23/04/2014

1

Perkembangan Tumbuhan

Dr. Diah Rachmawati, M.Si.

Lab. Fisiologi Tumbuhan

Ion H2O

O2CO2 H2O

Tumbuhan merupakan suatu sistem energi

Dua Tahap Perkembangan:

Pertumbuhan: Perubahan kuantitatif dari sel (ukuran,

jumlah), bersifat tidak balik (irreversible)

Diferensiasi:

Bentuk eksternal suatu organ karena diferensiasi

Situasi dimana bagian meristematik menjadi dua atau

lebih jenis sel, jaringan, atau organ dengan

perbedaan-perbedaan kualitatif

Perkembangan (Development)Merupakan keseluruhan proses pertumbuhan dan

diferensiasi yang terjadi selama siklus hidup tumbuhan

Siklus Hidup Tumbuhan Berbunga

Growth

Growth: quantitative change of a cell the increase of size and weight, irreversible

Single cells show two major components of growth:

- division of cells: an increase in cell number

both daughter cells are genetically identical at the same state of differentiation.

- cell enlargement : an increase in cell size

Pertumbuhan: proses yang bersifat tidak dapat balik (irreversible) dari suatu organisme atau bagian-bagiannya, yang mengakibatkan pertambahan massa, berat atau volume (perubahan kuantitatif)

Tingkat sel : proses sangat kompleks (misal sintesis plasma sel)

Tingkat jaringan : Dapat diamati dengan adanya

pertambahan ukuran, (misalnya

pertumbuhan akar, batang, daun)

Tingkat organisme : misal tinggi tanaman

23/04/2014

2

Bagaimana tanaman tumbuh?

a. Pembelahan sel pada meristem meningkatkan

jumlah sel

b. Pembelahan sel pada meristem meningkatkan

kemampuan untuk tumbuh

c. Elongasi sel meningkatkan ukuran sel

Growth is restricted to meristematic regions

Shoot apical meristem

Root apical meristem

Lateral meristemsCambiumPhellogen (kambiumgabus)

Intercalar meristem

Siklus Sel (Cell cycle)

Mulai dari saat pembelahan sel ke pembelahan sel berikutnya

Ada dua fase: M phase : fase mitosisInterphase : replikasi kromosom

Most of the time (90%), the cell is in interphase (non-dividing stage)

Durasi siklus sel dan orientasi pembelahan sel mempunyai pengaruh pada perkembangan organ dan bentuk akhir suatu organisme

Pembelahan sel dipengaruhi oleh homeotic genes

Tipe pembelahan sel

1. Formative division

Sel anakan yang dihasilkan berbeda secara morfologi maupun

biokimiawi dengan sel induknya

misalnya : pembentukan sel penutup stomata

pembentukan rambut-rambut akar

2. Proliferative division

Sel anakan yang dihasilkan bertipe sama dengan sel induk

Sel-sel pada umumnya mengalami pembelahan proliferatif

Pembelahan Sel

Arti Penting Pembelahan Sel- Pembelahan sel meningkatkan kemampuan tumbuh suatu jaringan

atau organ. Pembelahan sel berperan dalam inisiasi organ (misal daun) dimulai dengan pembelahan sel meristem.

- Informasi yang menentukan diferensiasi terjadi selama siklus pembelahan sel.

- Arah pembelahan sel (antiklinal/periklinal) akan menentukan posisi sel dan fungsi sel hasil pembelahan.

Pembelahanperiklinal

Pembelahanantiklinal

Pembelahanperiklinal

Pembelahanantiklinal

Arah pembelahan selDivision insame plane

Plane ofcell division

Single file of cells forms

Cube forms

Nucleus

Cell divisions in the same plane produce a single file of cells, whereas cell divisions in three planes give rise to a cube.(a)

Division inthree planes

Unspecializedepidermal cell

cell division

Asymmetrical

Unspecializedepidermal cell

Guard cellmother cell

Unspecializedepidermal cell

Developingguard cells

(b) An asymmetrical cell division precedes the development of epidermal guard cells, the cells that borderstomata (see Figure 35.17).

Arah dan simetri pembelahan sel penting dalam penentuan bentuk sel

23/04/2014

3

The plane in which a

cell divides

Is determined during

late interphase

Microtubules in the

cytoplasm

Become

concentrated into a

ring called the

preprophase band

Preprophase bandsof microtubules

Nuclei

Cell plates

10 m

Pembentangan sel (Cell enlargement)

Secara teori pemanjangan / pembentangan sel dapat diatur melalui:

Perubahan tekanan turgor : peningkatan turgor akan menyebabkan pemanjangan sel

Perubahan fisik dinding sel: penurunan kekuatan dinding sel menyebabkan pembentangan

Differentiation:

External form of organ due to differentiation

Any situation where a meristematic region gives

rise to two or more type of cells, tissues, or

organ with qualitative differences

DIFERENSIASI Pertumbuhan akan menyebabkan terjadinya perbedaan karena

pertumbuhan dipengaruhi oleh faktor lingkungan yang tidak pernah sama diferensiasi

Diferensiasi bersifat kualitatif

Perubahan morfologi dan fungsi sel, jaringan dan organ.

Contoh diferensiasi

sel : kambium menjadi floem atau xilem

jaringan : parenkim daun menjadi parenkim palisade dan parenkim

bunga karang

organ : meristem apikal pucuk menjadi daun atau bunga

Pertumbuhan dan diferensiasi terjadi secara bersamaan.

Contoh pertumbuhan tanpa diferensiasi: kalus

Pertumbuhan dan diferensiasi bersifat mutually competitive yaitu kondisi yang memacu pertumbuhan biasanya menekan diferensiasi dan sebaliknya.

23/04/2014

4

Proses perkembangan tumbuhan tingkat tinggi

MERISTEMATIC CELL

Plasmatic growth

expansion

differentiation

maturationMATURE CELL

senescence

Death

TAHAP-TAHAP PERKEMBANGAN TUMBUHAN

Fase juvenil atau fase vegetatif

Fase reproduktif

Fase transisi (perubahan karakteristik vegetatif)

Nutrien

hormon

Pembukaan tunas dan

pembentangan sel pada

meristem apikal

1. Size effect

2. Endogenous timing

3. Keseimbangan hara

tanaman

Pembungaan, pembentukan biji dan buah

Juvenility and ripeness to flower

Fase perkembangan Shoot Apical Meristem :

Juvenile phase

Adult vegetative phase

Adult reproductive phase

Syarat terbentuknya bunga:

1) Harus mencapai fase vegetative tertentu (juvenile)

2) Cukup dewasa (mature) : stimulus lingkungan yang cukup dapat menginisiasi terbentuknya bunga

3) Fase reproduksi : aktualisasi terbentuknya bunga (reprogramming of shoot apical /lateral meristem)

juvenile reproductive

Heteroblastic development :Fase muda dan dewasa menunjukkan perbedaan morfologi yang jelas

Acacia heterophylla

Homoblastic development : Fase muda dan dewasa tidak berbeda

Heterophylly :

terdapat bentuk daun berbeda pada fase pertumbuhan yang sama

Beberapa tumbuhan air (aquatic plants)- submerged leaves- aerial leaves

Marsilea quadrifolia

23/04/2014

5

Analisis Pertumbuhan

Kecepatan Pertumbuhan

(1) Absolut : Total pertumbuhan per unit waktu (dx/dt). Jika kecepatan konstan selama waktu tertentu kurva pertumbuhan berbentuk linear

(2) Relatif : Pertumbuhan masing-masing bagian per unit waktu yang diekspresikan dengan satuan yang sama, misal per satuan massa atau luas

Contoh

Daun A luasnya 5 cm2

Daun B luasnya 50 cm2

Daun A dan B bertambah luasnya 2 cm2 per hari

(absolut)

Kecepatan pertumbuhan relatif daun A=2/5

Kecepatan pertumbuhan relatif daun B=2/50

Pengukuran pertumbuhan

Bobot basah

Bobot kering

Jumlah sel : untuk mengukur pertumbuhan organisme uniseluler

Pertumbuhan linear

Panjang : Untuk organ-organ yang tumbuh ke satu arah misal pollen tube, ujung akar, termasuk juga untuk mengukur tinggi tanaman

Lebar :Pembentangan buah, penebalan lapisan kayu

Luas : Mengukur pertumbuhan yang terjadi dalam dua dimensi misal pembentangan daun.

Pengukuran pertumbuhan dilakukan pada daerah yang sedang tumbuh pada meristem.

Kurva Pertumbuhan

Linier growthLt = Lo + rt

Lo : length at zero timeLt : length at time tr : growth rate

Exponential growthLt = Lo ert

Lt : Leaf area after time tLo : initial leaf arear : percentage/ proportional rate

of increase (RGR)e : exponential coefisient (2.7182)

Kurva pertumbuhan berbentuk Sigmoid Menunjukkan ukuran kumulatif sebagai fungsi waktu

Kurva pertumbuhan berbentuk Sigmoid Menunjukkan ukuran kumulatif sebagai fungsi waktu

Faktor-faktor yang mempengaruhi pertumbuhan

?

?

Faktor Eksternal Faktor Internal

Cahaya: intensitas cahayapanjang gelombanglama penyinaran

Nutrien/hara

CO2 dan O2

Air

Temperatur

Polusi udara

Patogen/Insects

Hormon tumbuhanAuksin

GiberelinSitokininAsam absisat Etilen

BrassinosteroidsSugars

Gen Protein

23/04/2014

6

Pertumbuhan dan

perkembangan

1. Faktor internal

a. Level intraseluler:

b. Level interseluler:

Gen Protein

Hormon

MetabolitIon

Koordinasi aktivitas sel

2. Faktor eksternal (lingkungan) level ekstraselulerKetersediaan air, cahaya, O2 dan CO2, suhu, unsur hara, gravitasi, kecepatan angin

Ketiga level tersebut saling berinteraksi menentukan pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan

Genome genes from the nucleus (nuclear genome) inherited by Mendelian rules

Plasmone genetic information from organelles in the cytosol i.e. plastid (plastome) and mitochondria (chondriome) not inherited in Mendelian rules

Genes consist of

* Specific sequence of nucleotides in the DNA molecule

Gene expression : synthesis of specific protein

encoded by specific genes

Tidak semua gen terekspresikan selama siklus hidup suatu individu ataupun diseluruh bagian tubuh tumbuhan

GENES Macam gen berdasarkan aktivitasnya

1. Gen aktif (constitutive expressed)2. Gen inaktif tidak terpengaruh rangsang dari luar3. Gen yang dapat diaktifkan (inducible expressed)4. Gen yang dapat diinaktifkan

Aktivitas gen merupakan kerja sama gen-gen Gen struktural melalui mekanisme transkripsi dan translasi

membentuk protein yang akan digunakan untuk proses metabolisme dan pertumbuhan

Gene and gene expression

- Housekeeping genes : responsible for the enzyme involved in basic cellular metabolism necessary for normal development of plants

- Regulatory genes: responsible for the enzyme involved in gene expression

- Developmental genes : associated for development process

Plant genome contains many genes each affect development Genes consist of specific sequence of nucleotides in the DNA molecule.

Pengendalian genetik perkembangan

Gen DNA dengan urutan nukleotida tertentu dan dapatdiekspresikan menjadi protein

Sintesis protein spesifik yang dikode oleh gen spesifik. Tidak semua gen terekspresikan (aktif) selama siklus hidup suatu

individu atau di seluruh bagian tubuh tumbuhan. ekspresi gen bersifatspatial (berhubungan dengan tempat) dan bersifat temporal (berhubungan dengan waktu).

Sifat totipotensi cell do not lose genes Aktif atau inaktif tergantung kebutuhan dan respon gen terhadap

perubahan lingkungan.

23/04/2014

7

Hormon

Senyawa organik bukan zat hara yang secara biologiaktif pada konsentrasi rendah (< 1 ppm) dan disintesispada salah satu bagian tumbuhan kemudianditranslokasikan ke bagian lain sehingga menimbulkanrespon fisiologi.

Auksin, sitokinin, giberelin, asam absisat dan etilen

FAKTOR LINGKUNGAN

1. Cahaya2. Ketersediaan air3. Suhu4. CO2 dan O25. Unsur hara6. Zat pencemar

Cahaya

Mengendalikan pertumbuhan dan perkembangan tanaman Intensitas dan kualitas cahaya menentukan pola pertumbuhan Cahaya berfungsi sebagaia. sumber energi : photoenergeticb. perusak : photodestructivec. penentu morfologi : photomorphogenesisd. biosintesis : photostimulation

Fotoenergetik

Radiasi sebagai sumber energi untukfotosintesis. Reaksi fotosintesis ditentukan olehintensitas cahaya, kualitas cahaya, dan lamanyapenyinaran.

Proses pembungaan memerlukan lama penyinaran tertentu

Berdasarkan lamanya waktu memperoleh cahaya(fotoperiode), tumbuhan dibedakan menjadi:a. Tumbuhan hari panjang (Long-Day Plant)b. Tumbuhan hari pendek (Short-Day Plant)c. Tumbuhan hari netral (Day-Neutral Plant)

Fotomorfogenesis

Pengaturan morfogenesis oleh cahaya

Pigmen yang bertanggung jawab : fitokrom

Fitokrom ada 2 bentuk yaitu

Pr : 660 nm

Pfr : 730 nm

Perubahan Pr/Pfr tergantung pada panjang gelombang cahaya yang diterima

Light and plant development

Photomorphogenesis - a change in plant development induced by specific kinds of light

and not dependent on photosynthesis.

23/04/2014

8

Pengaruh Cahaya terhadap

Pertumbuhan Kecambah Perception of light

Plants have specific photoreceptors Different photoreceptors detect different wavelengths of light- Phytochromes (red and far-red light )- Cryptochromes (blue, green, UV-A light)- Phototropin (blue light)- UV-B receptor (still not identified)

What Is Phytochrome ?What Is Phytochrome ?What Is Phytochrome ?What Is Phytochrome ?

Phytochrome is a pigment found in some plant cells that hasbeen proven to control plant development.

Phytochrome is a protein Chromophore , a molecule that is responsive to light quality and quantity ( duration),

Photomorphogenesis The control of growth and development by light duration or light quality.

This pigment has two forms or phases in can exist in. P-red light sensitive (Pr) and Pfar red light sensitive (Pfr)forms. The difference is simply configurational. One single bond, and one hydrogen atom changes location in the molecule

The actual plant response is very specific to each species, and some plants do not respond at all.

Two forms of phytochrome

Pr is red form, peak absorption in red

Pfr is far red form, peak absorption in far-red

Perubahan Pr/Pfr tergantung pada panjang gelombang cahaya yang diterima

Pr PfrRed light

Far-red light

Physiologically active form of phytochrome

germination

De-etiolation

Chlorophyllproduction

Fotodestruktif

Radiasi panjang gelombang pendek bersifat merusak

Mekanisme menghindari kerusakan misalnya: sintesis antosianin

Fotooksidasi auksin auksin mengalami kerusakan apabila terkena cahaya (fenomena fototropi).

23/04/2014

9

Fototropi

cahaya matahari

sel yang terkena cahaya matahari tumbuh lebih pendek

sel yang tidak terkena cahaya matahari tumbuh lebih panjang

Air sangat penting bagi kehidupan tanaman Peranan air bagi tumbuhan:

Sebagai penyusun protoplasma yang terbanyak

Untuk mempertahankan sifat-sifat fisik dan kimia senyawa

penyusun sel

Berperan langsung dalam proses metabolisme

Berperan untuk meningkatkan respirasi terutama pada biji kering

Sebagai sumber hidrogen terutama dalam reaksi reduksi

Sebagai pelarut dan pembawa zat, karena air merupakan pelarut

yang universal

Untuk menimbulkan dan mempertahankan tekanan turgor sel

Untuk mempertahankan kestabilan suhu tubuh, karena air mempunyai panas spesifik yang tinggi

Ketersediaan air

Ketersediaan air berkaitan erat dengan cara hidup tumbuhan

Ketersediaan air dalam tanah yang dapat dimanfaatkan oleh

tanaman darat yaitu antara kapasitas lapang dan titik

layu permanen.

Ketersediaan air bagi tumbuhan berkaitan erat dengan cara hidupnya

Bentuk-bentuk air tanah

1. Air tanah gravitasi: berada di pori makro tanah, diikat sangat lemah oleh partikel tanah, dengan cepat turun ke lapisan yang lebih dalam, tidak dapat dimanfaatkan tanaman

2. Air tanah kapiler: terdapat di pori mikro tanah, melapisi butiran tanah, diikat longgar oleh partikel tanah, dapat dilepaskan oleh perakaran, dapat diserap akar

3. Air tanah higroskopis: air yang menempati posisi sangat dekat dengan partikel tanah, diikat sangat kuat, akar tidak mampu memutus ikatan, tidak dapat diserap akar.

4. Air tanah kimia, adalah air tanah yang terdapat di dalam senyawa-senyawa kimia

Kebutuhan air pada tanaman

Menurut Osonubi & Davies (1980), ada beberapa hal yang mempengaruhi kebutuhan air pada tanaman antara lain:

Jenis, bentuk dan umur tanaman

Lokasi dan kondisi sekitar tanaman

Jenis media tanam

Musim

23/04/2014

10

SUHU Mempengaruhi proses metabolisme tumbuhan dalamkaitannya dengan aktivitas enzim.

Berperan dalam thermoinduction, thermoperiodism, danthermomorphism.

Suhumempengaruhi pertumbuhan, perkembangan dandistribusi tanaman.

Peranan suhu sebagai pengendali proses-proses fisik dan kimiawi yang selanjutnya akan mengendalikan reaksi biologidalam tubuh tanaman.

Cardinal temperature (minimum, optimum dan maksimum) tergantung pada organ, jenis tumbuhan dan tingkatperkembangan tanaman.

Suhu berperan dalam: - perkecambahan biji- inisiasi pembungaan- induksi pematahan dormansi

Cardinal Temperature - Kisaran temperatur dimana tumbuhan mampu tumbuh dan bertahan hidup

Peranan suhu sebagai pengendali proses-proses fisik dan kimiawi yang selanjutnya akan mengendalikan reaksi biologi dalam tubuh tumbuhan

Cold Hardiness - The ability of a plant to withstand frost or freezing temperatures (without artificial protection)

Tumbuhan di kutub dpt bertahan pada temperatur -70oC

Heat Hardiness - The ability of a plant to withstand hot ttures

Tumbuhan padang pasir dpt bertahan pada temperature > 50oC

Plants Differ in Their Ability To Survive Cold and Hot Temperatures

CO2, O2Photosynthesis and respirationNet assimilation rate the balance of carbon gain in photosynthesis and carbon use in whole plant respiration

Climate change

Atmospheric CO2 enrichment

Nitrogen deposition Change in stratospheric ozoneTropospheric ozone pollution

Change in atmospheric compositionChange in atmospheric compositionUnsur hara

Esensial kriteria? Makro dan mikronutrien- Makronutrien dan mikronutrien diperlukan untuk tumbuh, berkembang, dan bereproduksi.- Defisiensi unsur hara esensial nutritional disorder(kahat)

Fungsional: diperlukan oleh tumbuhan ttt dalam jumlah kecil (misal Na)- kalau tidak ada: tidak berpengaruh- kalau ada: memacu pertumbuhan

23/04/2014

11

Pengertian unsur hara esensial

Suatu unsur termasuk sebagai hara esensial jika memenuhi syarat:

Terlibat langsung dalam fungsi metabolisme tanaman (involved in plant metabolic.

Tanaman tidak akan sempurna siklus hidupnya tanpa adanya unsur tersebut (plant cannot complete its lifecycle without it).

Tidak ada unsur lain yang dapat menggantikan secara sempurna seluruh fungsi metabolisme yang melibatkan unsur tersebut (no other element can substitute for all of its metabolic functions).

Plants Require Different Amounts of

Different Nutrients

(4%)

(96%)

Fungsi biokimia dan fisiologi

1. Untuk membentuk senyawa organik : N, S2. Untuk reaksi transfer energi dan memelihara integritas

struktur : P, B, Si.3. Unsur dalam bentuk ion atau terikat substansi lain

berperan sebagai kofaktor enzim dan regulasi potensial osmotik: K, Na, Mg, Ca, Mn, Cl.

4. Unsur yang berperan dalam reaksi transfer elektron: Fe, Cu, Zn, Mo, Ni.

The concentration of that nutrient, measured in the tissue, just below the level that gives maximum growth.

At this range additional increments in nutrient content will have no beneficial effect on growth.

Growth falls off sharply in this range

Zat Pemacu

Hormon: auksin, sitokinin, giberelinZat tumbuh: NAA, MCPA, Kinetin dll

Pupuk

Zat Penghambata. Hormon : ABA b. Penghambat sintesis GA : CCC, Paklobutrazol, Mepiquat

Chloridac. Penghambat transpor auksin: TIBA (2,3,5-triiodobenzoic

acid); NPA (a-Naphthyl thalamic acid)d. Alelopati

Zat pencemar

Limbah aktivitas manusia (antropogenik)pencemarmengubah ekosistem.

Sumber zat pencemar- Alami : merupakan bagian dari daur biogeokimia- Akibat aktivitas manusia: kegiatan industri, pertambangan, pemakaian pestisida/herbisida

Bentuk zat pencemar: gas, padat, dan cair(dalam bentuk larutan)

23/04/2014

12

What is pollution?

Pollution is the introduction of harmful substances or products into the environment

We will be examining 3 main parts of pollution

Water Pollution

Air Pollution

Land Pollution

Water PollutionWater Pollution

Inorganic PollutantsPb in gasolineRadionuclidesPhosphorus, nitrogen (Great Lakes)Other heavy metals

Organic PollutantsAgricultural run-off (Pesticides and Herbicides)Materials for common household and industrial useMaterials for industrial use

Biologic Pollutants

Air Pollution

One of the main causes of air pollution is the release of carbon dioxide into the atmosphere, this happens because of Deforestation and fossil fuel burning

Sulfur dioxide is another air polluter and is released into the atmosphere by the burning of sulfur containing compounds of fossil fuels. Sulfur oxides are very dangerous to humans at a high concentration. Sulfur in the atmosphere is responsible for acid rain

Acid Rain

When emissions of sulfur dioxide and nitric oxide from stationary sources are transported long distances by winds, they form secondary pollutants such as nitrogen dioxide, nitric acid vapor, and droplets containing solutions of sulfuric acid, sulfate, and nitrate salts

These chemicals descend to the earth's surface in wet form as rain or snow and in dry form as a gases fog, dew, or solid particles, it is known as acid rain or acid deposition

Land Pollution

Agriculture

herbicides, pesticides, artificial fertilizers, animal manure (poop) are washed into the soil and pollute it

Industrial waste

Heavy metal

Heavy MetalHeavy Metal

Heavy metal ions of CdHeavy metal ions of Cd2+2+, Hg, Hg2+2+, and Pb, and Pb2+2+ are nonessential and are nonessential and toxic to plants toxic to plants

CuCu2+2+, Zn, Zn2+2+, Mn, Mn2+2+, Fe, Fe2+2+, Ni, Ni2+2+, and Co, and Co2+2+ are essential are essential micronutrients for plants, but toxic when present in high micronutrients for plants, but toxic when present in high concentrationconcentration

HyperaccumulatorsHyperaccumulators: plant species tolerate, uptake, and : plant species tolerate, uptake, and translocatetranslocate high levels of certain heavy metals that is toxic to high levels of certain heavy metals that is toxic to other species.other species.

Contain >100 mg/kg of Contain >100 mg/kg of CdCd, >1000 mg/kg of Cu, or >10,000 mg/kg of , >1000 mg/kg of Cu, or >10,000 mg/kg of

Zn and Zn and MnMn(dry weight in leaves)(dry weight in leaves)