Efek dari Radiasi Pengion atau Ionizing Radiation (IR) pada Tanaman

Radiasi Pengion atau Ionizing Radiation (IR) merupakan radiasi yang berbahaya bagi kehidupan bumi. Namun, meskipun berbahaya IR berperan kompleks dalam pembentukan molekul organic dan berpengaruh terhadap ekosistem. Radiasi ini dapat berfungsi sebagai faktor stres yang mendorong terjadinya evolusi dan diversifikasi spesies, serta menyediakan mekanisme perlindungan bagi tanaman untuk mengatasi kerusakan akibat radiasi. Mekasime perlindungan yang dimaksud yaitu, perbaikan DNA, produksi antioksidan, respon stress, adaptasi genetic dan perubahan metabolisme.

 

Sumber Alami Radiasi Pengion.

Sumber radiasi pengion berasal dari alam yang dihasilkan oleh partikel atau gelombang energi tinggi yang menyebabkan atom dan molekul mengalami ionisasi. Sumber alami IR utama meliputi sinar kosmik dan radionuklida yang terdapat di dalam tanah.

• Sinar kosmik

Sinar kosmik terdiri dari partikel yang terakselerasi, yaitu proton dan partikel lain dari luar angkasa. Sekitar 90% sinar kosmik mencapai bumi berasal dari galaksi dan menghasilkan radioisotope melalui reaksi spallation saat berinteraksi dengan atmosfer. Tingkat radiasi ini signifikan pada ketinggian 6-9 km di atas permukaan laut.

• Radionuklida

Radionuklida terdapat pada kerak bumi. Radionuklida dibagi menjadi dua kategori yaitu primordial dan sekunder. Radionuklida primordian terbentuk sebelum sistem tata surya dan masih ada hingga saat ini karena waktu paruh yang sangat lama. Contohnya yaitu, kalium-40 (K-40). Selanjutnya,  radionuklida sekunder terbentuk dari peluruhan radionuklida primordial.  Contohnya radon yang dapat terakumulasi di dalam bangunan dan berpotensi berbahaya bagi kesehatan manusia.

Dampak IR Antropogenik terhadap Lingkungan dan Biota Tanaman

Dampak radiasi pengion atau ionizing radiation (IR) dapat disebabkan oleh aktivitas manusia terhadap lingkungan dan biota tanaman. Aktivitas penggunaan radiasi dalam kedokteran, pusat listrik tenaga nuklir, dan beberapa penelitian yang meningkatkan tingkat radiasi di beberapa area. Selain itu, radiasi juga dapat disebabkan karena kecelakaan nuklir yang telah menyebabkan kontaminasi lingkungan.

• Penggunaan radiasi dalam industri dan penelitian

Penggunaan radiasi dalam hal ini bertujuan untuk memanfaatkan sifat radiasi mutagenic untuk pemuliaan tanaman, sterilisasi makanan dan pengendalian hama. Namun, limbah radioaktif yang dihasilkan dari proses ini membutuhkan pengelolaah yang harus diperhatikan untuk mencegah terjadinya kontaminasi jangka panjang.

• Dampak radiasi pada tanaman

Dampak radiasi pada tanaman tergantung pada spesies, dosis, dan fase perkembangan. Beberapa tanaman dapat menunjukkan peningkatan sensitivitas terhadap radiasi, yang menyebabkan kerusakan DNA dan kematian sel. Namun, terpapar radiasi dosis rendah dapat menyebabkan respon adaptif yang meningkatkan ketahanan tanaman terhadap stress.

Efek Seluler dari Paparan IR

Paparan dari radiasi pengion atau ionizing radiation (IR) berdampak juga bagi sel kehidupan. Berikut ini merupakan dampak dari radiasi pengion atau ionizing radiation (IR) bagi sel kehidupan.

• Kerusakan DNA

Terpapar radiasi pengion atau ionizing radiation (IR) dapat menyebabkan kerusakan secara langsung dan tidak langsung pada DNA, yang merupakan komponen vital bagi fungsi sel. Kerusakan utama yang terjadi yaitu, patahan untai Tunggal (single-stand break (SBB)), dan patahan untai ganda (double-strand break, (DSB)). Patahan-patahan ini dapat mengganggu proses-proses penting seperti replikasi dan transkrisipi DNA yang akhirnya berpengaruh terhadap fungsi sel secara keseluruhan.

• Pembentuk radikal bebas akibat radiolisis udara.

Paparan radiasi pengion atau ionizing radiation (IR) secara tidak langsung menghasilkan efek pembentukan radikal bebas akibat radiolysis udara. Proses ini menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS), yang dapat menyebabkan stress oksidatif di dalam sel. Stress oksidatif juga berpotensi dalam kerusakan DNA, protein dan lipid. Kerusakan-kerusakan tersebut akhirnya akan berdampak juga pada disfungsi sel dan kematian bila tidak ditangani dengan tepat.

Untuk mengatasi atau melawan kerusakan akibat paparan radiasi pengion atau ionizing radiation (IR), tanaman memiliki mekanisme perlindungan. Hal ini termasuk dalam jalur perbaikan DNA yang terlibat dalam memperbaiki kerusakan yang terjadi. Selain itu, sistem antioksidan juga membantu menetralkan spesies oksigen reaktif (ROS). Namun, apabila kerusakan yang terjadi terlalu parah dan melebihi kapasitas perbaikan sel, hal ini akan berdampak memicu apoptosis, yaitu proses kematian sel terprogram. Selain itu, efek paparan IR juga sangat bergantung pada berbagai faktor yaitu, jenis radiasi, dosis, dan sensitivitas spesies.

Pertahanan IR

Sel memiliki mekanisme dan jalur untuk merespons dan memperbaiki kerusakan yang disebabkan oleh paparan radiasi pengion atau ionizing radiation (IR). Ketika suatu sel terpapar IR, kerusakan DNA dapat terjadi dan kerusakan tersebut dapat diatasi karena sel memiliki sistem perlindungan kompleks. Sistem pertahanan memiliki fungsi penting yaitu, mempertahankan integritas genetic dan fungsi meskipun terpapar radiasi. Kemudian, jika kerusakan terlalu parah, sel mungkin tidak dapat memperbaiki kerusakan, yang dapat menyebabkan kematian sel tau penyakit.

Berikut ini merupakan mekanisme pertahan sel.

1) Jalur Perbaikan DNA

• Base Excision Repair (BER): memperbaiki lesi kecil pada DNA. Contohnya seperti basa yang teroksidasi.
• Nukleotide Excision Repair (NER): menghilangkan kerusakan yang lebih besar dengan memotong segmen DNA yang rusak dan menggantinya.
• Mismatch Repair (MMR): memperbaiki kesalahan yang terjadi selama replikasi DNA.

2) Perbaikan Patahan Untai Ganda (DSB)

• Non-Homologous End Joining (NHEJ): mengunci kembali ujung DNA yang patah tanpa memerlukan urutan homolog, tetapi dapat menghasilkan obat.
• Rekombinasi Homolog (HR): menggunakan urutan homolog sebagai template untuk perbaikan, lebih akurat dibandingkan NHEJ

3) Sistem Antioksidan

Sistem antioksidan berfungsi untuk mengurangi stress oksidatif akibat spesies reaktif oksigen ROS yang dihasilkan oleh IR. Enzim utama dalam sistem ini terdiri dari:

• Superoksida Dismutase (SOD)
• Askorbat Peroksidase (APX)
• Glutation Peroksidase (GPX)

4) Regulasi Respons Kerusakan.

Protein kinase seperti ATM dan ATR mendeteksi kerusakan DNA dan mengaktifkan jalur perbaikan yang sesuai.

Paparan IR Dosis Tinggi Akut hingga Dosis Rendah Kronis: Efek Non-Target pada Tanaman

Paparan radiasi pengion atau ionizing radiation (IR) pada tanaman dalam dosis rendah atau tinggi dapat menyebabkan kerusakan langsung pada DNA, yang berakhir pada kematian sel, mutase dan efek negative fisiologis seperti terhambatnya pertumbuhan dan penurunan hasil panen. Selain itu, paparan IR dalam dosis kronis rendah dapat menghasilkan efek non-target yang lebih kompleks. Meskipun dosis rendah tidak langsung merusak DNA, jangka waktu efek dapat mencakup perubahan metabolism tanaman, stress oksidatid dan modifikasi jalur sinyal seluler. Secara ringkas berikur ini merupakan dampak paparan IR pada tanaman.

• Paparan dosis tinggi: menyebabkan kerusakan langsung pada DNA, menyebabkan kematian sel, mutasi sel dan efek negative pada pertumbuhan serta hasil panen.
• Paparan dosis rendah: menghasilkan efek non-target yang kompleks, termasuk perubahan dalam metabolism, stress oksidatif, dan modifikasi jalur sinyal seluler, meskipun tidak merusak DNA secara langsung.
• Efek non-target: respon sistemik dapat mempengaruhi bagian tanaman yang tidak terpapar secara langsung, seperti pertumbuhan akar dan fotosintesis.
• Adaptasi tumbuhan: tumbuhan bisa beradaptasi terhadap paparan IR melalui mekanisme pertahanan, meskipun kemampuannya bervariasi antar spesies.
• Implikasi pertanian: memahami dampak paparan IR bagi pengelolaan tanaman dan pertanian, terutama di area berisiko radiasi, serta memerlukan penelitian lebih lanjut untuk strategi mitigasi.

Kerusakan DNA terhadap IR Kronis dalam Perspektif Evolusi. 

Tanaman dapat merespon kerusakan DNA akibat paparan radiasi IR secara kronis dari sisi evolusi. Paparan IR pada tanaman memang dapat menyebabkan kerusakan DNA tanaman, namun tanaman mengembangkan berbagai mekanisme respons terhadap kerusakan DNA tersebut sebagai hasil dari tekanan selama evolusi.  Respon yang dihasilkan akibat peristiwa tersebut meliputi jalur perbaikan DNA yang komplesk, yang memungkinkan tanaman untuk mendeteksi dan memperbaiki kerusakan dan mekanisme beradaptasi agar dapat bertahan dalam kondisi yang merugikan. Dari sisi evolusi, kemampuan tanaman dalam merespons dan memperbaiki kerusakan DNA berperan penting untuk kelangsung dan reproduksi tanaman.

Tulisan ini merupakan ringkasan dari artikel:

Duarte, G. T., Volkova, P. Y., Fiengo Perez, F., & Horemans, N. (2023). Chronic Ionizing Radiation of Plants: An Evolutionary Factor from Direct Damage to Non-Target Effects. Plants, 12(5). https://doi.org/10.3390/plants12051178