Bagaimanakah Bintil Akar Kekacang Membantu Tumbuhan Mendapatkan Nitrogen?

Jika akar pokok kacang tanah atau kacang soya diperhatikan dengan teliti, kadangkala terdapat bintil-bintil kecil yang melekat padanya. Bintil ini bukan buah yang tumbuh di bawah tanah, tetapi struktur khas yang terbentuk melalui hubungan antara tumbuhan dengan bakteria tertentu.

Hubungan tersebut membolehkan sesetengah tumbuhan kekacang mendapatkan sebahagian atau sebahagian besar keperluan nitrogennya daripada atmosfera, walaupun tumbuhan tidak dapat menggunakan gas nitrogen secara langsung. Proses menukarkan nitrogen atmosfera kepada sebatian yang boleh digunakan itu dikenali sebagai pengikatan nitrogen.

Mengapakah tumbuhan memerlukan nitrogen?

Nitrogen ialah unsur penting untuk pertumbuhan semua tumbuhan. Unsur ini diperlukan untuk menghasilkan asid amino yang membentuk protein, asid nukleik seperti DNA dan RNA, serta pelbagai molekul penting yang terlibat dalam fungsi sel.

Walaupun kira-kira 78% isi padu udara kering terdiri daripada gas nitrogen, kebanyakan tumbuhan tidak dapat menggunakan gas tersebut secara langsung. Molekul nitrogen, N₂, mempunyai ikatan yang sangat kuat antara dua atom nitrogennya, sehingga gas ini agak sukar bertindak balas dalam keadaan biasa. Kebanyakan tumbuhan mendapatkan nitrogen melalui akar, terutamanya dalam bentuk ion nitrat atau ammonium yang terdapat dalam tanah. Namun, sesetengah tumbuhan kekacang mempunyai kelebihan tambahan kerana dapat menjalinkan hubungan dengan bakteria yang mampu mengikat nitrogen atmosfera.

Apakah yang terdapat dalam bintil akar?

Bintil akar ialah struktur khusus yang terbentuk pada akar tumbuhan tertentu apabila bakteria yang serasi berjaya menjalinkan hubungan simbiosis dengannya. Bakteria yang terlibat dikenali secara kolektif sebagai rhizobia. Kumpulan ini merangkumi beberapa genus bakteria, termasuk Rhizobium dan Bradyrhizobium.

Hubungan tersebut biasanya bermula apabila akar tumbuhan mengeluarkan bahan kimia yang dapat dikesan oleh bakteria yang sesuai. Bakteria kemudian menghasilkan molekul isyarat yang dikenali sebagai faktor Nod. Molekul ini boleh mencetuskan perubahan pada sel akar, termasuk pembentukan benang jangkitan yang membolehkan bakteria memasuki tisu akar, lazimnya selepas rambut akar melengkung. Faktor Nod bukan satu-satunya unsur yang menentukan kejayaan pembentukan bintil, dan terdapat juga laluan jangkitan lain pada spesies tertentu. Pada masa yang sama, sel tumbuhan membahagi dan berkembang sehingga terbentuk bintil akar.

Di dalam bintil yang berfungsi, bakteria mengalami perubahan fisiologi yang membolehkannya menjalankan pengikatan nitrogen dengan berkesan. Bintil akar bukan sekadar tempat bakteria berkumpul. Struktur ini menyediakan persekitaran khusus untuk pertukaran nutrien antara tumbuhan dengan bakteria.

Bagaimanakah nitrogen atmosfera ditukarkan?

Pengikatan nitrogen berlaku melalui tindakan kompleks enzim yang dikenali sebagai nitrogenase. Enzim ini terdapat pada bakteria pengikat nitrogen dan sesetengah mikroorganisma lain, tetapi bukan pada sel tumbuhan kekacang itu sendiri. Nitrogenase membantu memecahkan ikatan dalam molekul nitrogen atmosfera dan menukarkannya kepada ammonia. Proses tersebut memerlukan tenaga yang banyak.

Dalam hubungan simbiosis, tumbuhan membekalkan sebatian karbon yang berasal daripada hasil fotosintesis kepada bakteria. Bakteria menggunakan sebatian ini untuk menghasilkan tenaga yang diperlukan bagi menjalankan pengikatan nitrogen. Ammonia yang terhasil kemudiannya boleh ditukarkan kepada bentuk ammonium dan dimasukkan ke dalam sebatian organik melalui proses asimilasi nitrogen. Dengan cara ini, nitrogen menjadi sebahagian daripada asid amino dan molekul lain yang diperlukan untuk pertumbuhan tumbuhan.

Mengapakah oksigen perlu dikawal dalam bintil akar?

Salah satu cabaran utama pengikatan nitrogen ialah kepekaan nitrogenase terhadap oksigen. Enzim ini boleh kehilangan aktivitinya apabila terdedah kepada kepekatan oksigen yang terlalu tinggi. Namun, bakteria tetap memerlukan oksigen untuk respirasi yang membekalkan tenaga kepada proses pengikatan nitrogen. Bagaimanakah kedua-dua keperluan yang kelihatan bertentangan ini dipenuhi?

Bintil akar mempunyai mekanisme yang membantu mengawal kemasukan dan ketersediaan oksigen. Salah satu komponen pentingnya ialah protein leghemoglobin, yang mengikat oksigen dan membantu mengekalkan kepekatan oksigen bebas yang rendah, sambil membolehkan oksigen dibekalkan untuk respirasi. Leghemoglobin juga menyebabkan bahagian dalam banyak bintil akar yang aktif kelihatan kemerah-merahan atau merah jambu. Warna tersebut boleh menjadi petunjuk bahawa bintil mempunyai leghemoglobin, tetapi warna sahaja tidak membuktikan kadar pengikatan nitrogen.

Kajian eksperimen menunjukkan bahawa apabila penghasilan leghemoglobin tertentu dihalang, kepekatan oksigen bebas dalam bintil meningkat dan aktiviti pengikatan nitrogen boleh terhenti.

Adakah semua tumbuhan kekacang mengikat nitrogen?

Tidak semestinya. Keupayaan pengikatan nitrogen bergantung pada keserasian antara spesies tumbuhan dengan bakteria, keadaan tanah, bekalan nutrien dan faktor persekitaran yang lain. Tidak semua tumbuhan dalam keluarga kekacang membentuk bintil akar yang berfungsi. Walaupun bintil terbentuk, bakteria di dalamnya mungkin tidak mengikat nitrogen dengan berkesan.

Kekurangan nutrien tertentu atau keadaan tanah yang tidak sesuai, misalnya, boleh menjejaskan pembentukan dan fungsi bintil. Bekalan nitrogen mineral yang tinggi dalam tanah juga boleh mengurangkan kebergantungan tumbuhan pada pengikatan nitrogen secara simbiosis. Oleh itu, kehadiran bintil akar tidak semestinya bermaksud tumbuhan memperoleh semua nitrogennya daripada atmosfera. Tumbuhan masih boleh menyerap nitrogen yang tersedia dalam tanah.

Bagaimanakah hubungan ini membantu kedua-dua organisma?

Hubungan antara tumbuhan kekacang dengan bakteria pengikat nitrogen ialah contoh simbiosis yang boleh memberikan manfaat kepada kedua-dua pihak. Tumbuhan memperoleh sumber nitrogen tambahan untuk membina molekul penting dan menyokong pertumbuhan. Bakteria pula mendapat bekalan sebatian karbon, nutrien dan tempat hidup yang sesuai dalam bintil akar.

Namun, hubungan ini juga memerlukan tumbuhan menggunakan sumbernya. Sebahagian hasil fotosintesis perlu disalurkan kepada bakteria untuk menyokong aktiviti pengikatan nitrogen. Oleh itu, manfaat hubungan tersebut bergantung pada keseimbangan antara nitrogen yang diperoleh dengan sumber yang digunakan untuk mengekalkan simbiosis. Keadaan ini menjelaskan mengapa pembentukan dan aktiviti bintil akar dikawal oleh tumbuhan mengikut keperluan nitrogen dan keadaan persekitarannya.