Microbial potential to increase crop production By: Ika Rochdjatun Sastrahidayat (Faculty of Agriculture, Brawijaya University, Malang-Indonesia; email:
[email protected])
After World War II, the use of chemicals in agriculture growing rapidly and intensively. As a result, problems arose that interfere with human health and environmental pollution. BHC pesticide use on forage fodder has resulted in contamination of herbage which adversely impact the quality of cow's milk which occurred around 1969 in Japan. Similarly with DDT, has led to the emergence of insects (houseflies) who become resistant so as to get rid of it is necessary to increase the dose, which would be harmful to humans. With similar cases that, then comes later environmental issues are written in a book entitled "Silent Spring" by Rachel L. Carson (1962). The book gives a warning about the effects of chemicals in agriculture on the environment and ecosystems. The classic example is the inclusion of agricultural technology in Indonesia in the form of technology packages farming (irrigation systems, planting, pest and disease control, improved varieties and tillage) in the countryside that began in the '60s. This has dramatically has changed the conditions of an area of natural conditions become unbalanced again. The introduction of superior varieties of rice seeds, PB5 and PB8, in the 70s has led to the emergence of leaf blight (Xanthomonas oryzae). The use of different types of pesticides in rice and other crops has led to a new kind of pest biotypes (hopper) resistant, so that the issuance of Presidential Instruction to draw 50 types of pesticides from the market. The use of chemical fertilizers (artificial) has resulted in the accumulation of soil fertility due to the advent of chemicals which are not biodegradable and increase soil acidity. And so on to the quality of reservoir water like rivers, wells and lakes are polluted waste from agricultural activity. To overcome this, today people are starting to realize the importance of returning to nature (back to nature). This philosophical, causing people to start thinking how to keep that nature is able to neutralize itself to existing polluters. On the other hand people are aware that he is part of nature, so he must be able to coexist with worms, insects, rocks, water, animals, rain, etc. without cutting the existing natural cycles. Land is a very complex matter, in which there is an interaction between the particles of soil, water, nutrients, gases, organic materials and living organisms. Change of a component would lead to changes in the other components. Bacteria, actinomycetes, fungi, algae, protozoa and nematodes are an important soil microorganisms. Of roughly one gram of fertile soil are: bacteria (106-109), protozoa (104-105), actinomycetes (105-106), algae (101103), and fungi (104-105). 1
In the heading to the concept above, it has done some positive steps with a touch of biological technology that is expected to increase agricultural productivity. Definitively biotechnology is as an attempt to utilize living organisms or parts thereof to make or modify products, improve plants or livestock production (agriculture) or to develop mirkoorganisme for special purposes. A very broad spectrum of food production involves fermentation, antibiotics, enzymes, alcohol, cell cultivation, waste management, oil refining, fertilizer, and so on. Level of development is known, there are four stages namely: a. Biotech fermentation; b. Biotech production of organic acids and biomass (citric acid, alcohol); c. Biotech chemicals in stiril conditions (antibiotics); and d. Biotech leading edge (molecular, gene engineering, etc.). In Indonesia is still at the first and second, while the next one just at the theoretical or in research institutes. Judging from its application in agriculture can be divided into three sections, namely: (1) The application of microbes, is by utilizing microorganisms to improve the efficiency of agricultural production. (2) Application of cells, including biotech and cell tissue culture in order to improve the plant material. (3) Applications molukuler in order to identify and character germplasm molecular level, including genetic engineering (DNA / RNA).
Microbial applications in increasing agricultural yields In the implementation of the concept in the field of agriculture are very broad in scope, and it will still continue to grow, if the discovery of new technologies that are simpler and cheaper. Some examples of applications a conception that had been done in a study by me together with the students in the laboratory of plant protection UB, among others are: a) The concept of IPM (Integrated Pest Management) .- This concept actually evolved from epidemiological rationale, ie, in nature there is a balance between three main elements: the host, pest / pathogen, and environmental (biotic and non-biotic). Not going to happen outbreak of pests / diseases occurred during the balance. With the interference by human technology that is not appropriate, often one of the elements disrupted (the use of pesticides that cause predators to die), then comes ourbreak. IPM concept gives the sense, when a person does control measures, and when not (especially chemicals); so nature is left as is. The use of natural enemies (predators, pathogens, parasites) is very beneficial in the implementation of the concept. Natural enemies not only of birds or other animals (spiders, wasps, crickets, bedbugs, etc.), But also the use of microorganisms such as fungi, bacteria and viruses. BT use a trade name for the bacterium Bacillus thuringiensis was effective in controlling larvae of Plutella maculipenis destroyer cabbage plants. Bacillus popilliae and B. lentimorbus has been widely used for pest control Japanese beetle (Popillia japonica) in North America. Metarrhizium anisopliae as a parasite for the larva Oryctes rhinoceros cause pest on palm leaves. Another type of fungi to control insect pests include Aspergillus, Septoria, Beauveria, Spicaria, and Isaria. Nuclear polyhedrosis virus can be used to control 2
armyworms while granulosis virus can attack the larvae of moths and butterflies. In America even been commercialized types of corn and cotton carrier BT gene (as transgenic plants) that are resistant to lepidoptera pests, because of its ability to produce a particular protein crystals that are toxic to the insect pest. Biotech can also be carried out on plant pathogens such as: control of wilt disease on tomatoes caused by the fungus Fusarium oxysporum f. lycopersici, can be reduced by soaking the roots will be planted in the liquid containing the fungus Cephalosporium sp .; on corn seedling damping by the fungus Fusarium roseum can be controlled by blanketing seed before planting with a solution of Bacillus subtilis or Chaetomium globosum; spraying fungal spores of Peniophora gigantae in liquid form on a piece of pine bark, may reduce attacks Fomus annosus that attack the roots. Our results in the laboratory have shown any indication that isolates of actinomycetes has potential as an antagonist in the control of some pathogens such as Sclerotium rofsii (cause damping-off in soybean), fusarium wilt in tomatoes, and yeast to control fruit rots on the apple. b) Biotechnology Mycorrhizae and Rhizobium.- To increase agricultural production, especially in the less fertile land, people tend to use chemical fertilizers because of fast reaction. Lately, this condition began to doubt it goes, because of its side effects. People began to look at the use of microorganisms engineered to create natural fertility. Mycorrhizal is a form of association between soil fungi and plant roots that helps to increase soil fertility because of its ability to help the plants absorb nutrients, particularly phosphorus in soil phosphorus is problematic. From the research it turned almost all types of plants inoculated mycorrhizal showed a high response to the growth and production. Of the several types tested increased production as follows: corn (22-90%), upland rice (22-35%), onion (37-104%), chili large (12-27%), beans (22- 35%). endomikoriza is very effective when cultured in bahia grass (Puspalum notatum), so as to farm it is excellent in improving animal feed. Until now, the author has managed to breed a biological fertilizer mycorrhizal and can be packaged in various forms such as tablets, granular, mix, and the capsule so easy in storage and transportation and has been tested on various commodities just as soybean, tomato, upland rice, chilli and so on premises encouraging results. On agricultural lands, especially in Java, which has been fostered by the weight of TSP, need to be mined with mycorrhizal fertilizers because many are adsorbed by the soil so it is not available to plants. Similarly nodule leguminose proved to be a form of association between Rhizobium soil bacteria with plant root cells greatly assist in the fixation of nitrogen from the air. When this type of bodies that had been able to be isolated and expanded in order to get the technology package in the form of "biological fertilizer" which does not cause environmental damage. With modern biotech turns of Rhizobium can be isolated the gene for fixation (nif genes) and genes for nodulation (nod genes), then tagged and transferred into plants to obtain transgenic plants capable of fixing natural N independently. For this last case the skills and equipment of laboratory in which we work is inadequate. In addition to microbes, plants such as blue green algae and Azolla can be used as a natural fertilizer because of its ability to fix N from the air in addition to adding other elements. 3
Propagation and effective types of search is relatively easier than the microorganism so as to allow it to develop a commercial scale. c) Decomposers Microbes have been known to be the most instrumental decomposers in the recycling of organic materials, either in solid or liquid medium. For example, contained in sludge using oxygen there will be activity of microbes that will decompose organic material. One microbe commonly used is Zoogloea ramigera, fungus taken from a slimy dirt, these microbes have a high power coagulation. In tropical regions where the dry season is relatively long, the role of microbes in particular that termophilic has the potential to be developed; unfortunately it has received less attention due to the lack of adequate development of technology.
POTENSI MIKROBA UNTUK MENINGKATKAN PRODUKSI TANAMAN Setelah Perang Dunia II revolusi penggunaan bahan kimia dalam bidang pertanian berkembang secara pesat dan intensif. Akibatnya muncullah masalah yang mengganggu kesehatan dan pencemaran terhadap lingkungan. Penggunaan pestisida BHC pada hijauan makanan ternak telah mengakibatkan terkontaminasinya rumputan yang berakibat buruk terhadap kualitas susu sapi yang terjadi sekitar tahun 1969 di Jepang. Demikian pula dengan DDT telah menyebabkan munculnya serangga (lalat rumah) menjadi kebal sehingga untuk membasminya diperlukan peningkatan dosis yang akan menjadi berbahaya bagi manusia. Dengan kasus-kasus serupa itu, maka muncullah kemudian isu lingkungan yang bersentral pada sebuah buku berjudul "Silent Spring" yang ditulis oleh Rachel L. Carson. Buku tersebut memberikan peringatan tentang dampak bahan kimia dalam pertanian terhadap lingkungan dan ekosistem. Contoh klasik adalah masuknya teknologi pertanian di Indonesia dalam bentuk paket teknologi usaha tani (sistem irigasi, bercocok tanam, pengendalian hama-penyakit, varietas unggul dan pengolahan tanah) di pedesaan yang dimulai pada tahun 60-an telah merubah kondisi suatu kawasan dari kondisi alaminya. Introduksi bibit unggul varietas padi PB5 dan PB8 pada tahun 70-an telah menyebabkan munculnya penyakit kresek (Xanthomonas oryzae). Penggunaan berbagai jenis pestisida pada tanaman padi dan palawija telah memunculkan jenis biotipe hama baru (wereng) yang resisten, sehingga terbitnya Inpres Presiden untuk menarik 50 jenis pestisida dari pasaran. Penggunaan pupuk kimiawi (buatan) telah menyebabkan mundurnya kesuburan tanah karena munculnya akumulasi bahan kimia yang tidak terurai. Demikian seterusnya terhadap kualitas reservoir air seperti sungai, sumur dan danau yang tercemar limbah buangan aktivitas pertanian. Untuk mengatasi hal tersebut saat ini manusia mulai menyadari arti pentingnya kembali ke alam (back to nature). Filosofis ini menyebabkan orang mulai berfikir bagaimana caranya agar supaya alam mampu menetralisir dirinya terhadap pencemar yang ada. Disisi lain manusia menyadari bahwa dirinya adalah bagian dari alam sehingga ia 4
harus hidup berdampingan dengan cacing, serangga, batu, air, ternak, hujan, dsb tanpa memotong siklus alam yang ada. Tanah merupakan suatu bahan yang sangat komplek, padanya terdapat suatu interaksi antara partikel-partikel tanah, air, nutrisi, gas, bahan-bahan organik dan organisme hidup. Perubahan dari suatu komponen akan menyebabkan terjadinya perubahan pada komponen yang lain. Bakteri, actinomycetes, jamur, algae, protozoa dan nematoda adalah merupakan mikroorganisme tanah yang penting. Dari perhitungan kasar pada satu gram tanah subur terdapat : bacteri (106 – 109), protozoa (104 – 105 ), actinomycetes (105 – 106 ), algae (101 – 103 ), dan jamur (104 – 105 ). Dalam menuju pada konsep di atas sekarang telah dilakukan beberapa langkah positif dengan sedikit sentuhan teknologi yang diharapkan mampu memacu tingkat produktivitas pertaniannya. Konsep yang akhir-akhir berkembang pesat adalah yang disebut dengan bioteknologi. Secara definitif bioteknologi adalah sebagai suatu usaha dengan memanfaatkan organisme hidup atau bagiannya untuk membuat atau modifikasi produk, meningkatkan produksi tanaman atau ternak (dalam bidang pertanian) atau untuk mengembangkan mirkoorganisme untuk tujuan khusus. Spektrumnya sangat luas menyangkut produksi pangan fermentasi, antibiotika, enzim, alkohol, kultivasi sel, pengendalian limbah, pemurnian minyak, pemupukan, dan sebagainya. Tingkat perkembangannya dikenal ada empat tahapan yakni: a. Biotek fermentasi; b. Biotek produksi asam-asam organik dan biomas (asam sitrat, alkohol); c. Biotek bahan kimia dalam kondisi stiril (antibiotika); dan d. Biotek mutahir (molekuler, rekayasa gen, dll.). Di Indonesia baru pada tingkat pertama dan kedua, sedangkan yang berikutnya baru dalam tahap teoritis atau dalam lembaga penelitian. Dilihat dari aplikasinya dalam bidang pertanian dapat dibedakan atas tiga bagian, yakni: (1) Aplikasi jasad mikro, ialah dengan memanfaatkan jasad renik untuk meningkatkan efisiensi produksi pertanian. (2) Aplikasi seluler, termasuk didalamnya biotek kultur jaringan dan sel dalam rangka perbaikan bahan tanaman. (3) Aplikasi molukuler dalam rangka identifikasi dan karakter plasma nutfah tingkat molekuler, termasuk di dalamnya rekayasa genetik (DNA/RNA). Aplikasi konsep pemanfaatan mikroba Dalam pelaksanaan konsepsi tersebut di bidang pertanian cakupannya sangat luas dan masih akan berkembang terus apabila adanya ditemukannya teknologi baru yang lebih sederhana dan murah. Beberapa contoh aplikasi konsepsi yang selama ini telah dilakukan dalam skala penelitian oleh saya bersama para mahasiswa di laboratorium Proteksi tanaman Universitas Brawijaya, antara lain adalah: a) Konsep PHT (Pengendalian Hama Terpadu).- Konsep ini sebenarnya berkembang dari dasar pemikiran epidemiologi, yakni di alam terjadi keseimbangan antara tiga unsur utama: 5
inang, hama/patogen, dan lingkungan (biotis dan non biotis). Tidak akan terjadi outbreak hama/ penyakit selama keseimbangan terjadi. Dengan gangguan teknologi manusia sering salah satu unsur terganggu (penggunaan pestisida yang menyebabkan predator mati) maka muncullah ourbreak. Konsep PHT memberikan pengertian kapan seseorang melakukan tindakan pengendalian dan kapan tidak (khususnya bahan kimia), sehingga alam dibiarkan apa adanya. Penggunaan musuh alami (predator, patogen, parasit) sangat besar manfaatnya dalam operasinalisasi konsep tersebut. Musuh alami bukan hanya jenis burung-burungan atau khewan lainnya (laba-laba, tabuhan, jangkrik, kepinding, dsb.), namun juga pemanfaatan jasad renik seperti jamur, bakteri dan virus. Penggunaan BT suatu nama perdagangan untuk bakteri Bacillus thuringiensis ternyata efektif dalam mengendalikan larva Plutella maculipenis perusak tanaman kubis. Bacillus popilliae dan B. lentimorbus telah digunakan secara luas untuk mengendalikan hama kumbang jepang (Popillia japonica) di Amerika Utara. Larva hama kuwangwung (Oryctes rhinoceros) pada daun kelapa dapat diparsitir jamur Metarrhizium anisopliae jenis jamur lain untuk mengendalikan hama serangga antara lain Aspergillus, Septoria, Beauveria, Spicaria, dan Isaria. Virus Nuclear polyhedrosis dapat digunakan untuk mengendalikan ulat grayak sedangkan Virus Granulosis dapat menyerang larva ngengat dan kupu-kupu. Di Amerika malah telah dikomersialkan jenis tanaman jagung dan kapas pembawa gen BT (sebagai transgenik plants) yang tahan terhadap hama lepidoptera, karena kemampuannya menghasilkan kristal protein tertentu yang bersifat toksik bagi hama serangga tersebut. Biotek dapat juga dilakukan pada patogen tanaman seperti: pengendalian penyakit layu pada tomat oleh jamur Fusarium oxysporum f. lycopersici dapat ditekan dengan menyelup akar yang sakit dalam cairan mengandung jamur Cephalosporium sp.; penyakit rebah semai pada jagung oleh jamur Fusarium roseum dapat dikendalikan dengan menyelimuti biji sebelum ditanam dengan larutan bakteri Bacillus subtilis atau jamur Chaetomium globosum; pemberian spora jamur Peniophora gigantae dalam bentuk cair pada potongan batang pinus dapat mengurangi serangan Fomus annosus yang menyerang akar. Hasil penelitian kami dalam skala laboratorium telah menunjukkan adanya indikasi bahwa isolat-isolat Actinomycetes memiliki potensi sebagai antagonis dalam pengendalian beberapa patogen seperti Sclerotium rofsii (penyebab damping-off pada kedelai), layu fusarium pada tomat, dan yeast untuk mengendalikan busuk buah pada apel. b) Bioteknologi Mikoriza dan Rhizobium.- Untuk meningkatkan produksi pertanian, khususnya pada lahan kurang subur orang cenderung menggunakan pupuk buatan kimiawi karena reaksinya cepat. Akhir-akhir ini kondisi ini mulai diragukan kelanjutannya karena dampak sampingannya. Orang mulai menengok pada rekayasa pemanfaatan jasad renik untuk menciptakan kesuburan alamiah. Mikoriza yang merupakan bentuk asosiasi antara jamur tanah dan akar tanaman ternyata sangat membantu dalam peningkatan kesuburan tanah karena kemampuannya membantu tanaman dalam menyerap unsur hara, khususnya fosfor pada tanah yang bermasalah fosfor. Dari penelitian penulis, ternyata hampir semua jenis tanaman yang diinokulasi mikoriza menunjukkan respon yang tinggi pada pertumbuhan dan produksinya. Dari beberapa jenis yang diuji peningkatan produksi sebagai berikut: jagung (22-90 %), padi gogo (22-35 %), bawang merah (37-104 %), cabai besar (126
27 %), kacang panjang (22-35 %). (Pada jenis endomikoriza jamur tersebut sangat efektif bila dibiakan pada rumput bahia (Puspalum notatum), sehingga untuk peternakan hal ini sangat baik sekali dalam meningkatkan pakan ternak. Sampai saat ini penulis telah berhasil membiakan pupuk hayati mikoriza ini dan dapat dipaket dalam berbagai bentuk seperti tablet, granuler, campuran, dan kapsul sehingga mudah dalam penyimpanan dan transportasi dan telah diuji cobakan pada berbagai komoditas sperti kedelai, tomat, padi gogo, cabai dan sebagainya denga hasil yang cukup menggembirakan. Perlu kiranya hal ini dicobakan pada tanah-tanah pertanian khususnya di Jawa yang selama ini dipupuk berat dengan TSP ditambang kembali dengan pupuk mikoriza karena banyak yang terjerap oleh tanah sehingga tak tersedia bagi tanaman. Demikian pula bintil akar leguminose ternyata merupakan bentuk asosiasi antara bakteri tanah Rhizobium dengan sel akar tanaman sangat membantu dalam fiksasi nitrogen dari udara bebas. Saat ini jenis jasad tersebut telah mampu diisolasi dan dikembangkan sehingga didapat paket teknologi berupa "pupuk hayati" yang tidak menyebabkan pencamaran lingkungan. Dengan biotek modern ternyata dari rhizobium dapat diisolasi adanya gen untuk fiksasi (gen nif) dan gen untuk nodulasi (gen nod), kemudian diciri dan ditransfer dalam tanaman untuk mendapatkan tanaman transgenik yang mampu memfisasi N alami secara mandiri. Untuk hal terakhir ini ketrampilan dan peralatan laboratorium di tempat kami bekerja kurang memadai. Selain jazad renik, tanaman seperti blue green algae dan azolla dapat dimanfaatkan sebagai pupuk alamiah karena kemampuannya memfiksasi N dari udara disamping menambah unsur lainnya. Perbanyakan dan pencarian jenis yang efektif relatif lebih mudah dibandingkan jasad renik sehingga untuk skala komersial memungkinkan untuk dikembangkan. c) Dekomposer Jasad mikro telah diketahui merupakan dekomposer paling berperan dalam daur ulang bahan organik, baik dalam medium padat maupun cair. Misalnya yang ada dalam sludge dengan menggunakan oksigen maka akan terjadi aktifitas mikroba yang akan mendekomposisi bahan organik. Salah satu jasad mikro yang sering digunakan adalah Zoogloea ramigera, sejenis jamur yang diambil dari suatu kotoran berlendir, jasad ini mempunyai daya koagulasi yang tinggi. Di daerah tropis dimana musim kering relatif panjang, peranan mikroba khsusnya yang termophilic punya potensi untuk dikembangkan; sayangnya hal ini kurang mendapatkan perhatian disebabkan belum berkembangnya teknologi yang memadai.
7
