PROSES FISIOLOGI DAN MORFOLOGI PERKECAMBAHAN BENIH PADI (Oryza sativa L.) HINGGA MENJADI BIBIT

A.    Klasifikasi Tanaman Padi

Padi termasuk famili Graminae, subfamili Oryzidae, dan genus Oryza. Di dunia  terdapat kurang lebih 22 jenis padi-padian (Oryza). Jenis Oryza sativa dan Oryza glaberrima adalah jenis yang dibudidayakan, sedangkan sisanya adalah jenis-jenis liar. Oryza sativa adalah jenis yang paling tersebar ke seluruh dunia (Priadi, et al., 2007; Suparyono dan Setyono, 1993). Oryza sativa berbeda dengan Oryza glaberrima karena spesies ini memiliki cabang-cabang sekunder pada malai, ligula lebih panjang, gluma dan daunnya agak kasar serta dapat tumbuh secara musiman (Manurung dan Ismunadji, 1988).

Klasifikasi ilmiah tanaman padi menurut Suparyono dan Setyono (1996 cit. Syamsiar, 2009) adalah :

Divisio                   : Angiospermae

Subdivisio             : Spermatophyta

Kelas                     : Monocotyledoneae

Ordo                      : Poales/ Graminaceae

Famili                    : Poaceae/ Graminae

Genus                    : Oryza

Species                  : Oryza sativa L.

Di Indonesia padi yang ditanam penduduk banyak sekali varietasnya, jumlahnya ditaksir lebih dari 1000. Tiap-tiap daerah dapat dikatakan memiliki varietasnya sendiri yang tentunya juga menimbulkan perbedaan terhadap umur, daya hasil, kualitas beras, serta ketahanan terhadap hama dan penyakit (Soemartono et al., 1980).

Dalam perjalanan evolusi padi, Chang (1976 cit. Manurung dan Ismunadji, 1988) menyimpulkan bahwa Oryza sativa telah mengalami perubahan-perubahan morfologis dan fisiologis selama proses pembudidayaan. Perubahan-perubahan tersebut meliputi ukuran daun yang lebih besar, lebih panjang dan lebih tebal. Jumlah daun juga menjadi lebih banyak dan laju pertumbuhan tanaman lebih cepat. Jumlah cabang-cabang sekunder  pada malai juga lebih banyak, bobot gabah lebih tinggi, laju pertumbuhan bibit lebih cepat, anakan menjadi lebih banyak dan pembentukan malai lebih sinkron dengan perkembangan anakan. Di samping itu pengisian gabah menjadi lebih lama, tetapi kemampuan untuk membentuk rizoma berkurang, dormansi lebih pendek, kurang peka terhadap panjang hari dan tanaman menjadi lebih inbred daripada cross-polinated.      

B.     Morfologi Benih Padi

Keseluruhan organ tanaman padi ditunjukkan pada Gambar 1 yang terdiri dari dua kelompok, yakni organ vegetatif dan organ generatif (reproduktif). Bagian-bagian vegetatif meliputi akar, batang, daun, sedangkan bagian generatif terdiri dari malai, bunga, buah padi (gabah) (Suparyono dan Setyono, 1993). Berdasarkan bentuk gabahnya, buah padi terbagi menjadi beberapa bentuk yaitu ramping, memanjang, sedang dan gemuk (Siregar, 1981 cit. Ginting, 2008; Vergara, 1990 (Gambar 2)).

Gambar 1. Bagian-bagian tanaman padi (Vergara, 1990)   Gambar 2.  Variasi morfologi benih padi (Vergara, 1990)

        

Buah padi merupakan bagian yang umum digunakan sebagai bahan tanam (benih). Buah padi adalah ovary yang telah masak, bersatu dengan lemma dan palea. Buah ini merupakan hasil penyerbukan dan pembuahan yang terdiri dari embrio (lembaga), endosperm dan bekatul (buah padi yang berwarna coklat (Anonim, 1990 cit. Ginting, 2008).

Struktur gabah ditunjukkan pada Gambar 3. Gabah terdiri dari biji yang terbungkus oleh sekam. Biji yang sehari-hari dikenal dengan nama beras pecah kulit adalah karyopsis yang terdiri dari janin (embrio) dan endosperm yang diselimuti lapisan aleuron, kemudian tegmen dan lapisan terluar disebut perikarp. Embrio terdiri atas kotiledon dan sumbu embrio (embryo axis) yang dapat tumbuh menjadi akar, dan daun saat perkecambahan berlangsung. Dalam jenis-jenis japonica, sekam terdiri dari gluma rudimenter dan sebagian dari tangkai gabah (pedicel), sedangkan pada jenis-jenis indica, sekam dibentuk oleh palea, lemma mandul dan rakhilla. Perbedaan tersebut disebabkan oleh perbedaan bagian tanaman, di mana gabah itu lepas atau rontok (disarticulation). Pada jenis-jenis japonika, gabah lepas dari malai pada bagian bawah gluma, sedangakan pada jenis-jenis indika, disarticulation letaknya diatas gluma (Damardjati, 1988)

C.    Perkecambahan Benih Padi

Tahapan pertumbuhan tanaman padi diawali dengan perkecambahan. Proses perkecambahan benih merupakan suatu rangkaian kompleks dari perubahan-perubahan morfologi, fisiologi, dan biokimia. Menurut analis benih, benih dikatakan berkecambah jika sudah dapat dilihat atribut perkecambahannya, yaitu plumula dan radikula dan keduanya tumbuh normal dalam jangka waktu tertentu sesuai dengan ketentuan ISTA. Sedangkan menurut ahli fisiologi, perkecambahan adalah proses pengaktifan kembali aktivitas pertumbuhan embryonic axis di dalam benih yang terhenti untuk kemudian membentuk bibit. Perkecambahan benih merupakan proses berubahnya benih menjadi kecambah yang diawali proses metabolisme benih dan aktivitas pertumbuhan embrio menjadi kehidupan baru. Proses perkecambahan dibedakan menjadi 2 proses yaitu :  (a) proses perkecambahan morfologis dan (b) proses perkecambahan fisiologis (Kozlowski, 1972a).

a.      Proses Perkecambahan Morfologis

Proses perkecambahan morfologis meliputi pertumbuhan embryonic axis sebagai akibat pembelahan sel yang diikuti pemanjangan dan pembesaran sel sehingga tumbuh radikula dan plumula menjadi bibit yang normal. Tanaman padi memiliki tipe perkecambahan hipogeal dimana munculnya radikula diikuti dengan pemanjangan plumula (Gambar 4.), Hipokotil tidak memanjang ke atas permukaan tanah sedangkan kotiledon berada di dalam kulit benih di bawah permukaan tanah. Kotiledon yang di sini disebut scutellum, tetap tinggal di dalam tanah. Scutellum berfungsi sebagai organ penyerap makanan dari endosperma dan menghantarkannya kepada embryonic axis yang sedang tumbuh (Kuswanto, 1996).

Sewaktu perkecambahan, yang pertama kali keluar adalah radikula. Selanjutnya pada radikel ini keluar akar-akar cabang (lateral roots), bersama-sama dengan akar primer membentuk sistem akar primer. Sistem akar primer ini biasanya hanya berfungsi untuk sementara, dan kemudian mati. Fungsi sistem akar primer ini kemudian digantikan oleh akar-akar adventif yang keluar dari nodus batang yang pertama dan beberapa nodus di atasnya. Sistem akar adventif (akar serabut) inilah yang menjamin kehidupan tanaman teresbut selanjutnya dalam hal penyerapan air dan bahan makanan dari tanah dan sebagai alat penambat pada tanah.

Berdasarkan perkembangan endosperm, maka benih dkelompokkan menjadi 2 yaitu tipe endospermik dan non endospermik. Tipe endospermik memiliki ciri bagian endosperm benih tumbuh dengan baik sebagai jaringan penyimpan cadangan makanan, sedangkan tipe non endospermik tidak tumbuh dengan baik. Benih serealia seperti padi termasuk tipe endospermik, karena sebagian besar cadangan makanan disimpan   dalam   endosperm. Cadangan  makanan  terdiri  dari  senyawa-

Hari Perkecambahan Panjang Tajuk (mm) 4 7 8 17 12 112 15 123

Tabel 1. Pertumbuhan Tunas dalam perkecambahan Benih (Oryza sativa L. var. Fujiminori) (Murata et al., 1968)

Gambar 3. Struktur gabah berdasarkan diagram potongan longitudinal benih (Damardjati, 1988).

 

                                                                                        

Gambar 4.  Tingkat perkecambahan benih padi (Vergara, 1990)

Gambar 5. Sumber makanan untuk pertumbuhan benih padi (Vergara, 1990)

 

senyawa dengan berat molekul (BM) besar dan tidak larut dalam air, sehingga sulit diangkut ke bagian embrio kecuali diubah menjadi monomernya (Bewley dan Black, 1983). Protein, pati dan lipid setelah dirombak oleh enzim-enzim digunakan sebagai bahan penyusun pertumbuhan di daerah titik-titik tumbuh dan sebagai bahan bakar respirasi (Sutopo, 2002 cit., Kanetro, 2009). Proses peruraian cadangan makanan tersebut dapat berlangsung secara alami melalui perkecambahan, jadi sebenarnya proses perkecambahanlah yang menyebabkan terjadinya perubahan nilai kandungan kimia dalam benih.

b.      Proses Perkecambahan Fisiologis

Proses perkecambahan fisiologis, dalam tahap ini embrio di dalam benih yang semula berada pada kondisi dorman mengalami sejumlah perubahan fisiologis yang menyebabkan ia berkembang menjadi tumbuhan muda. Tumbuhan muda ini dikenal sebagai kecambah. Kecambah adalah tumbuhan (sporofit) muda yang baru saja berkembang dari tahap embrionik di dalam benih. Tahap perkembangan ini disebut perkecambahan dan merupakan satu tahap kritis dalam kehidupan tumbuhan. Proses perkecambahan dalam hal ini melalui 3 tahap, yakni: (i) Perembesan air ke dalam benih (imbibisi), (ii) pengaktifan proses metabolisme; dan (iii) perkecambahan (Kozlowski, 1972b).

i.     Perembesan Air ke Dalam Benih (imbibisi)

Perembesan air ke dalam benih (imbibisi), merupakan proses penyerapan air yang berguna untuk melunakkan kulit benih dan menyebabkan pengembangan embrio dan endosperma. Proses perkecambahan dapat terjadi jika kulit benih permeabel terhadap air dan tersedia cukup air dengan tekanan osmosis tertentu. Dalam tahap ini, kadar air benih naik menjadi 25-35%, sehingga kadar air di dalam benih itu mencapai 50-60%, dan hal ini menyebabkan pecah atau robeknya kulit benih. Selain itu, air memberikan fasilitas untuk masuknya oksigen ke dalam benih. Dinding sel yang kering hampir tidak permeabel untuk gas, tetapi apabila dinding sel diimbibisi oleh air, maka gas akan masuk ke dalam sel secara difusi. Hal tersebut dikarenakan selain membutuhkan air, benih yang berkecambah juga memerlukan suhu sekitar 10-40⁰C, dan oksigen.  Apabila dinding sel kulit benih dan embrio menyerap air, maka suplai oksigen meningkat kepada sel-sel hidup sehingga memungkinkan lebih aktifnya pernapasan. Sebaliknya CO2 yang dihasilkan oleh pernapasan tersebut lebih mudah mendifusi keluar (Manurung dan Ismunadji, 1988; Kozlowski, 1972b).

ii.   Pengaktifan Proses Metabolisme

Pengaktifan proses metabolisme, pada tahap ini kadar air dalam benih bertambah menjadi 30-40%. Peningkatan laju respirasi akibat imbibisi, akan mengaktifkan enzim-enzim yang terdapat di dalamnya sehingga terjadi proses perombakan cadangan makanan (katabolisme). Enzim-enzim yang teraktifasi pada proses perkecambahan ini adalah enzim hidrolitik seperti: α amylase dan β amylase yang mertombak pati menjadi gula (glukosa, fruktosa, dan sukrosa), ribonuklease yang merombak ribonukleotida endo-α-glukanase, glukan fosfatase yang merombak senyawa yang mengandung P, lipase yang merombak lemak menjadi glycerine dan asam lemak, dan protease yang merombak senyawa protein menjadi asam amino. Peruraian cadangan makanan bertujuan menjadikan senyawa-senyawa larut dalam air, sehingga dapat diangkut ke embryo axis, plumula, radikula dengan proses difusi atau osmose antar sel, untuk pertumbuhan. Perombakan cadangan makanan melibatkan dua proses yang akan terjadi yakni : (i) katabolisme  karbohidrat, melalui proses ini ATP  dan unsur hara akan dihasilkan dan diikuti pembentukan senyawa protein melalui proses anabolisme (sintesis protein), yang mana kedua proses ini terjadi secara berurutan dan pada tempat yang berbeda, digunakan untuk pembentukan sel-sel baru pada embrio, dan berfungsi untuk membentuk protoplasma dan organela sel baru, guna keperluan perkecambahan dan pertumbuhan kecambah selanjutnya, (ii) metabolisme lemak, proses ini terjadi setelah  semua   proses  imbibisi,  aktivasi  enzim,  dan  katabolisme  cadangan makanan berjalan.  Melalui proses ini lemak akan dirombak oleh enzim lipase dan enzim lainnya, yang mendorong inisiasi pertumbuhan embrio. Keseluruhan proses perombakan cadangan makanan ini akan berlangsung terus dan merupakan pendukung dari pertumbuhan kecambah sampai tanaman dewasa (Kozlowski, 1972b; Mayer dan Poljakoff-Mayber, 1978).

iii. Perkecambahan

Perkecambahan, merupakan tahapan yang terjadi pada akhir tahap pengaktifan. Tahapan ini merupakan akibat dari proses pembentukan sel-sel baru pada embrio, yang akan diikuti proses deferensiasi sel-sel, sehingga terbentuk plumula yang merupakan bakal batang dan daun, serta radikula yang merupakan bakal akar. Kedua bagian ini akan bertambah besar. Benih padi dikatakan telah berkecambah apabila radikula telah tampak keluar menembus koleorhiza diikuti oleh munculnya koleoptil yang membungkus daun, Dalam keadaan terendam, maka yang muncul lebih dahulu adalah koleoptil dan kemudian diikuti oleh koleorhiza (Manurung dan Ismunadji, 1988).

Kecambah dikatakan mantap setelah ia dapat menyerap air dan berfotosintesis (autotrof). Semula, ada masa transisi antara masih disuplai oleh cadangan makanan sampai mampu autotrof (Gambar 5.). Saat autotrof telah dicapai, maka proses perkecambahan dikatakan telah sempurna (makna agronomis). Benih yang sudah berkecambah selanjutnya disebut bibit (seedling). Daun pertama tampaknya tidak memiliki helai daun dan hanya tumbuh sampai kira-kira 2 cm. Pada permulaan tumbuh, pertumbuhan bibit tergantung pada persediaan zat makanan dalam endosperm (Manurung dan Ismunadji, 1988).

Pertumbuhan benih sangat dipengaruhi oleh suhu, cahaya, oksigen dan air. Pada suhu 22-31⁰C, laju pertumbuhan sangat cepat. Menurut Yoshida (1981 cit. Manurung dan Ismunadji, 1988), 70% pertumbuhan benih pada minggu pertama tersebut didukung oleh persediaan bahan makanan dari endosperm. Perombakan endosperm tersebut bersifat enzimatis, yakni sebagai akibat aktivitas enzim amilase yang terdapat di lapisan aleuron. Selanjutnya peranaan suhu berkurang pada minggu kedua, namun suhu 22 ⁰C dianggap sebagai suhu di bawah normal. Memanjangnya jaringan adalah sebagai akibat gabungan pembelahan sel dan pembesarannya. Suhu optimal untuk pembelahan sel ujung radikula adalah 25⁰C, sedangkan untuk pembesarannya adalah 30⁰C. Oleh karena suhu optimal unuk perpanjangan radikula secara keseluruhan adalah 30⁰C, maka pertumbuhan radikula tersebut didominasi oleh perpanjangan sel. Benih yang dikecambahkan di tempat gelap merangsang perpanjangan mesokotil, koleoptil, daun pertama dan kedua, ruas pertama dan kedua dan akar sekunder akan keluar dari buku di atas mesokotil.

D.    Proses Metabolisme dalam Benih yang Berkecambah

Dalam proses perkecambahan, tujuan yang sebenarnya adalah pengaktifan kembali aktivitas pertumbuhan embryonic axis di dalam benih yang terhenti, melalui pengaktifan proses metabolisme, untuk kemudian membentuk bibit. Berdasarkan hal tersebut, maka proses metabolisme dalam benih selama perkecambahan perlu dibahas lebih mendalam.

Struktur benih padi, terdiri dari biji yang terbungkus oleh sekam. Biji adalah karyopsis yang terdiri dari janin (embrio) dan endosperm yang diselimuti lapisan aleuron, kemudian tegmen dan lapisan terluar disebut perikarp. Biji tersebut sehari-hari dikenal dengan nama beras pecah kulit. Pati merupakan kandungan utama beras (± 75%) yang terdapat dalam bagian endosperm berbentuk granula majemuk berukuran 3-10 µm. Protein sebagai komponen kedua dalam beras (± 8%), di dalam endosperm berbentuk butiran (bodies) dengan ukuran 1-4 µm. Sedangkan kandungan lainnya sangat sedikit meliputi lemak, serat dan abu (Damardjati, 1988). Berdasarkan hal tersebut, maka dalam sub-bab ini lebih ditekankan pada pembahasan (a) aktivitas karbohidrat dan (b) aktivitas protein.

a.   Aktivitas Karbohidrat

Studi biokimia terbaru telah menjelaskan mekanisme metabolisme karbohidrat dalam benih. Hal ini berlaku umum bahwa kerusakan amilolitik pati dapat menjelaskan metabolisme karbohidrat utama dalam jaringan endosperm tanaman (Murata et al., 1968).

 

       

Gambar 6. Perubahan berat kering total, pati, dan gula total pada endosperma benih padi (Oryza sativa L. var. Fujiminori) saat perkecambahan (Murata et al., 1968).

Gambar 7. Perubahan komponen gula individu dalam endosperma benih padi (Oryza sativa L. var. Fujiminori) saat perkecambahan (Murata et al., 1968)

 

Dalam metabolisme benih padi selama perkecambahan, penurunan pati sejajar dengan penurunan berat kering benih (Gambar 6). Permulaan terurainya polisakarida cadangan tampaknya terjadi setelah sekitar 4 hari imbibisi benih. Sebagian besar cadangan polisakarida dipecah dan ditranlokasikan pada tahap selanjutnya. Kandungan karbohidrat terlarut masih sedikit pada tahap awal, sampai sekitar 4 hari. Sejak saat itu, ada peningkatan secara bertahap karbohidrat terlarut dalam endosperma benih.

Perubahan konstituen gula individu dalam endosperm benih padi selama perkecambahan disajikan pada (Gambar 7 dan Gambar 8). Komponen utama gula terlarut dari benih adalah sukrosa, dan sangat kecil glukosa terdeteksi menurun sampai sekitar setengah dari tingkat awal pada sekitar 4 hari, setelah itu secara bertahap meningkat dan tingkat turun di tahap-tahap selanjutnya. Akan tetapi, sebagai hasil perkecambahan ada akumulasi glukosa dan fruktosa selama tahap-tahap kemudian.

Maltosa adalah oligosakarida yang muncul hanya setelah sukrosa, juga menunjukkan peningkatan bertahap dari 6 sampai 12 hari perkecambahan. Sebuah peningkatan pesat dalam jumlah glukosa terlihat dari hari ketiga hingga hari keempat, dan mencapai maksimum pada hari kedua belas. Maltooligosakarida menunjukkan pola yang mirip dengan glukosa, tetapi tingkat pembentukannya ini jauh lebih rendah daripada glukosa. Ada perbedaan antara kadar gula total dan jumlah komponen gula individu (ditandai dengan daerah gelap pada grafik). Perbedaan ini merupakan pembentukan maltooligosakarida yang mempunyai berat molekul besar.

Pola tersebut dapat berhubungan erat dengan pembentukan α-amilase pada benih padi berkecambah. Gambar 9 dan Tabel 2. menjelaskan bahwa aktivitas dari α-amilase sangat rendah pada tahap awal, sampai dengan sekitar 4 hari, dan kemudian meningkat tiba-tiba setelah lag-phase. Sehingga diketahui bahwa aktivitas enzim α-amilase sangatlah lambat. Aktivitas fosforilase (Gambar 9), juga menunjukkan puncak pada sekitar 8 sampai 10 hari.

Gambar 8. Kromatografi kolom fraksi gula terlarut perkecambahan endo- sperma benih padi (Oryza sativa L. var. Fujiminori) saat perkecambahan (Murata el al., 1968)

Gambar. 9. Aktivitas ektrak α-Amilase dan fosforilase dari endosperma benih padi (Oryza sativa L. var. Fujiminori) saat perkecambahan (Murata et al., 1968).

 

 

 

Gambar. 10. Profil Mikroskopis dalam benih padi (Oryza sativa L. var. Fujiminori). Pembesaran (X 70). E: endosperm; Ep: epithelium; Sc: scutellum; C: coleoptile; R: root (Nomura et al., 1969).

Gambar. 11. Kromatografi kolom fraksi gula terlarut scutella benih padi (Oryza sativa L. var. Fujiminori) yang berkecambah (Nomura et al., 1969).

 

Tabel 2 . Perubahan aktivitas amilase benih padi yang berkecambah. Hari Perkecambahan	Jaringan	Aktivitas Amilase
		α – amilase (unit x 10-2)	β – amilase (unit)
2	Scutellum	0.7	5.7
	Endosperm	4.7	21
4	Scutellum	1.2	4.3
	Endosperm	18	66
6	Scutellum	0.6	3.1
	Endosperm	21	73

Sehingga tampak jelas bahwa kuantitas pati terurai di dalam jaringan endosperm oleh amilase jauh lebih besar daripada dengan fosforilase, hal ini menunjukkan peran yang lebih penting dari sebuah-amilase dalam pemecahan cadangan pati dalam perkecambahan benih padi. Sehingga boleh dikatakan bahwa α-amilase adalah enzim utama yang bertanggung jawab atas perubahan pola karbohidrat dalam benih setelah 4 hari perkecambahan. Lokalisasi amilase pada benih padi dapat dilihat pada Gambar 14. Peningkatan aktivitas maltase dalam jaringan endosperm dimulai setelah 4 hari perkecambahan benih (Gambar 12). Aktivitas puncak pada hari ke 10 dan menurun setelahnya.

Aktivitas enzim fumarase, catalase, pal co-A dehydrogenase, dan kandungan triacylglicerol dapat dilihat pada Gambar 13. Perlu diingat bahwa setelah penurunan awal dalam kandungan sukrosa selama perkecambahan awal, terjadi peningkatan bertahap selama perkecambahan selanjutnya. Hal tersebut menegaskan adanya pemanfaatan cepat sukrosa dalam endosperm yang merupakan karbohidrat terespirasi utama dalam embrio pada beberapa hari awal perkecambahan benih. Kemudian, resintesa sukrosa mungkin  mengikuti permintaan yang besar, sebagai gula transport untuk jaringan tumbuh (tunas dan akar) melalui scutellum tersebut. Molekul sukrosa, merupakan bagian terbesar dari gula terlarut dalam benih, biasa digunakan sebagai sumber energi respirasi pada tahap yang sangat awal dalam perkecambahan, tetapi tidak ada aktivitas sintetase sukrosa terdeteksi di jaringan endosperm selama periode perkecambahan. Resintesa  sukrosa dapat terjadi di scutellum, yang merupakan hubungan antara endosperm dan sumbu embrio.

.

Gambar. 12. Aktivitas ektrak Maltase dalam endosperma benih padi (Oryza sativa L. var. Fujiminori) yang berkecambah (Nomura et al., 1969).

Gambar 13. Kandungan Triacyglycerol dalam jaringan scutellar benih padi (A) dan perubahan aktivitas dalam mitokondria (B) dan gloxysomal (C)  (Okamoto et al., 1982)

 

Glukosa ditranlokasikan dari endosperm ke scutellum, yang mana diubah menjadi sukrosa dan dimobilisasi menuju embrio. Gambar 10 menunjukkan aktivitas sintetase sukrosa serta kadar gula dari scutellum
bagian mikroskopis dari penampang longitudinal median biji berkecambah (2 hari), yang jelas menunjukkan kontak dekat scutellum ke endosperm  Peran scutellum dalam pengembangan embrio graminae didasarkan pada studi anatomi tanaman tersebut. Tapi ada juga bukti eksperimental bahwa scutellum mengeluarkan enzim pencernaan yang menghidrolisis pati cadangan dalam endosperm, dan akhirnya scutellum mentranslokasikan gula larut ke bagian tumbuh embrio (Bernferld, 1955)

Tabel 3. Kandungan Gula dalam Scutellum Benih padi (Oryza sativa L. var. Fujiminori) (Nomura et al., 1969).

 

Hari Perkecambahan	Sukrosa	Maltosa	Glukosa	Fruktosa
4	8.3	0.01	0.34	0.50
6	7.9	0.19	0.16	0.25
8	7.8	0.22	0.34	0.55
11	7.4	0.08	0.47	0.51
14	4.1	0.08	0.69	1.17

Sukrosa merupakan cadangan terbesar dari gula terlarut dalam schutellum (Gambar 11.), sementara maltooligosaccharides, fruktosa dan glukosa merupakan komponen minor.  Dari berbagai data tersebut, dapat diketahui bahwa aktivitas sukrosa sintetase dalam scutellum selama perkecambahan benih padi, juga melibatkan fruktosa dan fruktosa 6-fosfat sebagai molekul glukosa. Hal ini dapat dilihat bahwa aktivitas enzime dalam scutellum sangat cepat pada tahap awal perkecambahan, atau dapat dikatakan mengalami peningkatan signifikan. Penurunan aktivitas enzim yang terjadi setelah hari kesebelas lebih mencolok dibandingkan pada periode sebelumnya (Gambar 10).

 

Gambar. 14. Lokalisasi amylase pada benih padi yang berkecambah, yang dideteksi dengan metode TLM pati. A: penampang median sepanjang sumbu membagi benih menjadi dua; B: penampang median sepanjang sumbu sisi germinal memisahkan biji dari sisi abgerminal; C: melintang bagian melalui scutellum tersebut. (Okamoto dan Akazawa, 1979)

Demikian membandingkan aktivitas enzim dengan hasil analisis sukrosa (Tabel 3.), adalah bahwa laju sintesis sukrosa di scutellum tampaknya paralel dengan laju gerakan sukrosa dari scutellum. Kenaikan transien kandungan sukrosa dalam endosperm setelah sekitar 4 hari perkecambahan (Gambar 7.), mungkin karena back flow sukrosa dari jaringan embrio menuju endosperm.

Edelman et al. (1959) melaporkan bahwa susunan enzim yang diperlukan untuk sintesis sukrosa dari glukosa, yaitu, heksokinase, phosphoglucoisomerase, fosfoglukomutase, UDP-glukosa pyrophosphoryl-ase, sukrosa sintetase dan UDP-ATP-kinase. Hal ini memperkuat pendapat bahwa glukosa yang berasal dari endosperm diresintesa menjadi sukrosa, oleh aktivitas amilolitik dan dimobilisasi ke scutellum. Kemudian, kemudian diangkut ke sumbu embrio, yaitu calon tunas dan calon akar, untuk tujuan metabolik lebih lanjut.

b.   Aktivitas Protein

Perubahan keseluruhan komposisi dalam benih padi selama perkecambahan diilustrasikan pada Tabel 4. Terlihat bahwa kehilangan pati diamati bersama dengan meningkatnya kadar gula bebas, N amino terlarut dan protein terlarut dan penurunan RNA. Hilangnya berat kering secara signifikan dimulai setelah hanya sekitar 4 hari, menunjukkan tingkat metabolisme awal yang lebih lambat. Fukui dan Nikuni (1956 cit., Mayer dan Poljakoff-Mayber, 1978) melaporkan bahwa penurunan kandungan pati terjadi di endosperm, diikuti akumulasinya pada akar dan tajuk. Meningkatknya berat kering lebih cepat pada tajuk daripada di akar, karena koleoptil benih padi tumbuh sebelum tajuk.

Senyawa hasil peruraian cadangan makanan, terutama digunakan untuk respirasi yang menghasilkan energi untuk pertumbuhan embrio (Bewley dan Black, 1983). Respirasi adalah proses sekresi energi dan molekul glukosa dengan oksigen yang menghasilkan karbondioksida dan air, seperti disajikan pada Gambar 15.

Tabel 4. Perubahan komposisi benih padi (mg/µg) selama perkecambahan dalam gelap (Palmiano dan Juliano, 1972 cit., Mayer dan Poljakoff-Mayber, 1978)

 

Hari Perkecambahan	Berat Kering	Pati	Gula Bebas	Protein Kotor	Amino terlarut	RNA	Protein terlarut
0	18.4	16.2	0.15	1.36	2.18	26	258
2	19.6	-	-	0.83	-	14	276
3	17.0	13.9	0.37	0.82	9.79	11	268
4	17.0	12.4	0.77	0.70	14.25	11	296
5	12.6	10.8	1.14	0.64	15.80	11	304

Gambar 15. Mekanisme Respirasi (Bettleheim, et al., 2004 cit. Kanetro, 2009)

Respirasi terjadi pada semua sel yang aktif dengan bantuan berbagai enzim, dan diawali dengan fase glikolisis yang berlangsung dalam sitoplasma, selanjutnya diikuti oleh siklus asam sitrat/ TCA dan transport elektron yang berlangsung dalam mitokondria. Piruvat dan rantai-rantai karbon tereduksi menyediakan hydrogen bagi NAD⁺ (Nikotinamid Adenin Dinukleotida) membentuk NADH₂ (dihidro-Nikotinamid Adenin Dinukleotida) yang digunakan pada transport electron untuk mengubah ADP (Adenin Dwifosfat) menjadi ATP (Adenosin Trifosfat). ATP merupakan senyawa berenergi tinggi dan jika ADP, maka akan melepaskan energi langsung untuk proses-proses pertumbuhan dan metabolisme (Bettleheim, et al., 2004 cit. Kanetro, 2009).

Protein benih padi merupakan salah satu cadangan makanan, sehingga akan dimobilisasi selama berlangsungnya perkecambahan. Mobilisasi protein pada benih yang berkecambah berkaitan dengan peningkatan aktivitas enzim-enzim protease yang mendegradasi  protein (Bewley dan Black, 1983).

Enzim protease diklasifikasikan menjadi enzim endopeptidase dan eksopeptidase yang terdiri atas aminopeptidase dan karboksipeptodase. Degradasi protein yang dikatalisasi oleh enzim eksopeptidase menghasilkan asam amino bebas, sedangkan endopeptidase menghasilkan rantai peptide yang lebih pendek, kemudian peptide ini didegradasi lebih lanjut oleh peptide hidrolase menjadi asam amino bebas (Bewley dan Black, 1983).

Pengamatan BM protein selama perkecambahan menunjukkan protein cadangan makanan benih dengan BM besar akan didegradasi selama perkecambahan sehingga terbentuk polipeptida dengan BM yang lebih kecil dan peptide sederhana/small peptides (Kanetro, 2009)).

Asam amino merupakan sumber karbon yang bisa dikatabolisasi untuk pembentukan energi molekul dua jalur. Jalur pertama adalah jalur pembentukan piruvat sebelum memasuki siklus TCA, dan jalur kedua tanpa pembentukan piruvat atau langsung memasuki siklus TCA sesudah memasuki deaminasi (Murray et al., 2000). Conn dan Stumph (1976) menjelaskan bahwa katabolisme asam amino sebagai sumber karbon akan menghasilkan produk akhir asam piruvat, asetil ko-A, asetoasetil ko-A dan senyawa intermediate dalam siklus TCA sesudah melalui penghilangan gugus amino/deaminasi, seperti terlihat pada Tabel 5.

Paustin (2000 cit., Kanetro, 2009) juga menjelaskan bahwa pemanfaatan asam amino sebagai sumber energi awal diawali dengan degradasi protein oleh enzim ekstraseluler yaitu protease menghasilkan peptide dan asam amino, sebelum ditansport ke dalam sel. Asam-asam amino tersebut selanjutnya dapat dikatabolisasi malalui berbagai jalur reaksi yang tergantung dari macam asam amino  sehingga menghasilkan produk akhir yang bias masuk ke dalam jalur siklus TCA menghasilkan energi, seperti terlihat pada Gambar 16. Sebelum masuk ke dalam jalur siklus TCA, asam amino melalui beberapa tahap reaksi khususnya untuk menghilangkan gugus amino, seperti dicontohkan pada Gambar 17. yang menunjukkan katabolisme pro dan arg menjadi α-ketoglutarat.

Tabel 5.  Pengelompokan asam amino berdasarkan prosuk akhir  yang diperoleh dari katabolisme berbagai asam amino untuk pembentukan energi  (Conn dan Stumphf, 1976)

 

Kelompok	Produk akhir katabolisme asam amino
	Asam Piruvat	Asetil-KoA	Aseto-Asetil-KoA	α- Keto-glutarat	Suksinil-koA	Asam Fumarat	Asam Oksalo asetat
Macam asam amino yang dikatabolisasi	Ala	Leu	Phe	Glu	Met	Phe	Asp
	Gly	Trp	Tyr	Pro	Val	Thyr
	Thr		Lys	His	Ile
	Ser		Leu	Arg
	Cys		Trp