HST 3 Chemicals in Plants

29 September 2016

Chemicals in Plants
as a secondary plant metabolism

Metabolit tanaman dibagi menjadi 2
1. primary plant metabolit
2. secondary pant metabolit

Yang pertama dipelajari adalah metabolit primer tumbuhan seperti karbohidrat, protein, lemak, glokosa.  Bahkan hingga saat ini metabolit primer masih terus dipelajari seperti klorofil.  Bagaimana proses kerja klorofil?  Bagaimana tingkat efisiensi klorofil? dll.  Unsur yang tersusun dalam metabolit primer adalah C, H, O, N yang juga menyusun unsur yang ada dalam tubuh manusia.  Beberapa mineral diperlukan seperti Na, K tetapi dalam jumlah sangat sedikit.


Metabolit sekunder (MS) lebih belakangan dipelajari.  Tidak hanya tanaman bahkan hewan pun mengeluarkan metabolit sekunder.  MS tiap tanaman bisa berbeda, unik, tidak sama dengan tumbuhan lain.  Tidak semua taksa (famili, genus, spesies) mempunyai senyawa sama.  Bisa jadi senyawa yang terkandung pada satu tanaman sama tetapi konsentrasinya berbeda.  Sehingga tiap spesies tumbuhan mempunyai kasiat berbeda.  Bahkan dalam satu tanaman, konsentrasi senyawa MS bisa sangat berbeda misalnya di biji, kulit batang, daun dll.


Pada awal perkembangannya, MS dianggap 'waste product'.  Senyawa MS ditemukan  bersama dengan metabolit primer tetapi tidak ada hubungannya dengan nutrisi, tidak bisa dimakan, sehingga wajar MS dianggap sebagai produk buangan yang tidak bermanfaat.


Ternyata, senyawa-senyawa MS ada tujuan dan manfaatnya.  Beberapa serangga yang diberi tambahan senyawa MS tertentu mempunyai performa yang lebih baik, lebi banyak makan, lebih fertil dll.


Berikut contoh-contoh metabolit sekunder 
1. Penicilin dihasilkan oleh mikroorganisme--cendawan, dapat dimanfaatkan sebagai obat
2. Morfin dihasilkan oleh tumbuhan, sebagai pain control
3. Ganja dihasilkan oleh tumbuhan
4. Nikotina dihasilkan oleh tumbuhan
5. Pirethrin dihasilkan oleh tumbuhan.  Sintetiknya digunakan sebagai insektisida
6. Daun sirih, ekstraknya dimanfaatkan sebagai shampo, pasta gigi dll
7. Metil 4-Ethil Oktanoat, feromon yang dikeluarkan oleh serangga Oryctes rhinoceros fungsi sebagai feromon untuk berkumpul, sintetiknya dimanfaatkan untuk pengendalian serangga tersebut.

Ternyata manfaat yang dapat diambil dari MS banyak.  MS merupakan alat komunikasi, baik komunikasi antara hewan dengan hewan atau alat komunikasi tumbuha dengan tumbuhan.  Contoh lain MS adalah alelopati.  Alelopati hanya dikeluarkan tumbuhan jika ada tumbuhan lain tumbuh didekatnya.  Ada semacam faktor pendorong, baru suatu senyawa MS diproduksi tanaman.


Swain (1977) berpendapat bahwa metabolit sekunder berkaitan dengan proses evolusi.


Apa peranan metabolit sekunder?
-Pada awal penemuan, MS dianggap sebagai senyawa toksik, yang tidak hanya toksik pada hewan tetapi juga pada tumbuhan yang memproduksinya.  Untuk itu MS ada yang disimpan dalam jaringan tertentu sehingga tidak meracuni sel tumbuhan lain.  MS bisa juga diikat dengan senyawa lain sehingga tidak aktif.  Contoh glukosa silolate merupakan glukosa yang tidak aktif sehingga tanaman tidak perlu menyimpannya dalam jaringan tertentu.  Jika senyawa glukosa aktif diperlukan tinggal dipotong dengan bantuan enzim

-MS ada hubungannya dengan mekanisme pertahanan tanaman agar survive.  Tanaman tidak bisa berlari sehingga mengembangkan cara agar selamat, dengan membuat berbagai senyawa kimia untuk melindungi diri.


6 keuntungan tanaman dari senyawa metabolit sekunder (menurut Harborne)

1. Akumulasi toksin
Toksin disimpan tumbuhan dalam organ vakuola sehingga keberadaanya tidak mengganggu kinerja sel.  Fungsi toksin ini untuk persediaan senjata jika ada serangan herbivora dll.  
Contoh tanaman Cichorium intybus famili Asteraceae
Jika tanaman ini dicicipi terasa pahit.  
Toksin tidak harus mematikan bisa juga hanya untuk menghalau.  Senyawa toksin berguna untuk melindungi tanaman karena rasa sangat pahit umumnya tidak disukai serangga.

Apakah  ada serangga yang dapat hidup pada tanaman yang mempunyai toksin rasa pahit?
Jawabannya ada..

Contoh tanaman mindi digunakan sebagai tanaman insektisida nabati, tetapi ternyata pada wereng-werengan yang hidup di pucuk tanaman mindi ini.

Famili crucifera (kubis-kubisan) mengandung zat penolak serangga.  Tetapi ternyata Crocidolomia binotalis bisa hidup dan bahkan menjadi hama utama. Pada kasus ini serangga bisa beradaptasi sehingga senywa toksin tidak berpengaruh pada dirinya.

Swietenia mahagoni (mahoni) mempunyai senyawa pahit.  Pada percobaan ekstrak mahoni berdasarkan konsentrasi, ternyata Crocidolomia mau makan ektraks mahoni dengan konsentrasi yang diturunkan.  Biji mahoni mempunyai kadar toksin tinggi sehingga tidak ada serangga yang mau makan.  Pada daun, konsentrasi toksin tidak terlalu tinggi sehingga masih ada serangga yang mampu beradaptasi, makan, hidup dan berkembang.

Mengapa konsentrasi MS ada pada biji
1. biji merupakan tempat penyimpanan
2. biji merupakan keturunan tanaman sehingga dilindungi agar dapat tumbuh dengan baik nantinya

Lactuva sativa (selada) famili asteraceae mempunyai zat pahit, tetapi ternyata mempunyai banyak hama.  Ada peran pemulia sehingga zat pahit pada L. sativa ini konsentrasinya menjadi rendah sehingga banyak disukai hama.

Umumnya tanaman budidaya mempunyai hama lebih banyak dibandingkan dengan kerabat liarnya.  Tanaman budidaya sudah dimuliakan sehingga kehilangan rasa pahit.  Sedangkan kerabat liar masih mempunyai senyawa pertahanan kimia tinggi sehingga tidak banyak serangga mampu berkembang biak di sana.

Senyawa kimia MS ini banyak dimanfaatkan dalam bidang farmasi seperti zat anti kanker taksol.  Tetapi paling tidak senyawa toksin yang diproduksi tanaman bermanfaat untuk melindungi diri dari herbivor dll.

#

Contoh kasus.  Kandungan toksin tinggi berada pada batang tanaman.  Dapatkan toksin ini dipanen, diekstrak kemudian digunakan untuk pengendalian hama?

Jawabannya tidak ekonomis.  Batang tanaman yang dikelupas kulitnya, terutama jika bagian kambiumnya terambil dapat mati.  Untuk keperluan penelitian batang dapat diekstrak tetapi tujuan jangka panjang untuk dicari sintetiknya sehingga tidak perlu harus membunuh tanaman.

#

Disamping faktor metabolit sekunder, hal yang membuat tanaman banyak diserang oleh hama adalah morfologi dan ekologi tanaman.  Seperti padi IR 64, mempunyai bentuk fisik anakan banyak, tidak tinggi, berumur pendek, daun tegak, lebih berwarna hijau, kandungan N tinggi dll mempunya faktor morfologi ekologi yang sesuai bagi perkembangan serangga, terutama wereng.


2. Akumulasi toksin terinduksi (intermediate compound)

Toksin tanaman tidak disimpan di jaringan atau pada satu ruangan dalam sel tetapi dalam bentuk intermediate compound.  Ketika ada pemicu seperti serangga menggigit tanaman, dengan bantuan enzimatis, toksin baru akan terbentuk.  Ketika dalam bentuk intermediate, senyawa tidak bersifat toksik.

Senyawa intermediate merupakan cara tumbuhan agar tidak mengeluarkan biaya banyak untuk menyediakan tempat penyimpanan

Contoh Nicotiana sylvestris
Saat ada serangan membentuk senyawa alkaloid dengan konsentrasi 200%.  Saat tidak ada kerusakan konsentrasi alkaloid rendah sekali.

N. sylvestris pasti mempunyai senyawa intermediate sehingga dapat waktu singkat segera mempunyai konsentrasi alkaloid hingga 200%.   Ternyata senyawa intermediate alkaloid tsb diproduksi di akar.


3. Perlindungan secara kimia pada jaringan yang mudah rusak.

Contoh Coffea arabica

Purin alkaloid disimpan dalam daun muda sebasar 4%.  Daun muda umumnya cukup rentan untuk rusak.  Dengan semakin tua daun konsentrasi purin alkaloid semakin berkurang.  Sifat fisik daun tua sudah cukup untuk melindungi diri seperti lebih keras, lebih tebal, bakal gugur sehingga tidak perlu dipersenjatai dengan senyawa kimia.

Demikian juga pada biji kopi muda mengandung purin alkaloid sebesar 2% sedangkan pada biji kopi tua mengandung 0,4% purin alkaloid.

Mekanisme yang dilakukan oleh C. arabica efisien. Ketika daun tua, biji kopi tua, kandungan purin alkaloid dipindahkan ke jaringan muda.  Purin alkaloid tidak perlu disintesis sehingga 'low cost'.  Pemindahan purin alkaloid dari daun tua ke daun muda merupakan salah satu bentuk daur ulang nitrogen.


4. Ontogeni pertumbuhan jaringan tanaman

Contoh Ageratina sp.
Pada daun 1-8 mengandung senyawa chromene tinggi.  Setelah daun tersebut membesar, maka kandungan chromenenya berpindah lagi ke daun baru yang terbentuk dari daun ke-1 hingga ke-8.  Ada pergeseran kimiawi saat tanaman mengalami pertumbuhan. Setelah tanaman menjadi tua, daun keras, batang keras mampu bertahan terhadap gempuran hama tanaman.

Ageratina sp.

Senyawa chromene dapat dimanfaatkan sebagai insektisida nabati.  Walau begitu serangga Peridroma saucia dapat hidup dan beradaptasi pada tanaman tersebut .  Daun-daun tua Ageratina sp. mampu mengkonpensasi kerusakan yang diakibatkan P. saucia tersebut.

Peridroma saucia (Lepidotera) taken from lepiforum.de

5. Perlindungan secara hormonal

Beberapa tanaman mempunyai senyawa mirip hormon serangga, disebut plant analog, yang berfungsi seperti hormon-hormon serangga.  Serangga yang sedang berganti kulit, serangga muda mempunyai kandungan hormon juvenil tinggi.  

Ageratum conyzoides mempunyai senyawa precocene.  Precocene merupakan anti juvenil hormon.  Serangga yang memakan senyawa precosene akan dipaksa cepat tua, karena hormon juvenilnya dirubah tanaman menjadi tidak berfungsi.

taken from slide.share

Contoh lain yang bisa diamati

Tribolium freemari

Larva tidak bisa berubah menjadi pupa jika populasinya tinggi. Setelah dipindahkan satu, satu dalam masing-masing wadah akan segera menjadi pupa.

Pada saat berdesakan hormon juvenil terus ada sehingga serangga tetap dalam fase muda/larva.  Larva yang diberi makan precocene maka akan dipaksa menjadi tua, sehingga segera menjadi pupa.

6.  Perbedaan senyawa metabolit tanaman kaitannya dengan palatibilitas serangga

Daun mempunyai kandungan yang menarik untuk dimakan serangga.  Bagian kelopak hampir tidak ada serangga yang memakannya.  Kelopak tidak diserang karena tidak menarik untuk dimakan.  Strategi ini merupakan cara agar tumbuhan tetap bertahan hidup.  Kelopak akan berubah menjadi buah, lalu biji untuk meneruskan kehidupan tanaman.

-end-

Read More

Hubungan Serangg Tanaman 2

22 September 2016

Materi kuliah ke-2 Hubungan Serangga Tanaman

Bagan yang terjadi pada hubungan serangga dengan tanaman

Faktor yang berperan dalam hubungan serangga dengan tanaman, seperti diilustrasikan pada bagan di atas

1. Secondary metabolite, terbawa udara/angin sehingga dikenali oleh serangga dari lokasi yang jauh dari pertanaman

2. Saat serangga sampai di tanaman akan terhalang oleh morfologi tanaman antara lain: trichome panjang, batang keras, duri panjang dll.

3. Primary metabolite dihasilkan oleh tumbuhan.  Serangga memanfaatkan tumbuhan sesuai dengan kebutuhannya.  Serangga yang memerlukan banyak N biasanya makan dengan menghisap tanaman.  Komponen primer tumbuhan seperti batang yang keras, merupakan adaptasi agar tanaman resisten atau tidak diserang oleh serangga.

Aplikasi biomolekuler yang dapat dimanfaatkan dari pengetahuan senyawa pertahanan tanaman adalah
-mengetahui dimana letak gen pertahanan terhadap serangga
-gen dimasukkan ke tanaman budidaya lain
-sehingga tanaman tersebut menjadi tahan terhadap serangan hama


#

Proses seleksi inang
1. Penemuan habitat
2. Penemuan inang
3. Pengenalan inang
4. Penerimaan inang
.
.
.
.
berhubungan dengan insectt behaviour

5. Kelayakan inang berhubungan dengan insect fisiology

--

1. Penemuan Habitat
Menanam kedelai, lokasinya jah dari pertanaman kedelai lainnya.  Kenapa hama bisa datang? 
Misalnya Riptortus linealis tidak akan datang saat tanaman kedelai masih muda atau fase vegetatif.

Bagaimana serangga datang?
1. dibantu oleh angin
-Jepang tiap tahun menerima kutu-kutuan dari China
-Penerbangan belalang kembara dari Timor Leste ke NTT lebih cepat dengan dibantu angin

2. dibantu oleh cahaya (fototaksis)

3. Geotaksis

4. Suhu

5. Kelembaban

Serangga mau datang ke suatu pertanaman ditentukan oleh
1. faktor habitat: cahaya, suhu, kelembaban sesuai

2. faktor tanaman

Keduanya mempengaruhi proses penemuan inang.  Imago biasanya tidak makan.  Biasanya sumber makanan imago hanya nektar. Tetapi kenapa imago terbang mencari makan?  Untuk apa? Untuk siapa?  Makanan yang dicari tersebut bukan untuk dirinya.  Sumber makanan itu untuk telur yang diletakkan di sana, sehingga setelah menetas pradewasa tercukupi kebutuhannya.

Imago bertanggung jawab terhadap keturunannya.  Tidak mungkin imago Croccidolomia meletakkan telur di pertanaman cabai.

Ada kalanya faktor habitat lebih mempengaruhi.  Jika suhu cocok, kelembaban tinggi, cahaya tepat maka imago datang untuk peneluran walaupun tanaman inang hanya sedikit jumlahnya.

Angin, cahaya adalah komponen abiotik yang membantu serangga mampu datang dari tempat yang sangat jauh.  Seperti contoh hama lamtoro Heteropsulla cubana mengalami ledakan di Indonesia.  Serangga ini berasal dari Amerika Selatan.  Proses kedatangan ke Indonesia tidak langsung.  Pertama serangga sampai di Philipina, menjadi hama di sana.  Beberpa waktu kemudian, hama terbawa ke Indonesia dan juga mengalami outbreak.

Penemuan inang yang dilakukan oleh serangga berfungsi untuk penyebaran.


2.  Penemuan Inang

Proses penemuan inang serangga dibantu oleh
Visual : penglihatan serangga
Olfaktory : sensor bau yang diterima oleh syaraf serangga

Aphid dan kutu-kutuan tertari pada warna kuning dan hijau.  Serangga ini sering dikendalikan dengan menggunakan perangkap warna kuning berperekat (yellow trap).  Jumlah Aphid yang tertangkap dapat pada yellow trap menunjukkan populasi yang ada di lapangan.  Jumlah terperangkap di yellow trap banyak menunjukkan populasi serangga tinggi.

Aphid lebih tertarik pada jaringan warna hijau atau pucuk atau daun muda tanaman.  Jumlah Aphid banyak di daun muda dibandingkan daun tua yang berwarna coklat.

Grasshoper tertarik pada
-odor tanaman ---biotik
-angin              --- abiotik

Ketika sampai di inang
-jika ada senyawa arestan tetap berada pada tanaman
-jika ada senyawa repelen segera pergi

Ketika sampai di pertanaman, sensori serangga berperan
-tarsus
-antena
-hal yang terlihat seperti antena serangga digerak-gerakkan, terbang rendah, jalan berputar-putar di bunga.


3.  Pengenalan Inang (Plant Recognition)
Serangga mulai mencicipi tanaman.

Proses seleksi inang dilakukan oleh imago.  Imago umumnya mempunyai sayap sehingga mampu melakukan penerbangan jauh.  Larva adalah tujuan dilakukannya seleksi inang oleh imago, agar mendapatkan makanan untuk pertumbuhannya.

Pengenalan inang berdasarkan insting, hubungan sensor dengan kimia tanaman. 

Penglihatan serangga kurang kemampuan, tetapi penciuman (organ olfaktory) lebih baik bekerja.  Chemical communication hal utama bagi serangga.

Sedangkan manusia mata lebih baik sehingga kemampuan penciuman berkurang.  Tiap-tiap mahluk mempunyai organ yang fungsinya lebih optimal dibandingkan organ lain.

Contoh lain nyamuk.  Nyamuk sensitif terhadap bau-bauan.  Lampu yang tetap dinyalakan tidak menjadi masalah bagi nyamuk.  Nyamuk datang pada kondisi gelap atau terang karena tertarik oleh bau (odor) manusia. Pengetahuan ini dapat dimanfaatkan dengan membuat repelen odor yang tidak disukai nyamuk agar dia tidak datang. 

Pengetahuan odor ini digunakan untuk menarik serangga hama datang lalu dilakukan pengendalian.  Feromon etil 4-metil octanoat mampu menarik Oryctes rhinoceros untuk datang ke perangkap ember.  Lalat buah juga datang pada perangkap yang digantungkan di pepohonan.

Ketika dilakukan aplikasi insektisida, bau yang dikeluarkan menyebabkan serangga parasitoid tidak mau datang.  Aplikasi kimia insetisida akan mengganggu sensor kimia serangga.

###
Pertanyaan mahasiswa

Apakah serangga melakukan migrasi?  (perpindahan dalam jarak yang jauh seperti lintas benua)

Kupu-kupu monarch pindah dari Kalifornia saat memasuki musim dingin menuju meksiko yang lebih hangat.  Kupu-kupu moarch satu-satunya serangga yang melakukan migrasi untuk menghindari musim dingin

Migrasi yang dilakukan pada serangga lain bersifat pasif, yaitu terbawa oleh angin.  Contoh Heteropsilla cubana terbawa angin dari Filiphina.  Dari Filiphina terbawa angin menuju Indonesia. Dari Indonesia terbawa angin menuju Pasifik/Hawai.

Belalang kembara terbawa angin dari Timor Leste menuju NTT.  Saat melakukan migrasi menemukan lingkungan yang tepat untuk perkembangannya seperti
-tanah retak sehingga belalang mudah meletakkan telur di dalam tanah
-ternyata lapisan tanah di bagian bawah masih basah sehingga telur bisa berkembang secara optimal
-terdapat sumber air cukup
-ketika orang menanam jagung, telur menetas dengan sumber makanan sudah tersedia


Sifat pasif migrasi serangga yang lain adalah terbawa oleh bahan tanaman.


4. Penerimaan Inang (Host Acceptant)


Setelah proses mencicipi makanan, ternyata makanan tersebut tidak memberikan pengaruh buruk pada serangga maka selanjutnya serangga akan melanjutkan proses makan.  Proses ini disebut penerimaan inang atau host acceptant.

Beberapa senyawa kimia tumbuhan, terutama senyawa volatile berperan penting terutama untuk proses makanan serangga ini.


5. Kecocokan Inang (host Suitability)

Nilai nutrisi inang, diharapkan tidak ada senyawa toksik.  Serangga harus betul-betul mengenal inang dan yakin nutrisinya cukup untuk fecundity (kemampuan untuk bertelur) dan longifity (kemampuan untuk bertahan hidup lebih lama).

Percobaan kecocokan inang yang bisa dilakukan:
Serangga Epilachna sparsa dibiakkan pada tomat, pare, takokak, terung.
-Pada tanaman mana yang menghasilkan telur paling banyak?
-Pengukuran lama instar, berat instar, jumlah daun yang dimakan.  Instar dengan siklus singkat, berat badan tinggi dan jumlah yang yang dimakan paling banyak merupkan inang E. sparsa yang paling cocok.

-Pengetahuan ini digunakan untuk pengendalian di lapangan.  Tanaman yang paling disukai E. sparsa sengaja ditanam sebagai tanaman perangkap sehingga tanaman budidaya yang diharapkan berhasil dengan baik.

Nutritional Ecology yakni melihat hubungan antara sumber makanan dengan kebugaran serangga.

Manfaat yang dapat diperoleh dari pengetahuan tanaman yang tidak cocok untuk serangga.  Komponen bahan aktif serangga bisa diekstrak, diambil, dibuat sintesisnya.  Senyawa ini kemudian dipakai untuk pengendalian yang sifatnya tidak mematikan serangga tetapi menurunkan tingkat fecundity, longifity dan mengganggu proses perkembangan stadia serangga.  Contohnya serangga yang makan ekstrak sintesis mampu berganti kulit tetapi sayap tidak utuh, telur  yang dihasilkan lebih sedikit.

Serangga yang dipaksa makan pada tanaman yang tidak disukai, bisa terjadi
-serangga bisa makan asal konsentrasi senyawa kimia berpengaruh buruk pada serangga dari tumbuhan tersebut rendah
-serangga betul-betul tidak mau makan lalu mati


##

Serangga saat memilih inang, bukan hanya memilih tanaman tetapi memilih di bagian mana akan menetap disebut plant recognition

Kepik
-mencari tanaman  yang tepat
-menuju bagian pucuk untuk makan dengan cara menusuk menghisap

Dalam seleksi inang ada 3 hal yang dihadapi serangga

1. Serangga harus mampu mendeteksi adanya inang dari jauh

2. Serangga hinggap di tanaman.  Dia harus mengkonfirmasi apakah itu inang yang tepat?  Apakah nutrisinya bagus ?

3. Faktor fisik dan kimia tanaman menguntungkan untuk pertumbuhan dan perkembangannya keturunannya.


#

Bentuk dan warna daun berpengaruh terhadap pemilihan inang.  Spodoptera litura tidak mau makan di bawang putih tetapi mau berkembang biak di bawang merah.  Daun bawang merah berlubang ditengahnya, serangga akan masuk ke dalam daun lalu dengan aman makan dari dalam.  Daun bawang putih tidak ada lubang ditengahnya, sehingga jika S. litura memaksa makan akan segera diketahui oleh orang, pemangsa dll.

Pengenalan serangga akan tanaman inang berdasarkan senyawa kimia.  Antar famili tanaman mempunyai senyawa yang seragam.  Demikian juga tanaman yang masih satu famili mempunyai gen yang mampir serupa.  Kesamaan ini dikembagkan untuk membuat plant barcode.

Senyawa kimia bisa sampai pada serangga, faktor utama dipengaruhi angin.  Jarak senyawa kimia dari tanaman hingga ke serangga bisa jarak jauh atau dekat.

-end-

Read More

Hubungan Serangga Tumbuhan 1

21 September 2016

Buku pegangan

1. Host Plant Selection by Phytophagous Insects
2. Insect- Plant Biology
3. Insect Chemical Defense
4. Jurnal Chemical Ecology
5. Jurnal Secondary Plant Metabolism

#
Hubungan Serangga Tanaman (HST)

Point bahasan HST

-Hubungan serangga tumbuhan membahas interaksi serangga dengan tumbuhan dalam bingkai buffer lingkungan.

-Bagaimana sifat interaksi serangga dengan tumbuhan? Apakah semua merugikan?  Ternyata tidak.  Interaksi lebah dengan tanaman justru merupakan interaksi saling menguntungkan.  Lebah mendapatkan nektar, sedangkan tumbuhan terbantu untuk penyerbukan. 

Contoh lainnya, tanaman Zodia (Evodia sauveolens) merupakan repellen (penolak) nyamuk.  Daun zodia harus saling bergesek sehingga senyawa aktif keluar untuk menolak nyamuk.  Jika tanaman zodia ditanam dalam pot sendiri di dalam rumah, sifat repellen tidak berfungsi.

-Mengapa terjadi interaksi?
Mengapa wereng coklat hanya menyerang tanaman padi?
Apakah hubungan antara wereng coklat dan tanaman padi bersifat sementara ataukah permanen

• Tumbuhan menghasilkan secondary metabolit, jenisnya banyak bahkan sampai ribuah
• Tumbuhan menghasilkan primary metabolit, misalnya karbohidrat, glukosa, fruktosa dll yang jenisnya tidak banyak
• Hubungan serangga dengan tanaman merupakan hubungan yang terjadi sudah sejak jaman dulu, bahkan dari hasil studi interaksi tersebut bisa disusun teori coevolusi.
• Secondary metabolit awalnya dikira tidak bermanfaat tetapi setelah banyak studi dilakukan ternyata metabolit tersebut berfungsi sebagai chemical defense

-Apakah serangga langsung mau makan tanaman yang ditemuinya?

- Tanaman tidak bisa berlari untuk menghindari musuh.  Oleh karena itu tanaman mengembangkan chemical dan morphological defense.  Contoh dari morphological defense adalah trichom, duri, rambut halus, batang keras dll.  Chemical defense merupakan cara tumbuhan berkomunikasi baik dengan tanaman lain maupun dengan serangga.  Contoh chemical defense adalah alelopati, senyawa volatil metabolit sekunder.  

-Manfaat dari kuliah hubungan serangga dengan tanaman adalah

1. Pemilihan tanaman untuk insektisida nabati
2. Tanaman yang tidak disukai serangga bisa digunakan sebagai dasar pemuliaan tanaman
3. Tanaman yang mengandung metabolit secunder mungkin bisa digunakan sebagai tanaman obat
4.  Dasar pengetahuan bahwa sistem pertanaman tumpang sari lebih baik daripada monokultur.  Menanap tanaman pertanian dalam satu luasan lahan sebaiknya tidak dalam satu famili.  Dengan demikian terjadi chemical mask sehingga serangga hama kesulitan menemukan tanaman inang karena tertutupi oleh senyawa kimia dari tanaman famili lain.  Tanaman di hutan tidak pernah dilaporkan terjadi ledakan hama.  Kenapa?  Karena banyak terjadi komunikasi kimia tanaman dengan serangga (odor communication).

Padi yang disemprot dengan pestisida.  Pestisida umumnya ditambah dengan bahan pewarna sebagai bahan pengaman (safety).  Aplikasi pestisida di lapangan sampai baunya menyengat.  Padahal serangga hanya butuh sedikit bahan kimia (nano ml) untuk mengetahui ada atau tidaknya inang.  Demikian juga dengan konsentrasi pestisida yang tinggi serangga-serangga parasitoid tidak akan mau mendekat ke lokasi yang disemprot.

Musuh alamai mau datang ke suatu lokasi, tertarik oleh apa?

1. bau tanaman ?
2. bau serangga inang?

Musuh alami mau terbang dari lokasi yang jauh karena mencium daun tanman yang terpotong akibat dimakan oleh serangga inang.  Ketertarikan musuh alamai untuk datang dipengaruhi langsung dua faktor tersebut di atas bukan bekerja secara terpisah.

-Bagaimana sifat interaksi serangga dengan tanaman?

Daun tegak lebih disukai atau tidak oleh serangga?

Daun lebar lebih disukai atau tidak?

Model senyawa pengendali hama yang digunakan saat ini

• pirethroid ...................
• carbamat  ...................
• nikotinoid ...................  sebagai senyawa untuk membunuh
• pimetrozin .................. sebagai senyawa antifeedan digunakan untuk mengatur populasi/ pengendalian

###

Hubungan serangga dengan tanaman menurut pandangan seorang Entomologist

• insect reduce plant fitness
• serangga menurunkan kesehatan tanaman
• tingkat kerusakan oleh serangga diukur dengan ambang ekonomi

Padahal hubungan serangga dan tanaman bukan suatu hubungan yang terpaksa.  Hubungan sudah terjadi lama dan bersifat baik.  Tidak semua tanaman dapat dimakan oleh serangga.  Serangga akan menyeleksi tanaman yang tepat untuk kebutuhan nutrisinya.

Teori awal yang berkembang

• Awalnya serangga merupakan polypaghus (makan banyak tanaman inang)
• Tanaman excape membentuk pertahanan (duri, chemical compound, alelophaty dll)
• Hanya serangga yang cocok yang dapat hidup di tumbuhan tersebut

Tumbuhan juga melakukan komunikasi.  Respon tumbuhan dngan adanya serangga hama ada 4 macam:

1. Tanaman akan rusak, tentu saja karena tanaman diam, terutama pada populasi hama tinggi.  Saat diserang oleh serangga, tanaman berkomunikasi dengan tumbuhan lain agar membantu.  

Ledakan hama terjadi karena budidaya pertanian yang monokultur.  Dengan monokultur, hubungan serangga dengan tanaman menjadi sangat sederhana.  Serangga langsung mengenali makanan atau tumbuhan inang.  Serangga tidak "pusing" menentukan senyawa yang cocok dengan dirinya.  Jika terdapat berbagai jenis tanaman, berbagai chemical compound saling bercampur di lapangan sehingga serangga akan bingung menentukan inangnya.

Konsep clean agriculture atau pertanian yang bersih bebas gulma dan tumbuhan lain menjadi rentan terhadap serangan hama.  Clean agriculture terjadi hubungan yang sangat 'simple'.  Dengan belajar hubungan serangga dengan tanaman semakin faham bahwa dalam suatu lahan pertanian, sebaiknya ada berbagai jenis tanaman agar ada banyak chemical compound melayang di udara untuk mengacaukan penemuan inang serangga hama.

2. Kondisi ekologi tumbuhan rusak tergantung pada faktor waktu, tahap perkembangan tanaman, hujan, kemarau.  Kerusakan tanaman tidak melulu disebabkan oleh serangga tetapi juga dipengaruh faktor disebutkan di atas.

3.  Terkadang kehadiran serangga pada pertanaman tidak memberikan pengaruh apa-apa

4.  Terkadang kehadiran serangga pada pertanaman justru memberikan keuntungan pada tanaman.  Contohnya tanaman diserang sedikit oleh serangga, yang terjadi justru tumbuhan mengalami peningkatan pertumbuhan.

Contoh lainnya, saat menanam padi, hama dapat terkendali tidak menimbulkan kerusakan karena adanya musuh alami.  Agar musuh alami bertahan hidup disekitar pertanaman padi perlu ditanam jenis lainnya sebagi shelter dan sediaan nektar uk musuh alami.

Fungsi tanaman bagi serangga

1. sebagai sumber nutrisi
2. sebagai shelter/refugia/bernaung, terutama untuk musuh alami.  Di perkebunan kelapa sawit sengaja ditanam berbagai bunga-bungaan sebagai tempat bernanung musuh alami
3. host finding.  Berbagai tanaman mungkin akan dikunjungi serangga, dicicipi tetapi tidak semuanya menjadi sumber nutrisi serangga. 

Kejadian yang diamati di alam.  Setiap serangga biasanya berkorelasi dengan tanaman tertentu, misalnya:

• Nilaparvata lugens ditemukan pada pertanaman padi
• Crocidolomia binotalis  dijumpai pada famili crucifera

Ada juga serangga yang ditemukan dan mengkonsumsi tanaman pada banyak famili, contohnya Spodoptera litura

Dari fenomeda tersebut muncul pertanyaan:

1.  Bagaimana serangga tahu akan adanya tanaman inang tersebut?  Padahal tanaman sengaja ditanam jauh terpencil jauh.  Menanam cabai jauh dari pertanaman cabai lain tetapi kenapa B. tabaci bisa datang?

2.  Bagaimana serangga mampu mengenal inangnya.

  - Serangga mencicipi tanaman, tidak suka, dia akan pergi

  - Ada kalanya serangga tetap makan tanaman walaupun tidak sesuai untuk pertumbuhan dan perkembangannya.  Akibatnya telur tidak berkembang dengan baik.

#

Teori-teori yang berhubungan dengan serangga dan tanaman

1. Botanical Insting Teori

Penggagas teori : Stahl (1888) kemudian diperkuat oleh Brves (1920).

Serangga melakukan hubungan dengan tanaman dipandu oleh komponen kimia-kimia spesifik.   Umumnya serangga tertentu mampu mengenali senyawa kimia spesifik tanaman tertentu, yang tidak bisa dikenali oleh serangga lain.  Sehingga serangga akan cocok, mampu bertelur dan berkembang biak dengan baik.

plant odor terdiri dari volatile compound, yang merupakan metabolit sekunder sehingga serangga tertarik untuk datang pada tanaman.  Sensor pada serangga berupa olfactory=penglihatan dan gustatory=penciuman.

Percobaan yang dilakukan untuk mengetahui senyawa-senyawa apa yang berada dalam tanaman tersebut.

deteksi senyawa tanaman yang disukai serangga uji

Daun kubis dilakukan ekstraksi kemudian diteteskan pada kertas saring yang diletakkan dalam cawan petri.  Larva Crocidolomia binotalis dimasukkan dalam petri kemudian dilihat apakah dia mau datang ke kertas saring.  Jika larva mau datang menandakan dia tertarik oleh komponen volatile tanaman kubis.  Jika larva C. binotalis tidak mau datang menandakan dia tertarik pada senyawa volatile.  

Jika C. binotalis datang ke ekstrak.  Langkah selanjutnya adalah mengidentifikasi komponen apa saja dalam esktrak daun kubis dengan cara sisa ekstrak daun dilakukan uji kromatografi.


2. Possitive Stimuli Theory
oleh Fraenkel (1959)

Serangga datang pada tanaman karena

-morfologi atau fisik tanaman, misalnya serangga tertarik oleh karbohidrat (buah, umbi, bulir) yang dihasilkan tanaman.

-plant chemistry: menstimuli serangga untuk datang pada tanaman.  Plant chemistry ini bisa menjelaskan tingkah laku serangga untuk menemukan inangnya.

Fraenkel melakukan revisi, ternyata serangga itu umumnya bersifat oligophagus dan bahkan monophagus.  Tidak semua serangga bersifat polyphagus.  Jika serangga tidak dapat survive pada suatu tanaman maka dia akan pergi.  Serangga yang cocok nutrisinya pada tanaman dapat berkembang biak dengan baik.  Senyawa kimia yang berada di udara inilah yang membawa serangga dari lokasi yang jauh untuk datang.

3. Dual Discrimination
oleh Kennedy and Booth (1951)

Fraenkel proposed that insect choose their host plants exclusively by responding selectively to plant secondary compounds such as alkaloids, glycosides aromatic oils, that have no nutritional value

The dual discrimination theory of Kennedy and Booth, which suggests that selection is made of the basis of both odd substances and nutrients, seem more realistik 

taken from (Prakash, 2008).

Dual discrimination menyatakan bahwa proses pencarian inang oleh serangga karena faktor senyawa sekunder dan nutrisi yang terkandung dalam tanaman.  Serangga tertarik pada tanaman tidak semata-mata karena senyawa sekunder tetapi juga nutrisi yang terkandung dalam tanaman sesuai untuk pertumbuhan dan perkembangan serangga.

Kennedy dan Booth melakukan percobaan.  Glukosida (senyawa sekunder) bisa meningkatkan penerimaan tanaman inang oleh serangga.

Glukosida + artifisial diet ------------- serangga lebih meningkat perkembangannya.

Senyawa sekunder mempunyai peranan dalam acceptibily oleh serangga, disamping kandungan karbohidrat, lemak, vitamin (senyawa primer) yang terkandung dalam tanaman.  Senyawa primer disebut juga phagostimuli


4. Nutritional Imbalance Theory
by House (1969)

Teori ketidak seimbangan nutrisi

Serangga dari jauh datang pada tanaman dipengaruhi
1. Metabolit sekunder
2. Morfologi tanaman
3. Senyawa primer tanaman

Serangga makan bagian tanaman
-pucuk : Oryctes rhinoceros (kumbang tanduk)
-buah : lalat buah
-batang : penggerek batang padi
-daun muda : Croccidolomia binotalis
-daun tua : Eryonata thrax (larva penggulung daun pisang)

kandungan nutrisi pada masing-masing bagian tumbuhan tersebut berbeda.

Tiap bagian tumbuhan tersebut dapat dimakan oleh serangga.  Pertama serangga datang pada pucuk, digigit, lalu berpindah ke daun.

Adanya perbedaan nutrisi akan mempengaruhi tingkah laku dan psikological serangga.  Jika nutrisi seseuai maka serangga berhasil bertelur.  Poporsi nutrisi lebih penting daripada jumlah mutlak.  Sehingga walaupun misal glikosida ada di pucuk, daun, batang tetapi serangga lebih memilih makan bagian pucuk karena poporsi glikosida dan komponen lain sesuai dengan kebutuhan serangga.

Tanaman dalam saut famili biasanya chemical sama, proporsi bahan sekunder hampir sama sehingga serangga Crocci serang pada semua tanaman dalam satu famili Brasicaceae.

5. Negative stimuly theory
oleh Dethier (1980)

Serangga datang
Tumbuhan ditolak oleh seranggga
Tumbuhan mengeluarkan senyawa untuk menghambat pertumbuhan serangga

Semakin spesifik feeding stimulan dari tumbuhan maka serangga akan memilih makanan yang spesifik.

Pemilihan makanan yang spesifik ini merupakan proses coevolusi.  Dethier berpendapat bahwa serangga tertarik pada sekelompok spesies tanaman karena tanaman mengeluarkan stimulus kimia yang serupa.

6. Chemical of Host Selection Theory

Teori pemilihan inang secara kimiawi dikemukakan oleh Whittaker & Feevy 1971

Serangga berinteraksi dengan tanaman menggunakan sistem sensori.  Sensor serangga akan menangkap senyawa kimiawi atau disebut senyawa alelochemical.

Senyawa alelochemical terdiri dari

1. Alomon : senyawa yang dikeluarkan tumbuhan akan menguntungkan dirinya, sedangkan pertumbuhan serangga terhambat

Senyawa Alomon dibagi menjadi:
1. Repelen : serangga akan menjauhi tanaman
2. Antibiotik : serangga yang memakan bagian tumbuhan akan terganggu metabolismenya
3.  Deteran : serangga akan menghentikan makan setelah mencicipi bagian tumbuhan
4. Supresan : Serangga menghentikan pencicipan makanan

2. Kairomon : senyawa yang dikeluarkan tumbuhan justru merugikan dirinya.

Senyawa kairomon dibagi menjadi:
1. antraktan : senyawa yang dikeluarkan tanaman membuat serangga mendekat
2. arestan : senyawa yang dikeluarkan tanaman membuat serangga menetap dan tinggal di tanaman tersebut
3. heksitan : senyawa yang dikeluarkan tanaman membuat serangga mulai proses makan
4. stimulan : senyawa yang dikeluarkan tanaman membuat serangga meneruskan proses makan.


3. Sinomon : senyawa yang dikeluarkan tumbuhan memberikan dampak positif bagi dirinya dan bagi serangga.  Contoh adalah lebah mendapatkan nektar dari tanaman.  Tanaman memperoleh keuntungan dengan dibantu proses penyebukan oleh lebah.

Dari teori pemilihan inang secara kimia ini dapat dikelompokkan adanya kisaran inang

1. serangga monofag: serangga makan hanya terbatas ada spesies tertentu, biasanya dibawah satu genus.  Contoh wereng cokelat bisa tetap hidup walaupun tidak ada tanaman padi.  Wereng bertahan pada rerumputan.

2. serangga oligofag : serangga makan dalam satu famili tanaman, misal Crocidolomia binotalis makan dalam satu famili Brasicaceae.  Contoh lain serangga Plutella xylostella

3. serangga polifag : serangga yang mampu makan berbagai famili tanaman.  Misalnya serangga Spodoptera litura mampu makan jagung, padi, tomat, bawang, kunyit, kubis, talas, kangkung.

Ada kasus-kasus menarik dari kisaran inang serangga ini.

S. litura mempunyai kisaran inang yang luas.  Di lapangan larva S. litura banyak ditemukan pada tanaman talas.  Serangga seperti brsifat monofag. Pada kasus ini bukan berarti S. litura monofag.  Serangga lebih menyukai tanaman talas.  Serangga mempunyai sifat preferensi.

Colorado potato beetle (picture by uspest.org)

Colordo potato beetle di lapangan seperti bersifat monofag. Serangga seperti hanya memakan daun kentang. Sesungguhnya makanan kumbang ini lebih banyak atau oligofag seperti juga tomat, terung.

Stenophagus : restricted host plant
Euriphagus : broad host plant
kedua istilah ini jarang digunakan

Serangga memakan 10 tanaman dalam famili sama
serangga memakan 10 tanaman dalam famili berbeda
------------ base number

Pengelompokan monophagi, oligophagi, polipagi merupakan mengelompokan serangga berdasarkan base number Daftar Pustaka

Prakash M.  2008.  Encyclopaedia of Entomology II.  Insect Behaviour.  Discovery publishing house: India

-end-

Read More

Pengantar Praktikum Toksikologi

19 September 2016

Faktor yang mempengaruhi tingkat toksisitas serangga

Faktor Internal

• spesies
• jenis kelamin
• fase perkembangan
• umur

Faktor Eksternal

• suhu
• kelembaban
• makanan
• kepadatan populasi
• pencahayaan

Pengujian Toksisitas

Permetrin dengan bahan aktif pirethroid, diujikan pada bawang di Brebes ternyata tidak efektif mengendalikan hama.  Setelah ditelusuri ternyata aplikasi bahan aktif pirethroid di daerah Brebes dengan merek dagang yang lain sudah berlangsung lama.  Ada kemungkinan hama bawang sudah resisten terhadap bahan aktif pirethroid ini.

1. No Observable Effect Level (NOEL)

Diharapkan saat dilakukan pengujian residu insektisida pada mamalia tidak ditemukan efek negatif

2. Monitoring Resistensi

• Yang rutin melakukan monitoring adalah departemen kesehatan
• Fakta yang muncul di lapangan bahwa nyamuk resisten terhadap insektisida rumah tangga.  Pertanyaan yang muncul, berbagai merk insektisida saat mendaftarkan diri di komisi pestisida memberikan data berhasil membunuh nyamuk.  Kenyataan ini sangat bertolak belakang dengan fakta.  Kenapa terjadi seperti itu?  Jawabannya adalah karena pendaftar merk dagang insektisida menggunakan nyamuk hasil pembiakan di laboratorium.

3. Monitoring Resurgensi

Monitoring serangga hama yang masuk dalam level populasi.  Dalam melakukan monitoring resurgensi harus melihat nilai NOEL yang dilakukan sebagai bentuk pengamanan.

Pembuatan insektisida merupakan pekerjaan rumit.  Dari ribuan senyawa diuji satu per satu kemudian dipilih beberapa kandidat terbaik.  Masing-masing kandidat dilakukan formulasi, lalu dilakukan pengujian pada serangga sasaran.  Dari pengujian tersebut baru diperoleh produk komersial yang siap dipasarkan.

Insektisida baru ------------------- dilihat potensinya

Insektisida lama ------------------- dilihat tingkat kepekaan untuk mengendalikan hama, apakah sudah muncul resistensi dan resurgensi.  Yang diharapkan kedua persoalan tersebut tidak terjadi.

###

Dalam melakukan pengujian insektisida hal yang harus diperhatikan adalah

1. Serangga
2. Insektisida
3. Metodologi

Serangga yang diperlukan dalam pengujian harus di rearing atau dipelihara di laboratorium.  Sering kali serangga ini mati.  Apa penyebab kematian serangga uji

1. tempat pemeliharaan kurang hieginis
2. cara memperlakukan serangga kasar, misal Aphid sedang makan, stilet sedang tertancap di batang muda kemudian dengan kasar disapu dengan kuas hingga menyebabkan stilet putus.  
3. tidak sabar dalam bekerja

Sumber serangga untuk uji dilapangan dapat berasal dari

1. Dari lapangan yang sering dilakukan penyemprotan insektisida
2. Dari lapangan tanpa penyemrotan.  Misalnya Spodoptera litura yang didapat dari pertanaman talas sering tidak pernah mendapat perlakuan insektisida.  Hanya saja perlu diperhatikan sering kali S. litura terkena patogen misalnya NPV

Persyaratan serangga untuk uji toksisitas

1. Serangga harus berkembang secara optimum.  Serangga uji harus dimanjakan dengan makanan yang baik dan lingkungan yang bersih.  Makanan untuk serangga uji harus ditanam sendiri agar bebas dari residu insektisida, misalnya dengan menanam sendiri tanaman brokoli sebagai makanan larva Crocidolomia binotalis.  Jika malas menanam brokoli kemudian mengambil daun dari lapangan kemungkinan besar Croci rearing akan mati.

2.  Serangga uji toksisitas harus seragam.  Sulit untuk mendapatkan serangga uji seragam hingga pada waktu menetas yang sama.  Tetapi paling tidak serangga uji harus:

• instar yang sama
• umur sama
• tebal kutikula sama
• serangga sedang ganti kulit atau tidak, tergantung kebutuhan.  Terkadang saat pengujian justru diperlukan serangga yang sedang ganti kulit

Pada pengujian insektisida antifeedan harus dicari serangga yang rakus makan, terutama larva Lepidoptera

3. Serangga uji harus dalam kondisi yang sehat.  Ciri serangga sehat:  

- Plutella jika disentuh akan menjauh

-Croci jika disentuh akan bergerak

- Spodoptera jika sentuh akan melawan

-serangga yang pura-pura mati, saat disentuh tungkainya akan bergerak

4. Tempat hidup serangga harus hiegenis agar serangga sehat.  Saat dilakukan pengujian insektisida, kematian berasal dari senyawa uji bukan karena serangganya yang kurang sehat.

5. Serangga aktif harus dilakukan pembiusan saat dilakukan uji toksisitas.

-Kecoak tidak perlu dilakukan pembiusan.  Kecoak cukup ditempatkan dalam wadah secara tunggal untuk kemudian dilakukan uji toksisitas

-Serangga ukuran kecil dan sangat aktif perlu dilakukan pembiusan dengan memberikan CO2 atau dimasukkan sebentar dalam freezer.  Misalnya wereng, dimasukkan dalam freezer sehingga tidak aktif tetapi tidak mati.  Setelah kurang lebih 2 jam (ditunggu agar tidak ada air yang tersisa) baru dilakukan uji toksisitas.

Pembiusan tidak boleh berlebihan, agar serangga tidak mati.  Kontrol sangat diperlukan dalam perlakuan pembiusan ini.  Serangga kontrol harus dalam kondisi hidup.  Jika serangga kontrol mati kemungkinan perlakuan pembiusan berlebihan.

6.  Fase perkembangan serangga, terutama untuk pengujian insektisida fumigasi.  Apakah fase telur, larva, imago dapat mati akibat perlakuan fumigasi?

7. Pengamanan serangga uji agar tidak lari.  Wadah serangga uji harus disegel dengan baik sehingga ulangan tidak berkurang jumlahnya karena serangga melarikan diri.


8.  Serangga yang digunakan untuk pengujian insektisida adalah betina.  Kenapa?  Karena betina lebih tahan terhadap insektisida dibandingkan jantan.  Sehingga diharapkan jika betina dapat mati akibat perlakuan insektisida yang jantan pun dapat dipastikan sudah mati terlebih dahulu.

Beberapa serangga mudah dibedakan antara jantan dan betina, sedangkan serangga yang lain sulit.  Misalnya Calocobrucus hama gudang jantan dan betina mudah dibedakan dari ukuran badan, betina ukuran badannya lebih besar dibandingkan jantan.


9.  Serangga yang digunakan untuk uji toksisitas harus satu spesies


10.  Faktor eksternal yang mempengaruhi serangga uji harus diperhatikan, sehingga sesuai dengan kondisinya di alam.  Faktor yang harus diperhatikan yaitu:

• suhu
• pencahayaan, jika serangga di pelihara di lab tertutup cahaya harus diatur sehingga 12 jam terang dan 12 jam gelap
• kepadatan populasi dalam wadah pemeliharaan harus tetap, sehingga serangga leluasa bergerak tidak berdesak-desakan

####

Toksisitas terhadap organisme sasaran, komponen yang diubah adalah

• dosis
• konsentrasi

Insektisida yang diaplikasikan topikal maka dosis yang digunakan uk menguji.

Jika insektisida racun perut yang akan diuji maka perlakuan konsentrasi yang diperlukan

Dosis

• kg/ha
• g/ha
• l/ha
• ml/ha
• ug/serangga
• ml/tanaman
• g/m2

Konsentrasi

• ppm
• %
• ml/l
• cc/l
• konsentrasi bahan aktif dalam formulasi
• konsentrasi bahan aktif dalam cairan semprot
• konsentrasi formulasi dalam cairan semprot

Insektisida dengan bahan aktif pirethroid merupakan antifeedan.  Faktor yang akan dilihat adalah tingkat kematian (mortalitas).  Tingkat kecepatan kematian tergantung pada:

• dosis atau konsentrasi
• aktivitas biologi
• kisaran organisme sasaran
• cara kerja insektisida

Faktor penentu tingkat toksisitas

1. lama pemaparan
2. cara masuk----- dermal atau oral
3. jenis spesies
4. variasi individu
5. umur
6. jenis kelamin
7. suhu
8. nutrisi
9. kepadatan populasi
10. pengukuran toksisitas
11. LD (lethal dosage)
12. LC (lethal concentration)
13. L T (lethal time )
14. ED (effective dosage)
15. EC (effective concentration)
16. IT (inhibition time)
17. pengukuran lain yang dilakukan dengan probit analysis

Cara pengukuran toksisitas, dinyatakan dengan kurva Y = a + bx

Hal yang dilihat dari pengukuran toksisitas adalah:

• Lethal : LD, LC, LT
• Knock down : KD, KC
• Effective : ED, EC
• Inhibition : ID IC
• LD50, LC50 dll

grafik analisis probit

-end-

Read More

Kuliah 2 Toksikologi

18 September 2016

Ringkasan kuliah ke-2 Toksikologi serangga.  Buku pengangan bahan ajar adalah Toxicology of Insecticides karangan Fumio Matsumura.

###

Racun yang diaplikasikan akan menuju sasaran di dalam tubuh serangga.  Bagan untuk menjelaskan hal tersebut adalah:

Toksikan

.

.

.

Penghalang

.

.

.

target

Racun sebelum mengenai target akan melewati penghalang berupa kutikula dan penghalang enzimatis.  Kutikula  serangga terdiri dari 5 lapisan:

1. Epikutikula
2. Eksokutikula
3. Mesokutikula
4. Endokutikula
5. Membran

Sehingga proses insektisida menembus kutikula merupakan peristiwa rumit dan kompleks.

Penghalang insektisida lainnya saat memasuki tubuh serangga  adalah penghalang enzimatis.  Enzim yang berperan adalah MFO mixed function oxidase.  MFO merupakan keluarga enzim oksidase yang bekerja mengoksidasi 2 substrat berbeda secara bersamaan.  Fatty acyl-CoA jenuh and NADPH dioksidasi oleh molekul oksigen (O2) menghasilkan fatty acyl-CoA tidak jenuh tunggal, NADP+ dan 2 melekul air.

Semakin tinggi konsentrasi insektisida semakin besar kematian terjadi.  Hubungan antara konsentrasi dan tingkat kematian digambarkan dalam analisis probit.

grafik analisis probit

Semakin sering serangga di bombardir dengan insektisida, maka target menjadi tidak sensitif.  Individu yang tidak berhasil mti ini akan berkembang biak sehingga menghasilkan keturunan resisten.

Insektisida akan berhadapan dengan kutikula yang bersifat non polar.  Tentunya insektisida akan menyingkir tidak dapat masuk ke dalam kulit serangga tersebut.  Untuk mengatasinya peneliti menambahkan adjuvan/pelarut/surfaktan sehingga insektisida menjadi bersifat non polar sehingga mampu menembus kutikula.  Bahan adjuvan apa yang ditambahkan oleh perusahaan insektisida menjadi rahasia dagang mereka.  Bahan adjuvan hanya dibeberkan komposisinya kepada komisi pestisida RI ketika mereka mendaftarkan diri.

Ketika insektisida berhasil melakukan penetrasi atau absorbsi ke dalam kutikula, hal yang akan terjadi dijelaskan dengan bagan sbb

bagan alir perjalanan insektisida di dalam tubuh serangga

• Ada kemungkinan setelah senyawa insektisida masuk ke dalam kutikula serangga, senyawa kimia tersebut diikat sehingga menjadi komponen tidak aktif.  Contoh kasus yang sudah terjadi sebelumnya adalah insektisida DDT (dikloro dipenil triklorida).  Insektisida ini sudah  dilarang peredarannya karena berbahaya bagi kesehatan manusia dan lingkungan.  Senyawa yang masuk ke dalam tubuh serangga diikat menjadi tidak aktif, kemudian tersimpan dalam jaringan lemak.  Melalui jaring-jaring makanan, DDT ini terakumulasi dalam tubuh manusia.  Sebagai mahluk di puncak piramida makanan, konsentrasi DDT dalam tubuh manusia atau hewan besar lain akan paling tinggi.  DDT karena diikat oleh lemak menjadi tidak efektif untuk membunuh serangga.
• Ada kalanya, insektisida yang berhasil diikat dalam serangga, ikatan senyawanya menjadi putus, kemudian bersama metabolisme tubuh akan dikeluarkan bersama feses.  Tentu saja kasus ini menjadikan insektisida tidak efektif membunuh serangga.

Alat yang digunakan untuk mengukur tingkat degradasi insektisida hingga sampai target sasaran menggunakan bahan radioaktif C13.  Jika jumlah komponen insektisid di bagian sasaran sedikit bisa jadi senyawa insektisida banyak yang diikat menjadi bahan tidak aktif.

Untuk meningkatkan keefektifan insektisida hingga banyak yang sampai di organ sasaran, digunakan bahan piperonil butoksida.

bagan alur perjalanan insektisida dalam tubuh serangga

Penjelasan dari bagan alur perjalanan insektisida dalam tubuh serangga.

• Saat senyawa kimia insektisida berhasil masuk ke dalam tubuh serangga, maka ada kemungkinan senyawa insektisida tersebut akan dilakukan metabolisme.  Bagi peneliti lingkungan, metabolisme insektisida menjadi senyawa kurang toksik sehingga saat senyawa kimia tersebut kembali ke lingkungan menjadi komponen tidak membahayakan bagi mahluk hidup lain dan lingkungan.
• Bagi perusahaan pestisida tentu bertolak belakang, metabolisme yang terjadi dalam tubuh serangga diharapkan menjadi lebih toksis sehingga berhasil membunuh serangga.
• Setalah senyawa kimia bereaksi dengan makromolekul sasaran, maka serangga akan mengalami kematian.  Umumnya insektisida yang beredar di parasan adalah jenis racun syaraf, sehingga makromolekul sasan insektisida adalah komponen syaraf.
• Diharapkan toksik efek insektisida tidak ada.  Insektisida yang digunakan tidak menyebabkan perubahan genetik baik pada serangga maupun pada organisme lain, tidak karsinogenik atau penyebab kanker, tidak teratogenik atau membuat kecacatan pada bayi.

Metabolisme menjadi lebih toksik

Insektisida dengan bahan aktif paration dapat dimodifikasi oleh  serangga sehingga menjadi bahan metabolit toksik.

 Bagian R dari senyawa paration dapat diganti sehingga paration menjadi lebih toksik.

perjalanan insektisida

Keterangan:

Konfigurasi stereokimia adalah pengaturan polaritas senyawa.  Polaritas insektisida dapat ditingkatkan dengan bantuan software konfigurasi stereokimia ini sehingga senyawa insektisida tepat berikatan dengan tingkat polaritas coline esterase.

Konfigurasi yang tidak tepat dapat menyebabkan insektisida menjadi kurang aktif.

Tiap bagian kutikula mempunyai laju penetrasi yang berbeda.  Senyawa insektisida perlu ditambahkan bahan adjuvan/surfaktan sehingga banyak yang masuk ke dalam tubuh serangga.  Sejauh mana senyawa insektisida tersebar di dalam tubuh serangga dapat diketahui keberadaannya dengan radioaktif C13.

Bahan aktif insektisida yang beredar di pasaran dunia tidak banyak jenisnya, hanya:

1. Piretroid
2. Carbamat
3. Organofosfat
4. Nikotinoid

Racun atau senyawa kimia insektisida dimetabolisme mulai masuk, proses transporttasi sampai di organ target (site of action).  Racun tidak masuk ke tubuh dengan satu jalan linier.  Sangat memungkinkan akan terjadi banyak jalur metabolisme dan cara kerja tergantung pada organ, tingkat dosis, kehadiran toksin lain.


Tiap pintu masuk di tubuh serangga akan terjadi perbedaan laju penetrasi sehingga menyebabkan perbedaan pola metabolisme.


Secara umum, sistem respirasi merupakan jalan masuk (route of entryi) yang paling cepat, sedangkan kulit atau kutikula merupkan jalan yang paling lambat untuk ditembus senyawa kimia insektisida.


Uji toksisitas
Pada uji toksisitas pada serangga, insektisida diberikan topikal atau injeksi di daerah thoraks.  Alasannya daerah tersebut daerah yang paling dekat dengan pusat syaraf.

Ada insektisida yang bekerja dengan cepat mematikan serangga, ada pula yang bekerja lambat.  Kecepatan mematikan tersebut tergantung jenis insektisida yang digunakan.  Insektisida racun syaraf akan cepat bekerja sedangkan insektisida  racun ganti kulit akan lambat bekerja.  Jika serangga belum ganti kulit maka tidak akan mati.

Karakteristik serangga: 

• ada serangga yang mempunyai kulit kuat seperti famili Oryctes sp.
• ada serangga yang kerja enzimatiknya kuat, sehingga insektisida yang diaplikan pada serangga tersebut kurang aktif.  Jika dilihat keadaan kulit barangkali lemah mudah robek.

Koefisien Partisi

• Koefisien kelarutan
• Salah satu parameter yang mempengaruhi penetrasi adalah kelarutan lemak relatif dari potensial racun.  Racun yang mudah larut dalam lemak akan semakin mudah masuk ke dalam tubuh serangga
• Kelarutan lemak diukur sebagai koefisien partisi, merupakan ukuran partisi senyawa antara fase air dan lemak
• Nilai koefisien partisi tinggi menunjukkan kelarutan lemak yang lebih besar
• Pengukuran tingkat kelarutan lemak digunakan oktanol
• Semakin tinggi partisi semakin mudah masuk ke dalam lemak

Mechanism of Entry

DDT merupakan senyawa non polar yang dalam air akan menggumpal.  DDT pasif terbawa dalam air.

Transport pasif

Senyawa dalam bentuk terionisasi tidak bergerak cepat karena ada interaksi racun + lemak + protein.

Kulit serangga permukaan atas bersifat non polar sedangkan lapisan bawah bersifat polar.  Insektisida tidak dapat masuk ke dalam lapisan non polar.  Agar dapat masuk insektisida perlu ditambah dengan bahan adjuvan/surfaktan.  Peristiwa ini merupakan transport pasif.

Senyawa hidrofobik (takut air) bersifat non polar, yang terdiri dari rantai atom C.  Senyawa hidrofilik (suka air) bersifat polar, yang terdiri dari molekul -OH atau ikatan C= O.  Semakin banyak kandungan O pada suatu senyawa maka akan bersifat semakin polar

Filtrasi
Terjadi pada molekul dengan BM (berat massa) rendah dengan ukuran kurang dari 100 Dalton.  Senyawa dengan BM besar jarang terjadi peristiwa filtrasi

Transport khusus
Pada serangga terjadi di bagian gastro intestinal track atau saluran pencernaan.  Transport khusus terdiri atas aktif transport yang membutuhkan energi dan facilitated transport yang tidak membutuhkan energi.

Endositosis
Material cair dan padat ditransport secara khusus yang memungkinkan dapat melintasi membran.

Formulasi 
Merupakan cara agar insektisida dapat masuk ke point of entry

Laju Penetrasi
Untuk sistem pelarut

K=A (C) / d
K = konstanta difusi
A = area terukur
C = Consentraso
d = ketebalan membran

Rumus dapat diperluas dengan 

J= Km Cv Dm/ d

J = laju absorpsi per unit area
Km = Koefisien partisi
Cv =  konsentrasi
Dm =
d = 

Karbofuran
Pestisida yang sifat kelarutan dalam air tinggi, terbawa dalam aliran floen

##
Point view penting toksikologi

Racun masuk akan menghadapi penghalang, berupa fisik (kutikula), kimia (fisiologi, enzimatis), kemudian saat sampai di target sasaran menjadi tidak sensitif.  Sifat ini akan diturunkan ke keturunan serangga hingga menjadi populasi yang resisten baik secara morfologi, fisiologi, biokimia dan tingkah laku

-------------

Read More