CROP IMPROVEMENT VIA GENETIC ENGINEERING (PERBAIKAN TANAMAN VIA REKAYASA GENETIKA) DR. IR. EDY BATARA MULYA SIREGAR, MS Fakultas Pertanian Program Studi Ilmu Kehutanan Universitas Sumatera Utara 1. Pendahuluan Populasi penduduk dunia diprediksi pada tahun 2010 berjumlah kira-kira 8 milyar orang. Untuk penyediaan pangan pada tahun tersebut diperlukan peningkatan produksi tanaman. Makanan sangat esensial untuk pemeliharaan kehidupan yang langgeng. Pada suatu negara bidang pertanian menjadi hal penting dan menjadi dasar bagi penyediaan pangan bagi penduduknya. Pemuliaan tanaman konvensional bekerja untuk memperbaiki kualitas dan peningkatan hasil suatu tanaman dengan berbagai teknik perbaikan tanaman dan berhasil dengan adanya “Revoluasi Hijau”. Di antra 3000 spesies tanaman yang digunakan sebagai makanan, hanya 29 spesies tanaman sebagai sumber makanan utama. Spesies tersebut antara lain 8 spesies sereal, 7 legum, 7 berbiji minyak, 3 tanaman yang berakar, 2 tanaman sumber gula, dan 2 tanaman pohon. Sebagai tambahan ada kira-kira 15 spesies utama tanaman sayur-sayuran dan 15 spesies utama tanaman buah-buahan. Spesies-spesies tanaman tersebut digunakan sebagai sumber protein, kalori, vitamin, dan mineral bagi manusia. Namun dengan perkembangan kemajuan manusia dan tekanan pertambahan penduduk dunia, permintaan akan pangan akan semakin meningkat baik dari segi kualitas dan kuantitas. Teknologi perbaikan tanaman yang semakin cepat dan maju membuat kita optimis bahwa teknologi dapat menyediakan kebutuhan penduduk dunia tersebut. Hukum Genetik Mendel’s (1864) menjadi motor penggerak dimulainya pemuliaan tanaman yang lebih terarah. Prinsip pemuliaan tanaman adalah identifikasi dan seleksi suatu sifat yang diinginkan dan selanjutnya dikombinasikan ke dalam suatu individu tanaman. Semua sifat yang diinginkan dikendalikan oleh gen yang berlokasi pada khromosom tanaman, pemuliaan tanaman berarti melakukan pekerjaan manipulasi khromosom. Pada umumnya ada 4 cara manipulasi khromosom : 1. Khromosom yang sama diambil dan diletakkan dalam suatu individu tanaman untuk memperoleh suatu homozogositas, metode tersebut disebut pure-line selection. 2. Khromosom yang berbeda digabungkan untuk memperoleh suatu heterozigositas, metode ini disebut hibridisasi. 3. Variabilitas genetik baru diperoleh dengan mutasi spontan atau dengan mutasi buatan (secara fisik dan kimiawi). 4. Polypoidi, yaitu teknik meningkatkan jumlah ploidi suatu tanaman sehingga tanaman dapat berbuah lebih besar, lebih tinggi dan lain-lain. Hasil yang diperoleh dengan kegiatan-kegiatan pemuliaan di atas adalah ditemukannya gendum dan padi yang berproduksi lebih tinggi (tahun 1960). Produksi tanaman makanan tersebut telah menyelamatkan manusia dari kekurangan pangan (Green Revolution) dan sangat berdampak terhadap sosial, ekonomi, dan status nutrisi manusia. Namun demikian, diperolehnya tanaman yang berproduksi tinggi tersebut sangat tergantung kepada pemupukan, irigasi, dan input teknologi lainnya yang tinggi. 2002 digitized by USU digital library
1
Perbaikan sifat tanaman dapat dilakukan melalui modifikasi genetik baik dengan persilangan tanaman secara konvensional ataupun dengan bioteknologi melalui rekayasa genetik. Kehadiran teknologi transformasi memberikan wahana baru bagi pemulia tanaman untuk memperoleh kelompok gen baru yang lebih luas. Gen yang ditransfer kedalam genom suatu tanaman untuk membentuk tanaman transgenik bisa berasal dari spesies lain seperti bakteri, virus, atau tanaman lain. Gen yang diperoleh dengan jalan sintesis secara kimia juga berhasil ditrasnformasikan ke tanaman. Pada dasarnya gen yang ditransfer tersebut haruslah gen yang bermanfaat yang belum ada atau belum dipunyai tanaman. Teknik rekayasa genetik dapat digunakan sebagai mitra dan pelengkap teknik pemulian tanaman yang sudah mapan dan telah digunakan selama bertahun-tahun. Rekayasa genetika memiliki potensi sebagai yang ramah lingkungan. Selain ramah lingkungan, teknologi rekayasa genetik diharapkan akan dapat membantu mengatasi masalah pembangunan pertanian yang tidak dapat dipecahkan secara konvensional. Sebagai contoh, dalam rangka meningkatkan produksi pertanian guna memenuhi kebutuhan penduduk yang selalu bertambah, salah satu kendala utamanya adalah faktor biotik, seperti hama dan penyakit. Melalui rekayasa genetik sudah dihasilkan tanaman transgenik yang memiliki sifat baru seperti ketahanan terhadapa hama, penyakit, atau herbisida, atau peningkatan kualitas hasil. Tanaman tersebut sudah banyak ditanam dan dipasarkan diberbagai negara. Disamping hal positif dari tananman transgenik, terdapat kekhawatiran sebagai masyarakat bahwa tanaan transgenik tersebut akan menggangu, merugikan dan membahayakan bagi keanekaragaman hayati, lingkungan, dan kesehatan manusia. Kekhawatiran tersebut bisa anggapan bahwa tanaman hasil rekayasa genetic dapat memenidahkan gen kerabat liar dan menjadi gulma super, menimbulkan dampak negatif bagi serangga berguna, menyebabkan alergi, atau keracunan, atau bahwa bakteri di dalam perut menjadi resisten terhadap antibiotik akibat penggunaanmarka tahan antibiotik dalam tanaman transgenic. Oleh karena itu perlu dilakukan evaluasi dan kajian teknis aspek tanaman hayati sebelum produk rekayasa genetik digunakan dan komersialisasikan. Sehubungan dengan kebutuhan tersebut telah dikeluarkan Keputusan Menteri Pertanian No: 856/Kpts/HK. 330/9/1997 tentang Ketentuan Keamanan Hayati Produk Bioteknologi Pertanian Hasil Rekayasa Genetik. Karena di dalam Keputusan Menteri Pertanian tersebut belum mencakup aspek keamanan pangan maka telah ditetapkan Keputusan Bersama Menteri Pertanian, Menteri Kehutanan dan Perkebunan, Menteri Kesehatan, dan Menteri Negara Pangan dan Horitulkutura tentang tanaman keamanan hayati dan keamanan pangan yang telah ditandatangani pada 29 September 1999. Dalam makalah ini akan diuraikan tentang status penelitian dan pengembangan rekayasa genetic tanaman, persepsi masyarakat terhadap tanaman transgenik dan manfaatnya, kekhawatiran terhadap tanaman transgenik, pengaturan kemanan pangan di negara lain, peraturan keamanan hayati dan keamanan pangan di Indonesia, serta pengujian keamanan hayati tanaman transgenik. Salah satu kendala utama dalam rangka meningkatkan produksi tanaman pertanian guna memenuhi kebutuhan penduduk yang selalu bertambah, adalah faktor biotok, seperti hama dan penyakit tanaman. Perakitan tanaman tahan hama atau penyakit secara konvesional dapat dilakukan melalui pemulian tanaman, tetapi pada beberapa jenis komuditas sumber gen ketahanan sulit diperoleh bahkan tidak di jumpai pada plasma nutfah yang tersedia. Dalam upaya membantu memecahkan masalah tersebut, bioteknologi melalui rekayasa genetic menawarkan suatu alternatif terobosan teknologi yang sangat menarik. Karena melalui rekayasa genetic dapat membuka peluang untuk mengisolasi gen ketahanan dari organisme lain seperti bakteri,virus atau bahkan tanaman yang secara konvensional tidak 2002 digitized by USU digital library
2
mungkin dilakukan. Kemudian gen yang sudah dikontritruksikan bisa dipindahkan kedalam tanaman budidaya yang diinginkan. 2. Tahapan Teknologi Dalam memproduksi tanaman transgenik melibatkan beberapa langkah dalam teknik biologi molekuler dan seluler. Suatu sifat yang diinginkan harus dipilih dan gen yang mengatur sifat tersebut harus dididentifikasi. Apabila gen yang diinginkan harus dipilih dan gen yang mengatur sifat tersebut harus diidentifikasi. Apabila gen yang diinginkan belum tersedia, maka harus diisolasi dari organisme donor. Supaya gen tersebut dapat berfungsi maka harus dimodifikasi secara molekuler, yaitu harus mengandung daerah pengaturan (regulatory region), sehingga dapat diekspresikan pada tanaman dengan tepat dan benar. Gen yang sudah diisolasi harus dikontruksi dalam suatu vector plasmid untuk ditransfer ke tanaman secara langsung via particle bombardment atau tidak langsung dengan media vector Agrobacterium. Plasmid yang digunakan untuk transformasi tanaman tidak hanya mengandung gen dari sifat yang diinginkan tetapi gen marka (gen penanda) untuk seleksi, seprti gen ketahanan terhadap antibiotik atau herbisida. Gen marka tersebut akan memudahkan seleksi sel atau jaringan yang ditransformasi. Agar transfer gen berhasil, maka gen yang dimasukkan ke tanaman harus dapat diinsersikan ke genom tanaman, terekspresi, dan tetap terpelihara dalam seluruh proses pembelahan sel selanjutnya. Selanjutnya sel atau jaringan tanaman yang ditransformasi harus dapat diregenerasikan menjadi suatu tanaman. Regenerasi tanaman dapat dilakukan dengan cara organogenesis atau embriogenesis. Regenerasi tanaman merupakan langkah yang paling sulit dilakukan. Tanaman transgenic yang diperoleh harus dikarekterisasi secara molekuler untuk mengkonfirmasi integritas gen yang dimasukkan dan menentukan jumlah kopinya di dalam genom tanaman. Karekterisasi cecara biokimia diperlukan untuk mengetahui ekspresi gen tersebut. Setelah tahapan tersebut, tanaman diuji di laboratorium dan rumah kaca untuk mengetahui karakterisasi sifat yang diinginkan. 3. Sumber Gen Pemulian tanaman konvensional memiliki keterbatasan, yaitu sumber donor gen haruslah berasal dari tanaman yang secara persilangan harus kompatibel. Seringkali sumber gen yang diinginkan terbatas atau sering tidak dijumpai pada plasma nutfah yang tersedia. Bioteknologi melalui rekayasa genetika dapat mengatasi kendala tersebut. Isolasi gen dari organisme lain seperti bakteri, virus dan lain-lain dapat dilakukan dengan mudah. Gen yang berasal dari luar spesies bahkan dari luar kingdom yang sudah sudah dikontruksi dengan teknologi DNA rekombinan dapat dimasukkan ke dalam tanaman budidaya. Sejumlah gen yang dapat dimanfaatkan untuk perbaikan tanaman melalui rekayasa genetic adalah gen ketahanan terhadap cekaman lingkungan biotik maupun abiotik, dan gen untuk modifikasi kualitas produk tanaman. Penelitian transformasi untuk memproduksi tanaman tahan serangga hama dan penyakit difokuskan pada protein-protein yang mengandung kode gen tunggal. Beberapa contoh gen ketahanan terhadap hama atau penyakti adalah gen Bt, proitenase inhibitor, cowpea trypsin inhibitor, kitinase, coat protein virus. Gen-gen yang mengatur ketahanan tersebut bersifat tunggal, sehingga lebih mudah dimasukkan ke dalam tanaman. Gen phosphinotricin acetyl transferase (PAT) diisolasi dari Streptomyces hygroscopicus dan gen 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synt5hase (EPSPS) dari bakteri Klebsiella pneumonial digunakan untuk mentransformasi tanaman toleran terhadap herbisida. Gen metallothionen-II digunakan untuk memperoleh tanaman 2002 digitized by USU digital library
3
yang tahan terhadap logam berat. Gen mannitol-1-phosphate dehydrogenase digunakan untuk memperoleh tanaman yang tahan terhadap salinitas. Gen yang mengkode methionine rich seed protein dimanfaatkan untuk meningkatkan kandungan methionin pada tanaman kedelai. Pendekatan teknologi antisense digunakan untuk menunda pemasakan buah dan perubahan warna pada bunga. 4. Teknik Transfer Gen Teknologi pemindahan gen atau transfer gen dapat dibedakan menjadi dua, yaitu langsung dan tidak langsung. Contoh transfer gen secara langsung adalah perlakuan pada protopplas tanaman dengan eletroporasi atau dengan polyethyleneglycol (PEG), penembakan eksplan gen dengan gene gun atau di vortex dengan karbit silikon. Teknik pemindahan gen secara tak langsung dilakukan dengan bantuan bakteri Agrobacterium Dari banyak teknik transfer gen yang berkembang, teknik melalui media vektor A. tumefaciens paling sering digunakan untuk metransformasi tanaman, terutama tanaman kelompok dikotil. Bakteri ini mampu mentransfer gen kedalam genom tanaman melalui eksplan baik yang berupa potongan daun (leaf disc ) atau bagain lain dari jaringan tanaman yang mempunyai potensi beregenerasi tinggi. Gen yang ditransfer terletak pada plasmid Ti (tumor inducing ). Segmen spesifik DNA plasmid Ti disebut T-DNA (transfer DNA ) yang berpindah dari bakteri ke inti sel tanaman dan berintegrasi kedalam genom tanamn. Karena A. tumefaciens merupakan patogen tanaman maka Agrobacterium sebagai vektor yang digunakan untuk transformasi tanaman adalah bakteri dari jenis plasmid Ti yang dilucuti virulensinya (disarmed), sehingga sel tanaman yang ditransformasi oleh Agrobacterium dan yang mampu beregenerasi akan membentuk suatu tanaman sehat hasil rekayasa genetik. Teknik transformasi melalui media vektor Agrobacterium pada tanaman dikotil telah berhasil dengan baik tetapi sebaliknya tidak umum digunakan pada tanaman monokotil. Namun beberapa peneliti telah melaporkan bahwa beberapa strain Agrobacterium berhasil metransformasi tanaman monokotil seperti jagung dan padi. 5. Elektroporasi Metoda transfer DNA yang umum digunakan pada tanaman monokotil adalah elektroporasi dari protoplas, perlakuan polythyleneglycol (PEG ) pada protoplas dan kombinasi anatara dua perlakuan tersebut diatas. PEG memudahkan presipitasi DNA dan membuat kontak lebih baik dengan protoplas, juga melindungi DNA plasmid mengalami degradasi dari enzim nuclease. Sedangkan elektroporasi dengan perlakukan listrik voltase tinggi meyebabkan permiabilitasi tinggi untuk sementara pada membran sel dengan membentuk pori-pori sehingga DNA mudah penetrasi kedalam protoplas. Integritas membran kembali membaik seperti semula dalam beberapa detik sampai semenit setelah perlakuan listrik. Jagung dan padi telah berhasil dengan sukses ditransformasi melalui elektorporasi dengan efisien antatar 0,1 – 1 %. Salah satu kelemahan penggunaan protoplas sebagai eksplan untuk transformasi adalah sulitnya regenerasi dari protoplas, dan variasi somaklonal akibat panjang periode kultur.
2002 digitized by USU digital library
4
6. Particle bombardment Teknik paling modern dalam transformasi tanaman adalah penggunaan metoda gene gun atau particle bombardment. Metode transfer gen ini dioperasikan secara fisik dengan menembakkan partikel DNA-coated langsung ke sel atau jaringan tanaman. Dengan cara partikel dan DNA yang ditambahkan menembus dinding sel dan membran, kemudian DNA melarut dan tersebar dalam secara independen. Telah didemonstasikan bahwa teknik ini efektif untuk metransfer gen pada bermacam– macam eksplan. Penggunaan particle bombardment membuka peluang dan kemungkinan lebih muda dalam memproduksi tanaman transgenik dari berbagai spesies yang sebelumnya sukar ditransformasi dengan Agrobacterium, khususnya tanaman monokotil seperti padi, jagung, dan turfgrass. 7. Silicon carbide Metoda transfer gen lain yang kurang umum digunakan dalam transformasi tanaman tetapi telah dilaporkan berhasil mentransformasi jagung, dan turfgrass adalah penggunaan karbit silikon (silicon carbide ). Suspensi sel tanaman yang akan ditransformasi dicampur dengan serat silicon carbide dan DNA plasmid dari gen yang diinginkan dimasukkan kedalam tabung Eppendorf, kemudian dilakukan pencampuran dan pemutaran dengan vortex. Serat silicon carbide berfungsi sebagai jarum injeksi mikro (microinjection ) untuk memudahkan transfer DNA kedalam sel tanaman. Kesimpulan Teknologi perbaikan tanaman dengan teknik rekayasa genetika dapat membantu teknik pemuliaan konvensional untuk menghasilkan tanaman dengan karakter kulitas dan kuantitas yang diinginkan. Jaminan (dengan analisis resiko, seperti produk teknologi lainnya) bahwa satu produk transgenik itu aman dikonsumsi dan dampaknya terhadap lingkungan harus dikeluarkan oleh pengambil kebijakan.
2002 digitized by USU digital library
5
Daftar Pustaka Beachy, R.N. 1990. Plant transformantion to cenfer resistance againts virus infection. In Gustafson J.P. (Ed). Gene Manipulation in Plant Improvement. Plenum Press. N.Y. pp.305- 311. Bennet, J. 1993. Genes for crop improvements. Genetic Engineering 16 : 93-113. Herman, M. 1996. Rekayasa genetik untuk perbaikan tanaman. Buletin AgroBio Vol. I. No. 1. balitbio Tan. Pangan. Watson, J.D., M. Gilman, J. Witkowski, and M. Zoller. 1992. Recombinant DNA. 626p. Scientific American Book. New York. NY
2002 digitized by USU digital library
6
