan agar mempunyai alel lemahmengalami pertumbuhan yang terhambatdibanding dengan tipe liarnya (Gómez etal., 2010). Demikian juga dengan tanamantransgenik yang mengekspresikan genpenyandi enzim pendegradasi T6P,Trehalose phosphate phosphatase (TPP)dan Trehalose phosphate hydrolase (TPH),mengalami pertumbuhan yang lambat(Schluepmann, et. al., 2003). Dengandemikian jelas bahwa T6P tidak bisadiabaikan perannya dalam pertumbuhantanaman fase embryo maupun fasevegetatif.

T6P ikut berperan dalam pembungaan,alokasi sumber energi and arsitekturtanaman

Expresi gen OtsB dari E.coli yangmengkode enzim pemecah T6Pmengakibatkan penundaan waktupembungaan, sebaliknya ekspresi OtsAmenyebabkan pembungaan lebih awal(Schluepmann et al 2003; Wahl et al,2013). FLOWERING LOCUS T (FT)disintesis di daun dan berpindah ke Shoot


apical meristem (SAM) untuk memicupembungaan yang didinduksi olehfotoperiod. Tingkat ekspresi FT yangrendah ditemukan pada tanaman transgenikyang didesain untuk rendah T6P, bahkanhampir tidak ada ekspresi pada tanamanmutan tps1; selanjutnya mutant tps1kembali menjadi normal jikaditransformasi lagi dengan TPS1 (Wahl,2013). Sejalan dengan ini, waktupembungaan dihambat olek SnRK1,dimana SnRK1 dihambat oleh T6P.FLOWERING LOCUS C (FLC) adalahrepressor pembungaan. Absisic AcidInsensitif mutant 5 (ABI5) menghambatpembungaan dengan menginduksi ekspresigen FLC. ABI5 secara invitro diposporilasioleh SnRK1. Sedang SnRK1 dihambatoleh T6P. Dengan demikian, ABI5mengintegrasikan antara hormone dansignal sumber energi untuk mengaturpembungaan.

Kandungan T6P pada Arabidopsisberkorelsi dengan konsentrasi sukrosa padasaat perkembangan biji. Kandungan T6P100x melebihi jumlah diluar pengisian bijipada gandum (Martínez-Barajas, et. al.,2011). Demikian juga dengan gen TPS1secara konsisten diekspresikan dalamjumlah yang tinggi sepanjang waktupengisian biji. Namun 10 hari setrelahantesis, T6P hanya ditemukan dalamjumlah yang sangat kecil di kotiledon(Zhang, et. Al., 2011). Masih berkaitanalokasi karbon, SnRK1 dihambat oleh T6Ppada umbi kentang yang sedang tumbuh(Debast et al., 2011) dan pada masapenyimpanan gula tanaman tebu (Wu andBirch, 2010), menunjukkan bahwa T6Pterlibat dalam alokasi sumber karbon saatpenyimpanan cadangan makanan.

Sebagaimana disebut diatas bahwaT6P bekerja dalam jaringan meristematis,dan menentukan arsitektur darijaringan/organ, peran ini juga terlihat padajaringan meristematis bunga. Satoh-

Nagasawa et al (2006) melaporkan bahwamutasi pada gen yang mempunyai aktifitasTPP, ramose3 (RA3) menunjukkanpercabgangan yang tidak normal padabunga jagung baik pada bunga jantanmaupun pada bunga betina. Sejalan yangtelah dikemukakan didepan, TPS6 yangdiketahui tidak berfungsi aktif (Ramon, et.al., 2009), terlibat dalam determinasi selmeristem (Chary, et. al., 2008),mengindikasikan bahwa gen-gen dalamlinatasan metabolisme trehalose berevolusiuntuk memenuhi fungsi sebagai molekulsignal dari pada sebagai enzim yang aktifdalam katailisis reaksi (O’Hara, et. al.,2013). Selanjutnya Autornyamengemukakan bahwa protein-proteintersebut berfungsi sebagai sensor terhadapkonsentrasi T6P dalam sel yang sekaligusmenunjukkan ketersediaan sumber energydalam sel. Interaksi antara protein-proteintersebut dengan TPS1 yang fungsionaldidemonstrasikan terjadi pada padi (Zang,et al., 2011). Selanjutnya protein-proteintersebut diperkirakan terlibat dalamregulasi dan pemrograman transkripsi dantranslasi (Satoh-Nagasawa et al 2006).

T6P berperan dalam sel sanesenT6P diperlukan untuk terjadinya

sanesensi, yakni dengan terekspresinyagen-gen untuk anabolisme, termasuk untukprotein sintesis. T6P meningkat pada daunyang telah tua, hal ini diduga bahwakeberadaan T6P pada daun tua tersebutadalah untuk remobilisasi nitrogen daridaun tua ke jaringan yang sedang tumbuh(Wingler et al, 2012). TransgenikArabidopsis yang mengekspresikan genOtsA mengalami sanesensi lebih cepat daripada tipe liarnya. Sedang transgenik yangmengekspresikan gen OtsB lebih lambatuntuk terjadinya sanesensi. Hal ini sejalandengan T6P meningkat pada daunmenjelang sanesence (Wingler et al, 2012).Marker gen untuk sanesensi juga


meningkat pada transgenik OtsA, danmenurun pada transgenic OtsB. Demikianjuga untuk kandungan klorofil, TransgenikOtsB lebih pucat dibanding transgenikOtsA, tapi lebih lama hijau dibandingOtsA. Disamping itu, penambahan gulatanpa penambahan sumber nitrogenmempercepat sanesensi. Padahal transgenicOtsB megakumualsi gula lebih banyakdibanding dibanding tipe liar dan OtsA,namun OtsB mengalami sanesensi lebih

lambat, dengan demikian, gula saja belumcukup untuk sanesensi, T6P diperlukan.Peran trehalose menghadapi stresstanaman biotik dan abiotik stress.

Tanaman yang mengakumulasitrehalose dalam jumlah tinggi anatara lainlumut, paku-pakuan dan tanaman yangterdaptasikan dengan iklim gurun antaralain Selaginella lepidophylla, myrothamnusflabiofolia (Elbein et al, 2003). Padatanaman tingkat tinggi seperti

Gambar 1. Ilustrasi peran T6P pada tanaman pangan ditunjukkan pada tanaman hipotetis(diambil dari O’Hara et al., 2013). Konsentrasi T6P meningkat dengan meningkatnyasukrosa, hampir semua proses yang dipengaruhi oleh T6P (yang dicetak miring) terjadimelalui penghambatan T6P terhadap SnRK1, lebih lengkap dijelaskan dalam teks.

Tanaman budidaya, trehalose disintesisdalam jumlah yang hampir tidak terdeteksi(Schluepmann, et. al., 2003), untuk itu paraterdahulu mencoba mengekspreikan genpenyandi enzim biosintesis trehalose untukmeningkatkan ketahanan tanaman terhadapstress. Terbukti bahwa tanaman transgenikyang dihgasilkan lebih tanahan terhadapbeberapa macam stress. Sebagian daridaftar yang panjang tanaman transgenikmembawa gen dalam family dan terbuktimeningkatkan ketahanan terhadap stres

antara lain stress terhadap suhu dan garampada padi transgenik (Garg et al, 2002,Jang et al, 2003; Lee et al 2014); padatembakau (Karim et al 2007); Arabidopsis(Miranda et al 2007) dan pada chatarantusroseus (Chang et al, 2014), terhdapterhadap suhu dingin, misalnya pada nggur(Fernandez et al 2012) dan masih banyaklagi yang tidak bisa di daftar disini.Trehalose juga berperan dalam meresponstres terhadap biotik stres, misalnya greenapid pada tanaman tomat (Singh et al 2011)


dan pada tanaman gandum dari powderymildew (Reignault, et al., 2000; Tayeh, etal., 2014).

Kandungan trehalose pada tanamantransgenik tersebut tidak mengakumulasitrehalose dalam jumlah yang significant.Hal ini menunjukkan bahwa meningkatnyaketahanan tanaman trangenik terhadapbeberapa stress tersebut bukan karenaperan trehalose sebagai osmotik adjustment(Avonce et al., 2006; Fernandez et al.,2010). Didepan sudah disiskusikan bahwaT6P/SnRK memegang peran central dalamintegrasi antara sumber karbon tersediadengan penggunaannya yang didisinkrunkan dengan pertumbuhan danperkembangan tanaman melaluireprogramming ekspresi gen-gen target,dan dan disesuaikan dengan kebutuhanspesifik saat tertentu. T6P/SnRK1 signalingini juga mengintegrasikan antara sumberkarbon dengan respon terhadap lingkungan,baik biotik maupun abiotik. Pada gandum,misalnya, (Tayeh, et.al., 2014) melaporkanbahwa aplikasi trehalose meningkatkanekspresi gen penyandi pathogen relatedprotein; chitinase (chi1, chi2, dan precursorch4); oxalate oxidase (OXO) danlipoxygenase (lox). Sedang aplikasiterhadap tanaman gandum yang terinfeksioleh Powdery mildew, Autor menyebutkanbahwa, gen yang secara spesifik berubahtingkat ekspresinya akibat aplikasitrehalose adalah precursor Chi4 dan lox,dibarengi dengan meningkatnya aktivitasLOX dan berhentinya pertumbuhan jamur.Hal ini menunjukan bahwa trehaloseberperan dalam pertahanan tanaman(Tayeh, et. al., 2014). Penyemprotantrehalose 0.1-15 gr/L trehalose sebelumdiinokulasi dengan powdery mildewmenurunkan 60% infeksi jamur tersebut(Muchembled, et. al., 2006). Masih padatanaman gandum, penyemprotein dengan15% trehalose mengurangi terajadinyainfeksi sebanyak 50 dan 95% masing-

masing bila 1 kali atau 3 kali pnyemprotan.Ketahanan ini terjadi karena trehalosemeningkatkan aktivitas polyamine lyase(PAL) dan peroxidase (PO) sertameningkatkan penebalan dinding sel(Reignault, et al., 2000).

SIMPULANTrehalose berperan sepanjang masa

kehidupan tanaman sejak pembentukanembryo hingga sanesensi baik untukprogram pertumbuhan dan perkembangantanaman maupun untuk merespon danbertahan terhadap stress dari lingkungandengan cara mengintegrasikan ketersediaansumber energy dan penggunaanya sertamelalui pemrograman ekspresi gen-gentarget atau meregulasi aktivitas proteintarget. Pemahaman yang mendalam tentangmetabolisme trehalose perlu dikuasai untukdapat memanfaatkan lintasan ini untukkeperluan manusia.

DFTAR PUSTAKAAvonce, N., Mendoza-Vargas, A., Morett,

E., and Iturriaga, G.(2006). Insights onthe evolution of trehalose biosynthesis.BMC Evol. Biol 6, 109

Baena-González, E., and Sheen, J.(2008).Convergent energy and stresssignaling. Trends Plant Sci. 13, 474–482.

Baena-González, E., Rolland, F.,Thevelein, J.M., and Sheen, J. (2007).A central integrator of transcriptionnetworks in plant stress and energysignaling. Nature. 448, 938–942.

Benaroudj N, Lee DH, Goldberg AL.Trehalose accumulation during cellularstress protects cells and cellularproteins from damage by oxygenradicals. J Biol Chem.2001;276:24261–24267.

Chang B, Yang L, Cong W, Zu Y, Tang Z(2014). The improved resistance tohigh salinity induced by trehalose is


associated with ionic regulation andosmotic adjustment in Catharanthusroseus. Plant Physiology andBiochemistry : PPB / Societe Francaisede Physiologie Vegetale, 77:140-148.

Chary SN, Hicks, GR, Choi YG, Carter Dand Raikhel NV (2008). Trehalose-6-Phosphate Synthase/PhosphataseRegulates Cell Shape and PlantArchitecture in Arabidopsis. PlantPhysiol. 2008 Jan; 146(1): 97–107.

Crowe, J.H (2008). Trehalose andanhydrobiosis: The early work of J. S.Clegg. J Exp Biol. 2008:2899–2900.

Crozet P, Margalha L, ConfrariaA, Rodrigues A, Martinho C, AdamoM, Elias CA and Baena-González(2014). Mechanisms of regulation ofSNF1/AMPK/SnRK1 protein kinases.Front. Plant Sci., 20 May 2014

Debast, S., nunes-nesi, A., Hajirezaei,M.R., Hofmann, J., Sonnewald, u.,Fernie, A.R., and Börnke, F. (2011).Altering trehalose-6-phosphate contentin transgenic potato tubers affectstuber growth and altersresponsiveness to hormones duringsprouting. Plant Physiol. 156, 1754–1771.

Delatte, T.L., Sedijani, P., Kondou, Y.,Matsui, M., de Jong, G.J., Somsen,G.W., Wiese-Klinkenberg, A.,Primavesi, L.F., Paul, M.J., andSchluepmann, H.(2011). Growth arrestby trehalose-6-phosphate: anastonishing case of primary metabolitecontrol over growth by way of theSnRK1 signaling pathway. PlantPhysiol. 157, 160–174.

Doehlemann G,Berndt P and Hahn M(2006). Trehalose metabolism isimportant for heat stress tolerance andspore germination of Botrytis cinerea.Microbiology September 2006 vol.152 no. 9 2625-2634

Eastmond, P.J., van Dijken, A.J., Spielman,

M., Kerr, A., Tissier, A.F., Dickinson,H.G., Jones, J.D., Smeekens, S.C., andGraham, I.A.(2002). Trehalose-6-phosphate synthase 1, which catalysesthe first step in trehalose synthesis, isessential for Arabidopsis embryomaturation. Plant J. 29, 225–235.

Echigo R, Shimohata N, Karatsu K, YanoF, Kayasuga-Kariya Y, Fujisawa A,Ohto T, Kita Y, Nakamura M, SuzukiS, Mochizuki M, Shimizu T, ChungUI, Sasaki N (2012).Trehalosetreatment suppresses inflammation,oxidative stress, and vasospasminduced by experimental subarachnoidhemorrhage. Journal of TranslationalMedicine [2012, 10:80].

Eveland AL1, Goldshmidt A, Pautler M,Morohashi K, Liseron-Monfils C,Lewis MW, Kumari S, Hiraga S, YangF, Unger-Wallace E, Olson A, Hake S,Vollbrecht E, Grotewold E, Ware D,Jackson D (2014). Regulatory modulescontrolling maize inflorescencearchitecture. Genome Res. 24(3):431-43.

Eveland, A.L., Satoh-nagasawa, n.,Goldshmidt, A., Meyer, S., Beatty, M.,Sakai, H., Ware, D., and Jackson,D.(2010). Digital gene expressionsignatures for maize development.Plant Physiol. 154, 1024–1039.

Fernandez, O., Béthencourt, L., Quero, A.,Sangwan, R.S., and Clément,C.(2010). Trehalose and plant stressresponses: friend or foe? Trends PlantSci. 15, 409–417.

Fernandez, O., Vandesteene, L., Feil, R.,Baillieul, F., Lunn, J.E., and Clément,C. (2012). Trehalose metabolism isactivated upon chilling in grapevineand might participate inBurkholderia phytofirmansinducedchilling tolerance. Planta. 236, 355–369

Garg AK et al. 2002. Trehalose


accumulation in rice plants confershigh tolerance levels to differentabiotic stresses. Proc Natl Acad SciUSA 99: 15898-15903.

Gómez, LD, Baud S, Gilday A, Li Yi andGraham AI (2006). Delayed embryodevelopment in the ARABIDOPSISTREHALOSE-6-PHOSPHATESYNTHASE 1 mutant is associatedwith altered cell wall structure,decreased cell division and starchaccumulation. The Plant Journal. 46(1): 69–84

Gutierrez L., Van Wuytswinkel O.,Castelain M., Bellini C.(2007). Combined networks regulatingseed maturation.Trends Plant Sci. 12:294–300.

Hagen, S.J., Hofrichter, J., and Eaton W.A.(1995). Protein reaction kinetic in aroom-temperature glass. Science. 269(5226):959-962.

Higashiyama, Takanobu (2002). "Novelfunctions and applications oftrehalose". Pure Appl. Chem. 74 (7):1263–1269.

Jang IC, Seo JS, Choi WB, Song SI, KIMCH, KIM YS, Seo HS, CHOI YD,Nahm BH, KIM JK. 2003. Escheichiacoli genes for trehalose-6-phosphatesynthase and trehalose-6-phosphatephosphatase in transgenic rice plantsincrease trehalose accumulation andabiotic stress tolerance withoutstunting growth. Plant Physiol. 2003.Feb: 131 (2): 516-24.

Jovanović N, Bouchard A, Hofland GW,Witkamp GJ, Crommelin DJ, JiskootW. Eur J Pharm (2006). Distinct effects of sucrose andtrehalose on protein stability duringsupercritical fluid drying and freeze-drying.[Eur J Pharm Sci. 2006Sci.2006 Mar; 27(4):336-45. Epub 2005Dec 9.

Karim S, Aronso H, Ericson H, Phironen

M, Leyman B, Wellin B, Mantyla B,Palva ET, van Didijck P, HolmstormKO (2007). Improve rought tolerancewithout undesired side eefecttransgenic plant producing trehalose.Plant Mol Biol. 64: 371-386

Klinghammer, M., and Tenhaken,R.(2007). Genome-wide analysis of theUDP-glucose dehydrogenase genefamily in Arabidopsis, a key enzymefor matrix polysaccharides in cellwalls. J. Exp. Bot. 58, 3609–3621.

Kolbe, A., Tiessen, A., Schluepmann, H.,Paul, M.J., ulrich, S., andGeigenberger, P.(2005). Trehalose 6-phosphate regulates starch synthesisvia posttranslational redox activationof ADPglucose pyrophosphorylase.Proc. Natl Acad. Sci. U S A. 102,11118–11123.

Laurie, S., McKibbin, R.S., and Halford,n.G. (2003). Antisense SNF1-related(SnRK1) protein kinase generepresses transient activity of an α-amylase (α-Amy2) gene promoter incultured wheat embryos. J. Exp. Bot.54, 739–747.

Lee, Y.A., Kim,Y.K., Kim, B.J., Kim, B.K,Kim, K.J., Auh, J.H., Schmidt J.A.,Ryu B.Y (2013). Cryopreservation inTrehalose Preserves FunctionalCapacity of Murine SpermatogonialStem Cells. Plos one, 8 (1):1-9.

Lefort R, Bordat P, Cesaro A, Descamp M(2007). Exploring the conformationalEnergy landschape of glassydisaccharide by cross polarizationmagic angel spinning 13C nuclearmagnetic resonance and numericalsimulation II enhanced molecularflexibility in amorphous trehalose. JChem Phys 126: 014511.

Lenne, T, Bryan G, Koster KL (2007).How much solute to inhibite the fluidto gel membrane phase transition atlow hydration?.


Biochem.Biophysic.Acta. 1768:1019-1022.

Lu CA, Lin CC, Lee KW, Chen JL, HuangLF, Ho SL, Liu HJ, Hsing YI, Yu SM(2007) The SnRK1A protein kinaseplays a key role in sugar signalingduring germination and seedlinggrowth of rice. Plant Cell 19 2484–2499

Lunn, J.E., Feil, R., Hendriks, J.H.M.,Gibon, Y., Morcuende, R., Osuna, D.,Scheible, W.-R., Carillo, P.,Hajirezaei, M.-R., and Stitt, M. (2006).Sugar-induced increases in trehalose6-phosphate are correlated with redoxactivation of ADPglucosepyrophosphorylase and higher ratesof starch synthesis in Arabidopsisthaliana. Biochem. J. 397, 139–148.

Magazù, S., Migliardo, F., Benedetto, A.,La Torre, R., and Hennet, L. (2012).Bio-protective effects of homologousdisaccharides on biologicalmacromolecules. Eur. Biophys. J. 41,361–367.

Martínez-Barajas, E., Delatte, T.,Schluepmann, H., de Jong, G.J.,Somsen, G.W., nunes, C., Primavesi,L.F., Coello, P., Mitchell, R.A.C., andPaul, M.J.(2011). Wheat graindevelopment is characterized byremarkable trehalose 6-phosphateaccumulation pregrain filling: tissuedistribution and relationship to SNF1-related protein kinase1 activity. PlantPhysiol. 156, 373–381.

Michalska J, Zauber H, Buchanan BB,Cejudo FG, Geigenberger B (2009).NTRClink build in thiredoxin to lightand sucrose in tegulating starchsynthesis in chloroplast andamyloplast. Proc. Natrl Acad Sci USA106:9908-13

Miranda, J. A., Avonce, N., Suarez, R.,Thevelein, J. M., Van Dijck, P., andIturriaga, G. (2007). A bifunctional

TPS-TPP enzyme from yeast conferstolerance to multiple and extremeabiotic stress conditions. Planta 226,1411–1421.

Muchembled J, Loune’s-Hadj Sahraoui A,GrandmouginFerjani A, SancholleM.2006. Changes in lipid compositionof Blumeria graminisf. sp. triticiconidia produced on wheat leavestreated with heptanoyl salicylic acid.Phytochemistry67: 1104–1109

O’Hara, L. E., Paul, M. J., and Wingler, A.(2013). How do sugars regulate plantgrowth and development? New insightinto the role of trehalose-6-phosphate. Mol. Plant 6, 261–274.

Patist A and Zoerb H (2005). PreservatonMechanism of Trehalose in Food andBiosystem (2005). Science Direct(Colloid and surface B: Biointerfaces)40: 107-113.

Pereira SC, Lins RD, Chndrasekhar I,Freitas LCG and Hynenberger PH(2004). Interaction of the DisaccharideTrehalose with a PhospholipidBilayers: A molecular Dynamic Study.Biophys J. 86: 2273-2285.

Ponnu, J., Wahl, V., and Schmid,M.(2011). Trehalose-6-phosphate:connecting plant metabolism anddevelopment. Frontiers Plant Sci. 2,70.

Reignault, P., Cogan, A., Muchembled, J.,Sahraoui, A.L.H., Durand, R., andSancholle, M. (2001). Trehaloseinduces resistance to powdery mildewin wheat. New Phytol. 149, 519–529.

Satoh-Nagasawa N, Nagasawa N,Malcomber S, Sakai H, and Jack-son,D (2006). Atrehalosemeta-bolicenzyme controls inflorescencearchitecture in maize. Nature 441:227–230.

Schluepmann H,. Berke B and Gabino F.Sanchez-Perez (2012) Metabolismcontrol over growth: a case for


trehalose-6-phosphate in plants. J. Exp.Bot. (2012) 63 (9): 3379-3390. Cell. 9,5–19.

Schluepmann, H., Pellny, T., van Dijken,A., Smeekens, S., and Paul, M.(2003).Trehalose 6-phosphate is indispensablefor carbohydrate utilization and growthin Arabidopsis thaliana. Proc. NatlAcad. Sci. U S A. 100, 6849–6854.

Schluepmann, H., van Dijken, A., Aghdasi,M., Wobbes, B., Paul, M., andSmeekens, S.(2004). Trehalosemediated growth inhibition ofArabidopsisseedlings is due totrehalose-6-phosphate accumulation.Plant Physiol. 135, 879–890.

Shinohara ML, Correa A, Pedersen DB,Dunlap JC and Loros JJ (2002).Neurospora Clock Cpntrolled Gene 9ccg-9 Encodes Trehalose Synthase:Circadian Regulation of StressResponses and Development.Eukayotic Cell. 33-43.

Silje HHW, Paalman JWG, ter Schure EG,et al. 1999. Function of trehalose andglycogen in cell cycle progression andcell viability in Saccharomycescerevisiae. J Bacteriol 181: 396–400.

Singh V, Louis J, Ayre BG, ReeseJC, Pegadaraju V, Shah J. (2011).TREHALOSE PHOSPHATESYNTHASE11-dependent trehalosemetabolism promotes Arabidopsisthaliana defense against the phloem-feeding insect Myzus persicae. PlantJ. 67(1):94-104.

Smeekens S., Ma J., Rolland F. (2010).Sugar signals and molecular networkscontrolling plant growth. Curr. Opin.Plant Biol. 13 177–191

Smeekens S., Ma J., Rolland F.(2010). Sugar signals and molecularnetworks controlling plantgrowth. Curr. Opin. PlantBiol. 13 177–191

Tayeh, C., Randoux,B., Vincent, D.,

Bourdon, N, and Reignault P. (2014).Exogenous Trehalose Induces defensesin Wheat Before and During a BioticStress Caused by Powdery Mildew.Genetics and Resistance. 104(3):293-305

Testerink C and Munnik T (2011).Molecular, Cellular and Physiologicalresponses to phosphatidic acid inplants. J. Exp. Bot. 62: 2349-2361

Tsai, A.Y.L. and Gozarrini S. (2014).Trehalose-6-phosphate and SnRK1kinases in plant development andsignaling: the emerging picture. doi:10.3389/fpls.2014.00119

van Dijken, A.J.H., Schluepmann, H., andSmeekens, S.C.M.(2004). Arabidopsistrehalose-6-phosphate synthase 1 isessential for normal vegetativegrowth and transition to flowering.Plant Physiol. 135, 969–977.

Wahl V., Ponnu J., Schlereth A., ArrivaultS., Langenecker T., Franke A., et al.(2013). Regulation of flowering bytrehalose-6-phosphate signalingin Arabidopsis thaliana.Science. 339:704–707

Wang, L. and Ruan Y.L. (2013).Regulation of cell division andexpansion by sugar and auxinsignaling. Front. Plant Sci., 30 May2013.

Wingler, A., Delatte, T.L., O’Hara, L.E.,Primavesi, L.F., Jhurreea, D., Paul,M.J., and Schluepmann, H. (2012).Trehalose 6-phosphate is required forthe onset of leaf senescenceassociated with high carbonavailability. Plant Physiol. 158, 1241–1251.

Wu, L., and Birch, R. G. (2010).Physiological basis for enhancedsucrose accumulation in an engineeredsugarcane cell line.Funct. PlantBiol.37:1161 –1174.

Zentella, R., Mascorro-Gallardo, J.O., Van


Dijck, P., Folch-Mallol, J., Bonini, B.,VanVaeck, C., Gaxiola, R.,Covarrubias, A.A., NietoSotelo, J.,Thevelein, J.M., and Iturriaga, G.(1999) ASelaginellalepidophyllatrehalose-6-phosphate synthasecomplements growth andstress-tolerance defects in a yeast tps1

mutant.Plant Physiol., 119,1473-1482Zhang R, Pan YT, Lam M, Brayer GD,

007AElbein AD, Whithers SC (2011).Mechanistic analysis of trehalosesynthase from Mycobacteriumsmegmatis. J. Biol. Chem 266:35601-35609.


peran trehalose metabolisme sepanjang masa kehidupan …

Documents