Fisiologi virus

Bab 1

Pendahuluan

A.  Latar belakang

Fisiologi penyakit virus tumbuhan membahas mengenai mekanisme timbulnya penyakit, dampak infeksi virus pada pertumbuhan tanaman inang , dan pengaruh lingkungan terhadap timbulnya penyakit.

Virus adalah parasit berukuran mikroskopik yang menginfeksi sel organisme biologis. Virus hanya dapat bereproduksi di dalam material hidup dengan menginvasi dan memanfaatkan sel makhluk hidup karena virus tidak memiliki perlengkapan selular untuk bereproduksi sendiri. Dalam sel inang, virus merupakan parasit obligat dan di luar inangnya menjadi tak berdaya. Biasanya virus mengandung sejumlah kecil asam nukleat yang diselubungi semacam bahan pelindung yang terdiri atas protein, lipid, glikoprotein, atau kombinasi ketiganya. Genom virus menyandi baik protein yang digunakan untuk memuat bahan genetik maupun protein yang dibutuhkan dalam daur hidupnya.

B.       Rumusan masalah

1.      Bagaimana  fisiologi virus pada tumbuhan?

2.      Apa yang dimaksud dengan fotosintesis tanaman?

3.      Bagaimana melihat perpindahan virus dari situs infeksi dengan perpindahan jarak jauh dan jarak dekat ?

C.     Tujuan

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan memahami (1) pengaruh infeksi virus terhadap sintesis makromolekul dan fotosintesis tanaman inang; (2) fisiologi timbulnya penyakit virus dan (3) perpindahan virus dari situs infeksi ke bagian lain dari tanaman.

BAB II

                                           PEMBAHASAN

A.    Fisiologi Penyakit Virus Tumbuhan

Fisiologi penyakit virus tumbuhan membahas mengenai mekanisme timbulnya penyakit, dampak infeksi virus pada pertumbuhan tanaman inang , dan pengaruh lingkungan terhadap timbulnya penyakit. Bab ini terdiri atas tiga sub pokok bahasan, yaitu (1) pengaruh infeksi virus terhadap tanaman inang; (2) fisiologi pengimbasan penyakit virus, dan (3) perpindahan virus dalam tanaman inang.

1.      Pengaruh Infeksi Virus terhadap Tanaman Inang

Pengaruh infksi virus terhadap sintesis makromolekul diamati pada penurunan sintesis asam nukleat, protein, dan karbohidrat. Sementara itu, infeksi virus terhadap fotosintesis tanaman inang diamati pada pengaruh infeksi virus terhadap berkurangnya laju fotosintesis tanaman inang.

a.       Asam Nukleat

Asam Nukleat terdiri atas dua jenis molekul, yaitu DNA dan RNA. DNA terdapat dalam inti sel, mitokondria, serta kloroplas dan berfungsi sebagai penyusun gen yang menyandikan protein. Sementara, RNA terdiri atas tiga jenis, yaitu mRNA (duta RNA), tRNA (transfer RNA), dan rRNA (RNA ribosom). RNA disintesis dalam inti sel, mitokondria, dan kloroplas, yang selanjutnya digunakan dalam sintesis protein.

Konsentrasi RNA ribosom (rRNA) pada tanaman terinfeksi virus beragam, tergantung pada virus dan strain virus, tanaman inang, dan lama tanaman mengalami infeksi virus. Hasil pengamatan pada tanaman tembakau menunjukkan bahwa infeksi TMV akan menurunkan sintesis rRNA pada kloroplas, tetapi tidak mempengaruhi sintesis rRNA pada inti. Pengaruh infeksi TMV tehadap sintesis rRNA dipengaruhi oleh umur daun. Infeksi pada daun muda akan menghambat sintesis rRNA, sedangkan pada daun yang sudah tumbuh sempurna, infeksi TMV tidak menghambat sintesis rRNA, tetapi menghambat penumpukan rRNA kloroplas.

Sintesis DNA dalam inti sel  tidak dipengaruhi oleh ada atau tidaknya infeksi virus, tetapi sintesis DNA dalam mitokondria dan kloroplas dipengaruhi oleh infeksi virus. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sintesis DNA dalam kloroplas akan menurun pada tanaman terinfeksi sejalan dengan berkurangnya pembentukan kloroplas.

b.      Protein

Menkanisme sel tanaman menyintesis protein irus telah dijelaskan dalam bab terdahulu. Pemakaian komponen metabolit tanaman  untuk sintesis protein virus, seperti enzimm, asam amino, dan ribosom, mengakibatkan tanaman mengalami kahat mmetabolit yang secara langsung akan menurunkan sintesis protein tanaman.

Infeksi virus juga menurunkan kandungan protein tanaman yang dapat diamati pada analisis kandungan nitrogen, poliribosom, dan pemfraksian protein, sebagai berikut

1)      Kandungan Nitrogen

Kandungan nitrogen pada tanaman tembakau yang terinfeksi TMV memperlihatkan bahwa 30% protein dalam tanaman terinfeksi berada dalam bentuk protein virus. Kandungan nitrogen itu meningkat mencapai 60% pada tanaman yang diberi pupuk fosfat tetapi kahat nitrogen (Matthews, 1992)

2)         Poliribosom

 Poliribosom adalah ribosom yang tidak terikat pada retikulum endoplasma. Dalam sintesis protein, poliribosom lebih berperan dalam sintesis virus dari pada sintesis protein tanaman. Hasil penelitian Randles dan Coleman (1972), menunjukkan bahwa kandungan poliribosom tanaman akan menurun saat aktivitas sintesis virus yang tinggi, yang biasanya terjadi sbelum gejala penyakit timbul.

3)      Pemfraksian Protein

Analisis ultrasentrifus telah digunakan untuk melihat pengaruh infeksi virus terhadap protein pada daun tanaman. Dua fraksi protein pada daun yang dianalisis, yaitu fraksi I adalah enzim ribulosa 1-5-bisfosfat karboksilase dan fraksi II adalah protein yang terlarut dalam daun. Pada tanaman kubis (Chines cobbage) yang terinfeksi TYMV (trnip yellow mosaic virus), protein fraksi II menurun 25% dibanding tanaman yang tidak terinfeksi virus dan tidak terdapat penurunan protein fraksinasi protein I.

 Tanaman terinfeksi mengandung senyawa nitrogen lebih rendah daripada dalam tanaman sehat. Hal itu kemungkinan disebabkan karena nitrogen lebih banyak digunakan untuk membentuk virus. Total nitrogen yang digunakan untuk membentuk virion meliputi 33% - 65% dari total nitrogen dalam tanaman. Sebalinya, apabila tanaman dipupuk dengan pupuk nitrogrn yang tinggi, maka total nitrogen dalam tanaman sakit menjadi lebih tinggi daripada yang terdapat dalam tanaman sehat, terutama setelah fase sintesis virus selesai.

Dampak infeksi virus pada senyawa yang mengandung nitrogen, seperti pada zat pengatur tumbuh dan senyawa fenol sering dianggap.

c.       Karbohidrat

        Infeksi virus akan memengaruhi fiksasi CO₂ (fotosintesis) dan laju penumpukan karbohidrat. Tanaman kentang yang terinfeksi PLRV (potato leaf roll virus) akan mengalami penumpukan karbohidrat pada daun 2-3 kali bila dibandingkan dengan tanaman normal, tetapi mengalami penurunan penumpukan karbohidrat dalam umbi.  Walaupun nekrosis dalam jaringan pembuluh ayak sebagai salah satu penyebabnya, tetapi penumpukan karbohidrat itu sudah dimulai terjadi saat pembuluh ayak belum mengalami nekrosis. Perubahan permeabilitas selaput sel dan aktifitas enzim akibat infeksi virus memyebabkan terjadinya hambatan pemindahan fotosintat dari daun ke bagian tanaman yang lain.

B.     Fotosintesis Tanaman

1)      Fotosintesis Tanaman Sehat

        Reaksi yang berlangsung selama fotosintesis dapat di kelompokkan menjadi dua yaitu, reaksi pemindahan elekton atau reaksi terang dan reaksi fiksasi karbon atau reaksi gelap.

        Pada reaksi pemindahan elekton atau reaksi terang, energi dari sinar matahari akan ditangkap oleh klorofil. Energi akan memompa proton melintasi selaput tilakoid dan menghasilkan proton berenergi dan menghasilkan ATP dalam stroma. Pada waktu yang sama, reaksi pemindahan elektron menghasilkan elektron berenergi tinggi yang dapat mengubah NADPH⁺  menjadi NADPH. Pada proses itu, molekul air (H₂O) dioksidasi sebagai donor elektron untuk NADPH dan melepaskan molekul O_2.

        Pada reaksi fiksasi karbon atau reaksi gelap, ATP dan NADPH yang di hasilkan pada reaksi terang digunakan sebagai energi untuk mengubah CO₂ menjadi karbohidrat. Reaksi ini dimulai dalam stroma kloroplas dan diteruskan dalam sitoplasma yang menghasilkan sukrosa dalam daun tanaman. Sukrosa dalam daun dipindah ke bagian lain tanaman dan digunakan sebagai bahan dalam pembentukan molekul organik dan energi bagi pertumbuhan tanaman.

2)      Fotosintesis Tanaman Sakit

Penurunan fotosintesis pada tanaman terinfeksi virus yang menunjukkan gejala mosaik atau menguning (yellowing) merupakan akibat dari penurunannya efisiensi kloroplas. Pada daun yang terinfeksi virus akan terjadi perubahan bentuk, ukuran, dan penggumpalan kloroplas, serta penumpukan pati. Infeksi virus mengakibatkan terjadinya penurunan proses biokimia kloroplas, serta penurunan pigmen fotosintesis lainnya, seperti karoten dan xantafil. Infeksi virus juga akan menurunkan kandungan klorofil total daun.

Selama replika virus, CO₂  yang pada fotosintesis tanaman normal seharusnya menjadi karbohidrat, pada tanaman terinfeksi virus cendrung mengarah menjadi asam organik, seperti asam amino. Infeksi virus juga menyebabkan jumlah dan aktifitas ribulose-1, 5-bisfosfat karboksilase nurun. Infeksi virus akan menurunkan laju  fiksasi CO₂ mencapai 50%.

2.    Pengimbasan Penyakit Virus Tumbuhan

     Virus tumbuhan tidak dapat melakukan penetrasi langsung untuk memulai infeksi sel tanaman inang tanpa adanya bantuan yang mampu mengantarkan virus masuk ke dalam sitoplasma sel tumbuhan. Berbeda dengan bakteri patogen tumbuhan yang dapat memperbanyak diridalam ruang intersel, Virus harus berada dalam sel agar dapat melakukan replikasi. Oleh sebab itu, untuk menginfeksi tanaman inang, virus harus di bantu oleh vektor (serangga,tungau,nematoda,atau jamur) atau melalui luka yang terjadi secara mekanis.

a)    Mekanisme virus menimbulkan penyakit

Replika virus melibatkan  organisasi sel dan metabolit inang untuk memperbanyak virus dalam sel inang. Dari pemahaman replikasi virus, dapat diketahui bagaimana virus dapat mengimbas penyakit pada tanaman inang melalui proses molekul dan biokimia. Tiga cara virus dapat mengimbas penyakit pada tanaman inang, yaitu penggunaan hasil metabolisme tanaman untuk sintesis virus, penumpukan virion atau bagian dari virus dan dari polipeptida tak terstrukurkhas yang di sandikan oleh gen virus.

Gejala penyakit pada tanaman inang dapat diimbasi akibat penggunaan hasil metabolisme atau nutrisi tanaman untuk sintesis virus, sehingga tumbuhan akan mengalami kahat metabolit, seperti asam amino, energi (ATP), nekleotida, dan enzim. Gejala penyakit pada tanaman inang juga dapat terjadi akibat penumpukan virion atau begian dari virus, seperti subunit protein selubung, genom virus, dan komponen lain virus yang menimbulkan reaksi patologis pada tanaman inang. Gejala penyakit pada tanaman inang dapat terjadi akibat dampak dari polipeptida nonstruktur khas yang di sandikan oleh gen virus.

b)   Dampak Infeksi Virus pada Pertumbuhan Tanaman

Infeksi virus umum akan mengurangi pertumbuhan vegetatif dan generatif tanaman inang. Banyak penelitian membuktikan bahwa infeksi virus menurunkan pertumbuhan tanaman, menurunkan hasil dan komponen hasil dan komponen hasil tanaman, Beberapa mekanisme virus menyebabkan berkurangnya pertumbuhan tanaman yang di tunjukkan oleh gejala terantut (stunting). Tiga mekanisme fidiologi yang dapat menimbulkan penghambat pertumbuhan tanaman, yaitu perubahan aktivitas hormon pertumbuhan tanaman, berkurangnya hasil fotosintesis yang dapat di manfaatkan tanaman, dan berkurangnya kemampuan tanaman dalam pengambilan nutrisi.

c)    Faktor yang Mempengaruhi Penyakit Virus

Timbulnya penyakit virus dipengaruhi faktor tanaman inang, virus, dan lingkungan. Penyakit virus terjadi apabila strain virus yang menyerang bersifat virulen, tanaman yang di serang rantan, dan kondisi lingkungan saat itu mendukung perkembangan penyakit.

1)      Faktor Tanaman Inang

Faktor tanaman inang yang mempengaruhi infeksi dan penyakit virus adalah umur dan genotipe tanaman. Pada infeksi sistemik, Umur tanaman memengaruhi penyebaran virus dalam tanaman inang. Makin tua tanaman saat terinfeksi terus, makin terbatas penyebaran virus dalam tanaman. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tanaman tomat yang sudah tua, bila diinokulasi dengan TMV pada daun yang masih muda, TMV hanya akan  tersebar pada daun bagian atas tanaman, sedangkan daun yang lebih tua pada bagian bawah tidak mengalami infeksi. Pengamatan lain dilakukan pada tanaman kentang yang dinokulasi dengan PVY (potato virus Y) inokulasi PVY pada tanaman yang berumur 8 minggu mengakibatkan 100% umbi yang terbentuk mengandung virus. Namun apabila inokulasi dilakukan pada umur 13 minggu, hanya 25% umbi yang mengandung virus.

Genotipe tanaman memengaruhi reaksi tanaman terhadap virus. Sifat tahan tanaman terhadap virus dikendalikan oleh gen tanaman. Sebagai contoh, ketahanan tanaman tembakau dikendalikan oleh gen dominan NN. Tanaman tembakau (Nicotiana tabaccum varietas Xanthi) yang mempunyai genotipe NN dan Nn memberikan reaksi tahan terhadap TMV. Sebaliknya, tanaman dengan genotipe nn memberikan reaksi rentan terhadap infeksi TMV. Reaksi tanaman inang terhadap infeksi virus dapat dibagi menjadi empat, sebagai berikut.

·         Tahan, apabilla tanaman hanya mengalami sedikit infeksi atau infeksi yang terbatas

·         Hipersensitif, apabila tanaman menunjukkan gejala bercak lokal nekrosis pada situs infeksi dan virus tidak tersebar kebagian lain dari tanaman

·         Toleran, apabila virus menginfeksi tanaman dan terebar ke bagian lain tanaman seperti halnya pada tanaman yang rentan tetapi hasil tanaman itu tidak mengalami penurunan yang signifikan.

·         Rentan, apabila tanaman menunjukkan gejala yang parah dan diikuti dengan penurunan hasil yang tinggi.

2)      Faktor Lingkungan

Kondisi lingkungan tempat tanaman tumbuh memengaruhi infeksi virus. Kondisi lingkungan sebelum inokulasi, saat inokulasi dan pasca inokulasi virus akan memengaruhi kerentanan tanaman terhadap virus. Tanaman yang tahan pada kondisi tertentu dapat menjadi rentan pada kondisi yang lain. Apabila infeksi virus sudah terjadi, kondisi lingkungan akan mempengaruhi tinggi atau rendahnya konsentrasi virus serta perkembangan gejala menjadi berat atau tak bergejala (infeksi laten). Pada tanaman dalam rumah kaca, beberapa kondisi lingkungan yang menyebabkan tanaman rentan terhadap infeksi virus adalah ketersidiaan hara dan air yang tidak menghambat pertumbuhan tanaman, sinar matahari yang sedang sampai rendah, suhu yang berkisar 18⁰  C-30⁰ C dan inokulasi yang dilakukan pada sore hari.

3)   Daur Infeksi Virus Tumbuhan

Virus masuk kedalam sitoplasma melalui bantuan vektor atau pelukaan secara mekanis. Setelah berada dalam sitoplasma sel inang, virus melepaskan genom virus (asam nukleat DNA atau RNA) dari virion (uncoating). Selanjutnya, asam nukleat virus bergabung dengan perangkap metabolisme inang untuk translasi protein virus. Ekspresi gen virus di perlukan  untuk replikasi genom virus dan patogenesis virus. Replikasi genom virus dan patogenesis virus . Replikasi genom virus di tunjukkan untuk sintesis virus baru (DNA atau RNA). Penyusunan virion baru melalui pembungkusan genom virus oleh subunit protein membentuk kapsit virus. Setelah terbentuk virus baru, terjadi perpindahan virus ke sel sekitarnya melalui plasmodesmata. Selain itu, perpindahan jarak jauh terjadi melalui sistem pemnbuluh tanaman inang.

3.      Perpindahan Virus dalam Tanaman Inang

Perpindahan virus dalam infeksi sistemik tanaman inang dibedakan menjadi dua, yaitu perpindahan jarak dekat dan jauh. Perpindahan jarak dekat merupakan perpindahan antar-sel yang berdekatan yang terjadi melalui plasmodesmata. Perpindahan jarak jauh merupakan perpindahan dari satu organ tanaman ke organ yang lain melaui sistem pembuluh

Kecepatan perpindahan virus dari sel berbeda tergantung dari jenis dan umur sel tumbuhan. Kecepatan perpindahan virus lebih lebih tinggi jika virus melalui sel yang panjang dan muda di bandingkan melalui sel yang bulat dan tua. Virus juga perpindah lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi, karena sel parenkim daun, virus bergerak sepanjamg 1 mm per hari atau dapat melaui 8-10 sel.

a.       Perpindahan Jarak Jauh

Virus berpindahan ke luar dari daun yang diinokulas ke bagian lain tnaman melalui sistem pembuluh. Infeksi yang demikian dikenal dengainfeksi sistemik. Beberapa jenis virus berpindah dalam bentuk virion dari satu bagian tanaman ke bagian lain, seperti red clover mosaic virus (RCNMV). Namun, tomato bushy stunt virus (TBSV) berpindah jara jauh dalam bentuk asam nukleat.

Berpindahan virus terjadi melalui sistem pembuluh tanaman dan umumnya terjadi melalui pembuluh ayak. Melalui pembuluh ayak, virus dapat berpindah 15 cm dalam 6 menit pertama, sebaiknya, kebanyakan virus memerlukan 2-5 hari atau lebih untuk berpindah ke luar dari daun yang diinokulasi. Setelah masuk dalam pembuluh ayak, virus bergerak cepat menuju tempat yang sedang tumbuh (meristem pucuk) atau bagian lain yang mengunakan banyak zat makanan, seperti dan rimpang, sebagai contoh, virus kentang (potato virus Y/PVY) dinokulasi pada daun bawah tanaman kentang muda, virus akan bergerak cepat bagian atas. Namun , jika tanaman yang diinokulasi telah membentuk umbi, virus tidak bergerak ke atas selama leih dri 30 hari, kemudian virus tersebut akan bergerak ke bawah menuju umbi. Hal ini menunjukan bahwa di alam pembuluk ayak, virus pada umunya bergerak searah dengan hasil fotointesis dalam pembuluh ayak. Sebaiknya, terdapat bukti bahwa virus bergerak melalui batang san akar berawnan dengan arah penggakutan makanan. Kebanyakan virus berpinda dari satu rgan ke organ tanaman yang lain melalui pembuluh ayak, tetapi khusus virus yang di tularkan oleh kumbang dapat berpindah melalui pembluh tpis. beberapa virus, seperti ADV (alfalfa dwarf virus ) diketahui dengan pasti menyebar dalam pembuluh tapis dan terbatas dalam pembuluh ini saja , virus lain, SBMV (southern bean mosaic virus), juga bergerak melalui pembuluh tapis walaupun tidak terbatas dalam pembuluh tapis saja, karena dapat bergerak dalam parenkim dan untuk jarak jauh melalui pembuluh ayak.

Virus yang melalui pembuluh ayak dan tapis belem diketahui dengan pasti apakah selalu dalam bentuk asam nukleat atau virion, tetapi kebanyakan berupa virion. Timbulnya gejala bercak lokal telah dianggap sebagai petunjuk bahwa ada pembatasan virion dalam daerahnekrotis. Pada infeksi sistemik, beberapa virus yang dipindahkan melalui pembuluh ayak dan tapis agaknya terbatas pada jaringan ini saja pada beberapa sel parenkim yang berdekatan. Sifat ini terdapat pada kebanyakan penyakit tipe kuning (potato yellow dwarf) dan dua virus yang terbatas melalui pembuluh tapis yaitu yang menyebabkan alfalfa dwarf dan penyakit phony peach. virus yang menyebabkan penyakit tipe mosaik tidak terbatas pada jaringan tertentu, walaupun mungkin ada perbedaan pola dari lokalisasi. Dalam tia sel tanaman yang terinfeksi virus mosaik, diperkiakan mengandung antara 100 ribu sampai 10 juta virion. Penyebaran yang sistematik terdapat di semua sel tumbuhan yang hidup.

b.      Perpindahan Jarak Dekat

Perpindahan jarak dekat atau pendek adalah perpindahan virus dari sel ke sel yang terdekat. Perpindahan virus dari satu sel ke sel yang berdekatan terjdi melalui plasmodesmata. Semula, muncul anggapan bahwa pepindahan virus dari sel ke sel terjadi melalui difusi yang pasif ,tetapi pada saatini banyak daa pelitian menuukan bawa perpindahan virus dari sel ke sel terjad melalui proses aktif dibantu oleh protein yang disandikan oleh gen virus. Protein virus yang berperan dalam perpindahan virus dikenal sebagai protein pergerakan (movement protein). Selain itu, beberapa faktoryang berasal dari tanaman inang yang juga berperan dalam perpindahan virussapai saat ini belum teridentifikasi.

Ada dua mekanisme perpindahan virus tumbuhan dari sel ke sel dan salah satu mekanisme perpindahan tersebut ditunjukan oleh TMV. Protein TMV yang terjadi perantara perpindahan membetuk komplek dengan nukleoprotein untuk melewati plasmodesmata. Mekanisme lain ditemukan pada CPMV (cowpea mosaic virus) yang berpindah melaluiprotein yang mebentuk struktur tabung dan bersama virion berpindah dari sel ke sel. Walaupun kedua protein tersebut disebut protein pergerakan tetapi secara biokimia fungsinya berbeda.

Protein yang berperan dalam perpindahan virus dari sel ke sel ditemukan secara tidak sengaja dengan mengamati mutan TMV yang pea terhadap suhu. Mutan tersebut akan menyebar melalui perpindahan dar sel ke sel dalam tanaman inang pada suhu rendah (25^oC)  tetapi tidak pada suhu tinggi (32^oC). Mutan tersebut dapat berepikasi pada suhu 32^oC di dalam protoplasma, yang menunjukan bahwa suhu tida meghamat replikasi virus. Pemetaan polipetida dalam siptoplasma menunjukkan bahwa tedapat perbedaan protein yang disandikan TMV pada kedua suhu, yaitu pada suhu 25^oC ditemukan protein 30 Kd (p30) yang berfugsi sebagai movement protein.