Fisiologi Tanaman : Definisi, Sejarah, Struktur Tingkat Tumbuhan, & Tingkat Sel

Definisi Fisiologi Tanaman

Fisiologi tanaman merupakan suatu ilmu yang mempelajari terkait fungsi dan proses yang terjadi di tanaman. Fungsi tanaman yang dipelajari pada disiplin ilmu ini terkait dengan proses pertumbuhan, metabolisme, reproduksi, dan sebagainya.

Bukan hanya manusia, tumbuhan pun juga memiliki gaya hidup. Gaya hidup dari tanaman inilah yang dipelajari di dalam fisiologi tanaman. Gaya-gaya hidup tanaman tersebut antara lain seperti metabolisme, hubungan dengan air, nutrisi mineral, perkembangan, pergerakan, kepekaan terhadap lingkungan, berorganisasi, pertumbuhan, dan proses transportasi.

Fisiologi tanaman juga mempelajari terkait bagaimana tanaman menggunakan energi dari matahari untuk mengasimilasi karbon, bagaimana tanaman mengubah karbon menjadi produk, bagaimana tanaman mengambil dan mendistribusikan nutrisi serta air, bagaimana tanaman dapat mengalami stres, bagaimana tanaman dapat bereproduksi, dan sebagainya.

Singkatnya, fisiologi tanaman merupakan ilmu yang mempelajari terkait bagaimana tanaman bekerja.

Sejarah Fisiologi Tanaman

Berikut timeline sejarah dari fisiologi tanaman.

1. Sir Francis Bacon
• Sir Francis Bacon (1561 - 1626), seorang filsuf dari Inggris, mempublikasikan salah satu eksperimen fisiologi tumbuhan pertama pada tahun 1627 dalam buku Sylva Sylvarum. Bacon menanam beberapa tanaman darat (seperti mawar) di dalam air. Ternyata, tanaman darat tersebut tetap dapat tumbuh. Dengan ini, ia menyimpulkan bahwa tanah hanya diperlukan untuk menjaga tanaman tetap tegak saja.
2. Jan van Helmont
• Helmont memulai penelitian tentang proses fisiologi tanaman pada pertengahan tahun 1600-an dengan mengukur massa tanah yang digunakan oleh tanaman dan massa tanaman saat tumbuh secara hati-hati. Setelah memperhatikan bahwa massa tanah berubah sangat sedikit, dia berhipotesis bahwa massa tanaman yang tumbuh pasti berasal dari air, satu-satunya zat yang dia tambahkan ke tanaman pot.
3. John Woodward
• John Woordward (1 Mei 1665 – 25 April 1728) merupakan seorang naturalis, kolektor barang antik, dan ahli geologi dari Inggris, menerbitkan eksperimen pada tahun 1699 tentang pertumbuhan spearmint (Mentha spicata) di berbagai sumber air. Dia menemukan bahwa tanaman tumbuh jauh lebih baik di air tambahan tanah daripada di air suling.
4. Stephen Hales, F.R.S.
• Stephen Hales, F.R.S. (17 September 1677 – 4 Januari 1761) merupakan seorang ahli fisiologi, kimia, dan penemu dari Inggris. Ia dianggap sebagai Bapak Fisiologi Tumbuhan untuk banyak eksperimen pada tahun 1727. Hales mempelajari peran udara dan air dalam pemeliharaan kehidupan tumbuhan dan hewan.
5. Joseph Priestley
• Joseph Priestly, seorang ahli kimia dan pendeta, menemukan bahwa ketika dia mengisolasi sejumlah volume udara di bawah toples terbalik, dan membakar lilin di dalamnya, lilin itu akan terbakar dengan sangat cepat, bahkan lebih cepat daripada kehabisan wax lilinnya. Selanjutnya ia juga menemukan bahwa tikus juga bisa "merusak" udara. Dia kemudian menunjukkan bahwa udara yang telah "rusak" oleh lilin dan tikus dapat dipulihkan oleh tanaman. Hal ini menunjukkan bahwa tanaman dapat menghasilkan oksigen.
6. Jan Ingenhousz
• Jan Ingenhousz, seorang tabib istana kepada Permaisuri Austria, mengulangi eksperimen Priestley pada tahun 1778. Dia menemukan bahwa matahari dan cahaya pada tanaman merupakan salah satu faktor yang dapat menyelamatkan tikus dalam hitungan jam. Hal ini menunjukkan bahwa tanaman dapat menghasilkan oksigen dengan bantuan cahaya matahari.
7. Jean Senebier
• Jean Senebier, seorang pendeta Prancis, pada tahun 1796 lalu menunjukkan bahwa CO₂ merupakan udara "tetap" atau "terluka" dan diambil oleh tanaman dalam fotosintesis. Hal ini menunjukkan bahwa tanaman memerlukan gas karbon dioksida untuk melakukan fotosintesis.
8. Nicolas-Théodore de Saussure
• Setelah penemuan Jean, Nicolas segera melakukan penelitian dan menunjukkan bahwa peningkatan massa tanaman saat tumbuh tidak hanya disebabkan oleh penyerapan CO₂, tetapi juga karena adanya penggabungan air. Hal ini menunjukkan bahwa proses fotosintesis memerlukan karbon dioksida dan air dan menghasilkan makanan (glukosa) dan udara.
9. Cornelius Van Niel
• Cornelius membuat penemuan penting yang menjelaskan proses kimia dari fotosintesis. Dengan mempelajari bakteri belerang ungu dan bakteri hijau, ia adalah ilmuwan pertama yang menunjukkan bahwa fotosintesis adalah reaksi redoks yang bergantung pada cahaya, di mana hidrogen mengurangi karbon dioksida.
10. Robert Hill
• Pada tahun 1937 dan 1939, Hill melakukan percobaan lebih lanjut untuk membuktikan bahwa oksigen yang dikembangkan selama fotosintesis tanaman hijau berasal dari air. Dia menunjukkan bahwa kloroplas yang terisolasi mengeluarkan oksigen dengan adanya zat pereduksi yang tidak alami seperti besi oksalat, ferricyanide, atau benzoquinone setelah terpapar cahaya. Sehingga, ditemukanlah reaksi Hill yang berbentuk seperti ini: "2 H₂O + 2 A + (cahaya, kloroplas) → 2 AH₂ + O₂", dengan A merupakan elektron penerima. Sehingga, adanya cahaya menyebabkan elektron penerima berkurang dan oksigen bertambah.
11. Samuel Ruben dan Martin Camen
• Mereka menggunakan isotop radioaktif untuk menentukan bahwa oksigen yang dibebaskan dalam fotosintesis berasal dari air.
12. Melvin Calvin dan Benson
• Melvin Calvin dan rekannya Benson mampu memecahkan setiap tahap dalam fase fotosintesis gelap atau tidak bergantung pada cahaya, yang dikenal sebagai Siklus Calvin.
13. Rudolph A. Marcus
• Rudolph A. Marcus, seorang ilmuwan pemenang Hadiah Nobel, mampu menemukan fungsi dan pentingnya rantai transportasi elektron.

Struktur Tanaman

Struktur tanaman dapat dibagi menjadi dua tingkatan, yaitu tingkat tumbuhan dan tingkat sel. Berikut penjelasannya.

A. Tingkat Tumbuhan

Pada tingkat tumbuhan, tanaman dibagi menjadi dua sistem, yaitu sistem tunas dan sistem perakaran. Berikut penjelasan terkait kedua sistem tersebut.

1. Sistem Pertunasan

Sistem pertunasan memiliki ciri biasanya terletak di atas permukaan, menegakkan tanaman di atas tanah, berfungsi sebagai proses terjadinya fotosintesis, reproduksi, penyebaran, serta konduksi makanan dan air. Sistem pertunasan terdiri dari tunas apikal, tunas lateral, bunga, daun, jaringan vaskular, jaringan dasar, biji, buah, dan sebagainya.

2. Sistem Perakaran

Sistem perakaran berciri biasanya terletak di bawah tanah, menegakkan tanaman dari bawah, menyerap air dan nutrisi, menyalurkan air dan nutrisi, serta menjadi tempat cadangan makanan. Sistem perakaran terdiri dari akar utama, akar lateral, rambut akar, ujung akar, dan tudung akar.

B. Tingkat Sel

Terdapat 24 bagian pada anatomi tumbuhan tingkat sel, antara lain sebagai berikut.

1. Dinding sel

Dinding sel (cell wall) merupakan membran tebal dan kaku yang mengelilingi sel tanaman. Lapisan serat selulosa ini mengisi hampir keseluruhan struktur sel tanaman. Dinding sel juga berikatan dengan dinding sel lainnya untuk membentuk struktur tanaman.

2. Membran sel

Membran sel (cell membrane) merupakan lapisan protein dan lemak yang tipis dan mengelilingi sel, tetapi letaknya berada di dalam dinding sel. Membran sel ini bersifat semipermeabel, sehingga memungkinkan beberapa zat tertentu untuk masuk ke dalam sel. Karena hanya zat tertentu saja, maka zat-zat lain tidak bisa masuk ke dalam sel.

3. Sitoplasma

Sitoplasma (cytoplasm) merupakan bahan yang berbentuk seperti jeli yang terletak di luar nukleus sel di mana organel berada.

4. Vakuola

Vakuola (vacuole) merupakan material berukuran cukup besar yang terikat membran di dalam sel tanaman yang berisikan cairan. Sebagian besar sel tanaman memiliki satu vakuola yang mengisi sebagian besar ruang di dalam sel. Oleh karena itu, vakuola membuat sel tidak "penyot", alias menjaga bentuk sel.

5. Mitokondria

Mitokondria (mitochondria) merupakan organel yang berbentuk bulat lonjong dengan membran ganda. Membran bagian dalam diubah berkali-kali, sehingga membentuk sebuah rangkaian proyeksi (disebut juga sebagai krista). Mitokondria mengubah energi yang disimpan di dalam glukosa menjadi ATP (adenosin trifosfat) untuk sel.

6. Krista

Seperti penjelasan pada nomor 5, krista (cristae) merupakan membran bagian dalam yang terdapat di mitokondria, dengan bentuk seperti proyeksi jari. ATP dihasilkan di dinding krista.

7. Nukleus

Nukleus (nucleus) berbentuk bulat yang berisi banyak organel, termasuk nukleolus. Nukleus mengontrol banyak fungsi sel (yang mengendalikan sintesis protein) dan mengandung DNA (dalam kromosom). Nukleus dikelilingi oleh membran inti.

8. Membran inti

Membran inti (nuclear membrane) merupakan membran yang mengelilingi nukleus.

9. Nukleolus

Nukleolus (nucleolus) merupakan organel yang terletak di dalam nukleus. Di nukleolus inilah RNA ribosom diproduksi.

10. Sentrosom

Sentrosom (centrosome) terletak di dekat nukleus yang memiliki isi yang padat dan tubulus yang beradiasi. Sentrosom hanya terdapat pada tumbuhan tingkat rendah saja. Mikrotubulus dibentuk di dalam sentrosom. Selama pembelahan sel (mitosis), sentrosom terbagi menjadi dua bagian dan masing-masing dari bagian tersebut bergerak ke sisi yang berlawanan dari sel pemisah. Berbeda dengan sentrosom dalam sel-sel hewan, sentrosom sel tanaman tidak memiliki sentriol. 

11. Ribosom

Ribosom (ribosome) merupakan organel kecil yang terdiri dari butiran-butiran sitoplasma yang kaya akan RNA, sekitar 60% RNA dan 40% protein. Di ribosom inilah tempat terjadinya sintesis protein. Di dalam eukariot, ribosom terdiri dari empat helai RNA. Sedangkan di dalam prokariot, ribosom terdiri dari tiga helai RNA.

12. Kloroplas

Kloroplas (chloroplast) adalah organel yang memanjang seperti cakram yang mengandung klorofil. Proses terjadinya fotosintesis di mana energi dari sinar matahari dikonversi menjadi energi kimia yaitu makanan terjadi di dalam kloroplas.

13. Klorofil

Klorofil (chlorophyll) adalah molekul yang dapat menggunakan energi cahaya dari sinar matahari untuk mengubah air dan gas karbon dioksida menjadi gula dan oksigen (fotosintesis). Klorofil berbasis magnesium dan biasanya berwarna hijau.

14. Stroma

Stroma merupakan bagian dari kloroplas di dalam sel-sel tanaman, terletak di dalam membran dalam kloroplas, aitu terletak di antara grana.

15. Tilakoid

Tilakoid (thylakoid disk) merupakan struktur membran yang berbentuk seperti kepingan pada kloroplas yang mengandung klorofil. Kloroplas terdiri dari tumpukan kepingan tilakoid yang disebut granum. Proses fotosintesis yaitu produksi molekul ATP dari sinar matahari berlangsung di sini.

16. Granum

Granum atau grana merupakan tumpukan kepingan tilakoid yang terletak di dalam kloroplas.

17. Amiloplas

Amiloplas (amyloplast) merupakan organil di beberapa sel tanaman yang menyimpan pati. Amiloplas ditemukan di tanaman bertepung seperti umbi dan buah-buahan.

18. Badan golgi

Badan golgi (golgi body) disebut juga golgi aparatus atau golgi komples. Organel ini berbentuk rata, berlapis-lapis, seperti kantung yang terlihat seperti tumpukan pancake dan terletak di dekat nukleus. Golgi membentuk protein dan karbohidrat menjadi vesikel membran yang terikat untuk diekspor dari sel.

19. Peroksisom

Peroksisom (peroxysome) merupakan mikrobodi yang termasuk kelompok organel yang beragam dan ditemukan dalam sitoplasma. Peroksisom berbentuk agak bulat dan terikat oleh satu membran. Ada beberapa jenis mikrobodi, tetapi peroksisom adalah yang paling umum.

20. Mikrofilamen

Mikrofilamen (microfilament) adalah batang padat yang terbuat dari protein globular yang disebut Actin. Filamen ini memiliki fungsi yang sangat penting dan merupakan komponen penting dari sitoskeleton.

21. Mikrotubulus

Mikrotubulus (microtubule) berbentuk silinder lurus dan berongga yang ditemukan di seluruh sitoplasma untuk semua sel eukariotik. Fungsi dari mikrotubulus cukup banyak, mulai dari transportasi hingga menjaga struktur sel.

22. Plasmodesma

Plasmodesmata (plasmodesmata) adalah tabung kecil yang menghubungkan sel-sel tanaman antara satu dengan yang lain, dengan fungsi untuk menyediakan jembatan hidup di antara sel.

23. Retikulum endoplasma kasar

Retikulum endoplasma kasar atau rough ER (rough endoplasmic reticulum) merupakan sistem yang luas dari tabung interkoneksi, bermembran, dan berbelit-belit yang terletak di sitoplasma sel. Rough ER ditutupi dengan ribosom yang memberikan penampilan kasar. Ia mentransportasikan material melalui sel dan menghasilkan protein di dalam cisternae (yang dikirim ke badan golgi atau dimasukkan ke dalam membran sel).

24. Retikulum endoplasma halus

Retikulum endoplasma halus atau smooth ER (smooth endoplasmic reticulum) merupakan sistem yang luas dari tabung interkoneksi, bemembran, dan berbelit-belit yang terletak di sitoplasma sel. Ruang dalam ER disebut ER lumen. Smooth ER juga mentransportasikan material di dalam sel. Ia berisi enzim dan menghasilkan serta mencerna lipid (lemak) dan protein membran. Smooth ER memindahkan protein dan lipid yang baru dibuat ke membran dan badan golgi.