PEMULIAAN TANAMAN DENGAN TEKNIK MUTASI DAN BIOTEKNOLOGI

PEMULIAAN TANAMAN DENGAN TEKNIK MUTASI DAN BIOTEKNOLOGI Yuliasti Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) Jl. Lebak Bulus Raya No. 9 Jakarta Email: [email protected] Pemuliaan Tanaman meliputi: pembentukan keragaman genetik (sebagai populasi dasar/bahan dasar proses pemuliaan tanaman sebagai materi untuk seleksi dan bahan persilangan), dan seleksi dengan melakukan pengujian-pengujian individu-individu yang kualitasnya unggul sebelum varietas baru dilepas. Peningkatan keragaman genetik dapat dilakukan melalui introduksi, hibridisasi, seleksi, bioteknologi dan mutasi. Mutasi adalah perubahan yang terjadi secara tiba-tiba dan acak pada materi genetik (genom, Kromosom, gen) serta dapat diwariskan. Mutasi yang terjadi dapat diwariskan dan dapat kembali normal (epigenetik). Induksi mutasi merupakan salah satu cara untuk meningkatkan keragaman genetik tanaman. Mutagen atau alat mutasi artifisial dibedakan atas dua kelompok yaitu mutagen fisik dan mutagen kimia. Mutagen fisik adalah radiasi ion yang meliputi sinar X, sinar gama, neutron, partikel beta, partikel alfa, dan proton. Sinar gama sangat luas digunakan dalam pemuliaan tanaman (Lestari, 2012). Radiasi ion mengakibatkan mutasi, yakni merombak/memecah rantai kimia pada molekul DNA, delesi ikatan nukleotida, atau terjadinya subsitusi ikatan nukleotida. Sinar gama merupakan radiasi elektromagnetik yang diproduksi oleh radio isotop dan rektor nuklir, contohnya Co60 dan Ce 137 . Mutagen kimia pada umumnya berasal dari senyawa kimia yang memiliki gugus alkil seperti etil metan sulfonat (EMS), dietil sulfat (DES), metil metan sulfonat (MMS), hidroksil amina, dan nitrous acid. Mutasi secara kimia dapat diaplikasikan tanpa membutuhkan peralatan yang lengkap, namun keberhasilannya lebih rendah dibandingkan dengan mutasi secara fisika (Acquaah, 2007; Soeranto, 2003) Perakitan varietas baru melalui mutasi telah berkembang luas, negara paling banyak menghasilkan varietas baru adalah Asia, Amerika, Eropa, diikuti Rusia, Belanda dan Jepang. Adapun tanaman pangan paling banyak dikembangkan adalah pada padi. Pada tanaman hortikultura seperti tanaman hias pengembangan varietas baru hasil mutasi menduduki jumlah terbanyak, karakter baru yang diperoleh antara lain mutu hasil, rasa, warna dan ukuran serta toleransi terhadap cekaman biotik maupun abiotik. Berdasarkan tipe struktur

perubahannya, mutasi diklasifikasikan atas: (1) mutasi genomik yang menyebabkan perubahan jumlah kromosom (poliploid, haploid, aneu ploid), (2) mutasi kromosom, yaitu teradinya perubahan struktur kromosom (defisiensi, inversi, duplikasi,dan translokasi kromosom), (3) mutasi gen, yaitu perubahan pada urutan basa nukleotida karena terjadi delesi atau substitusi, dan (4) mutasi diluar inti sel, yaitu yang terjadi pada cytoplasmic genome. (Acquaah, 2007). Induksi mutasi menggunakan iradiasi menghasilkan mutan paling banyak (sekitar 75%) bila dibandingkan menggunakan perlakuan lainnya seperti

mutagen kimia.

Keuntungan menggunaan sinar gamma adalah dosis yang digunakan lebih akurat dan penetrasi penyinaran ke dalam sel bersifat homogen. Sedangkan keuntungan menggunakan mutagen kimia adalah laju mutasinya tinggi, dan didominasi mutasi titik. Perubahan yang ditimbulkan karena pemberian mutagen baik fisik maupun kimia dapat terjadi pada tingkat genom, kromosom, dan DNA. Mutasi dibedakan menjadi mutasi kecil (mutasi gen) dan mutasi besar (mutasi kromosom). Mutasi kecil adalah perubahan yang terjadi pada susunan molekul gen (DNA), sedangkan lokus gennya tetap. Mutasi jenis ini menimbulkan alela. Sedangkan mutasi besar adalah perubahan yang terjadi pada struktur dan susunan kromosom. Mutasi gen disebut juga mutasi titik. Mutasi ini terjadi karena perubahan urutan basa pada DNA atau dapat dikatakan sebagai perubahan nukleotida pada DNA. Mutasi Kromosom, kromosom merupakan struktur didalam sel berupa deret panjang molekul yang terdiri dari satu molekul DNA yang menghubungkan gen sebagai kelompok satu rangkaian. Kromosom memiliki dua lengan, yang panjangnya kadangkala sama dan kadangkala tidak sama, lengan-lengan itu bergabung pada sentromer (lokasi menempelnya benang spindel selama pembelahan mitosis dan meiosis. Pengaruh bahan mutagen, khususnya radiasi, yang paling banyak terjadi pada kromosom tanaman adalah pecahnya benang kromosom (Chromosome breakage atau chromosome aberration). Mutasi kromosom meliputi perubahan jumlah kromosom dan perubahan struktur kromosom mutasi pada tingkat kromosom disebut aberasi. Peristiwa mutasi yang mengakibatkan terjadinya pertukaran rantai basa DNA sehingga akan menimbulkan perubahan terhadap sifat fenotipik ataupun genotipik (Chahal dan Gosal, 2006). Teknologi nuklir mempunyai peran utama dalam pemuliaan tanaman terkait dengan kemampuannya untuk menginduksi mutasi pada materi genetik. Kemampuan tersebut dimungkinkan karena nuklir memiliki energi cukup tinggi yang dapat menimbulkan perubahan pada struktur atau komposisi materi genetik tanaman. Perubahan tersebut terjadi secara mendadak, acak, dan diwariskan pada generasi berikutnya. Pada tingkat

tertentu, mutasi dapat menimbulkan ragam genetik yang berguna dalam pemuliaan tanaman,

tetapi perubahan genetik itu bukanlah

disebabkan perubahan

rekombinasi.

Pemuliaan mutasi dapat digunakan untuk mendapatkan varietas unggul dengan perbaikan beberapa sifat saja tanpa merubah sebagian besar sifat baiknya (Soeranto, 2003). Bahan genetik yang akan diiradiasi umumnya adalah benih (biji) maka kisaran dosis yang efektif lebih tinggi dibandingkan jika dilakukan pada bagian tanaman lainnya. Semakin banyak kadar oksigen dan molekul air (H2O) dalam materi yang diiradiasi, maka akan semakin banyak pula radikal bebas yang terbentuk sehingga tanaman menjadi lebih peka. Radiosensitivitas dapat diukur berdasarkan nilai lethal dose 50 (LD50), yaitu tingkat dosis yang menyebabkan kematian 50% dari populasi tanaman yang diiradiasi. Dosis optimum dalam induksi mutasi yang menimbulkan keragaman dan menghasilkan mutan terbanyak biasanya terjadi di sekitar LD50. Selain LD50, radiosensitivitas juga dapat diamati dari adanya hambatan pertumbuhan atau kematian (letalitas), mutasi somatik, patahan kromosom, serta jumlah, dan ukuran kromosom (Herison, 2008). Tanaman mutan hasil iradiasi, selain dilihat LD50nya pada generasi M1, tanaman mutan juga dapat diidentifikasi pada tingkat DNA dengan menggunakan marka molekuler seperti SSR, baik pada populasi M 1 ataupun pada generasi berikutnya (Asadi, 2011). Keragaman genetik sebagai akibat dari mutasi dapat diidentifikasi secara morfologi, agronomi, dan olekuler (Mudibu et al., 2012; Ramani et al ., 1991). Marka molekuler yang saat ini banyak digunakan secara luas adalah marka simple sequence repeats (SSR) dan sequence tagged sites (STS) (Chawla, 2002). SSR merupakan sekuen berulang yang jumlahnya melimpah pada genom semua organisme eukariotik (Chawla, 2002). SSR secara tandem terdiri atas 1–5 nukleotida yang jumlah pengulangannya memperlihatkan perbedaan genetika antar individu (Ghislain et al., 2004). Kelebihan marka ini adalah bersifat kodominan, mampu mendeteksi keragaman alel yang tinggi, berdasarkan teknik PCR, dan tidak perlu penggunaan radioisotop yang berbahaya karena ukuran polimorfisme di antara alel-alel cukup besar sehingga dapat terlihat pada gel agarosa (Chawla, 2002). Penggunaan marka SSR dalam mengidentifikasi keragaman genetika pada tanaman telah banyak dilakukan, antara lain pada tanaman galur mutan harapan kacang hijau dan galur mutan harapan kedelai (Yuliasti et al 2015, sedang proses terbit 2016), tomat ( Ruiz et al., 2005), dan jarak pagar (Saptadi et al., 2011). STS merupakan marka yang penting untuk mengonversi peta genetika menjadi peta fisik dan mampu mengisolasi gen yang spesifik berdasarkan informasi sekuen (Brar, 2002). Kelebihan marka ini menurut Bahagiawati (2011) antara lain bersifat kodominan, reproduksibilitas lebih tinggi dibanding dengan RAPD,

mampu mendeteksi polimorfisme, dan menghasilkan amplifikasi yang stabil dan berulangulang. Penggunaan marka STS telah dilakukan oleh Sanchez et al. (2000) untuk menyeleksi tiga gen terpaut ketahanan hawar bakteri pada padi. lnduksi mutasi tanaman menggunakan mutagen dapat mengubah satu atau lebih sifat-sifat atau karakter tertentu pada tanaman dalam upaya memperbaiki mutu tanaman. Kultur in vitro dapat meningkatkan efisiensi teknik dan mempercepat program pemuliaan tanaman melalui pembentukan keragaman diikuti seleksi dan multiplikasi genotipe yang diperoleh. Pada tanaman yang diperbanyak secara vegetatif, kombinasi perlakuan mutasi dan variasi somaklonal sangat efektif dalam program pemuliaan tanaman. Pada tanaman yang diperbanyak melalui biji, kombinasi dengan kultur antera untuk pembentukan tanaman dihaploid sangat menjanjikan. Teknik tersebut dapat mempersingkat program pemuliaan, karena dari keragaman dalam populasi yang ada dapat dilakukan seleksi dan pembentukan genotipe dihaploid serta multiplikasi pada genotipe terpilih yang diinginkan. Menurut Ahloowalia etal ., 2004;Maluszynski dkk. (1995), untuk mendapatkan mutan solid, iradiasi dapat dilakukan pada kalus, embrio somatik, suspensi sel atau protoplast. Dalam pemuliaan mutasi (mutation breeding) in vitro, tipe regenerasi tanaman yang baku sangat penting dalam upaya memperoleh mutan utuh. Untuk mendapatkan mutan utuh, dikembangkan tipe regenerasi organogenesis langsung (pembentukan tunas langsung dari eksplan daun), organogenesis tidak langsung (pembentukan tunas melalui kalus nodular), perkecambahan biji (Qosim, 2006). Teknik mutasi dikombinasikan dengan kultur in vitro telah dikembangkan dan telah menghasilkan berbagai varietas unggul untuk ketahanan terhadap cekaman biotic maupun abiotik. Keragaman yang dihasilkan pada sel somatic disebut dengan keragaman somaklonal. Ada beberapa pendekatan yang dapat dilakukan untuk mendapatkan variasi somaklonal yaitu: 1. Menumbuhkan kalus atau suspensi sel pada beberapa siklus. 2. Meregenerasikan tanaman dalam jumlah besar dari kultur yang telah mengalami siklus yang lama. 3. Skrening/seleksi untuk sifat tertentu pada tanaman hasil regenerasi atau turunannya, melalui seleksi in vitro menggunakan cekaman seperti cekaman biotik atau abiotik , herbisida, garam dll. 4. Pengujian dan seleksi varian sampai generasi lanjut pada sifat yang diinginkan. 5. Perbanyaan pada mutan yang sudah stabil untuk mendapatkan genotipe baru. Komponen penting yang harus dikuasai dalam penerapan metoda keragaman somaklonal dan induksi mutasi adalah dikuasainya teknik regenerasi tanaman. Sistim regenerasi tanaman yang efisien sangat diperlukan untuk meregenerasikan populasi sel/kalus yang telah diberi perlakuan keragaman somaklonal dan mutasi. Berbagai hasil penelitian

menunjukkan bahwa metoda regenerasi yang digunakan pada varietas tertentu serigkali tidak berhasil diterapkan pada varietas lainnya walaupun dalam species yang sama. Regenerasi kedelai secara in vitro dapat dilakukan melalui embriogenesis somatik ( Yuliasti seminar Nasional 2016 Balitkabi, belum terbit) Berbagai bagian tanaman dapat digunakan, antara lain kotiledon muda, daun, batang, embrio muda dan anter.. Regenerasi kedelai melalui embriogenesis somatik merupakan proses yang panjang dan sangat tergantung kepada genotipe yang digunakan. Keberhasilan regenerasi kedelai melalui embriogenesis somatik dipengaruhi oleh berbagai faktor. Efisiensi sistim kultur embriogenik dan pengurangan waktu kultur telah dilaporkan untuk meningkatkan efisiensi regenerasi. Selanjutnya juga dilaporkan adanya perbedaan potensi regenerasi dari 15 kultivar kedelai melalui embriogenesis somatik. Seleksi in vitro digunakan untuk mengembangkan tanaman toleran terhadap cekaman abiotik seperti toleran terhadap cekaman kekeringan, cekaman temperatur rendah (dingin) dan panas, cekaman aluminium serta cekaman salinitas (Bajji et al. 2004). Seleksi in vitro lebih efesien dan hasilnya dapat dipertanggung jawabkan, karena melalui seleksi in vitro jutaan sel dapat diseleksi dengan hanya menggunakan beberara botol kultur atau petridisk, sedangkan seleksi di lapang harus menggunakan beratus- ratus tanaman yang diuji pada areal yang lebih luas, selain itu sel eksi in vitro tidak terlalu dipengaruhi oleh lingkungan serta memungkinkan melakukan seleksi pada tingkat sel (Biswas et al. 2002). Batan telah melakukan seleksi in vitro untuk mendapatkan tanaman yang toleran terhadap cekaman Aluminium menggunakan Al Cl3 sebagai agen seleksi. Dari hasil penelitian ini diperoleh 2 galur mutan kedelai yang toleran terhadap Aluminium ( Yuliasti at all 2011). Seleksi kekeringan galur mutan M3 secara in vitro menggunakan PEG 20% sebagai agen seleksi telah memperoleh beberapa galur mutan kedelai M3 yang toleran terhadap kekeringan ( belum terbit).

Hasil penelitian

Farid hemon menunjukkan dosis sinar Gamma dapat mempengaruhi pertumbuhan embrio somatik kacang tanah. Semakin tinggi dosis sinar Gamma yang digunakan maka semakin menghambat pertumbuhan ES kacang tanah. Penggunaan dosis mulai 15 Gy masih memberikan pertumbuhan ES yang balk dibandingkan dengan dosis di atasnya. 2. Kalus embriogenik yang diiradiasi dengan sinar Gamma dosis 15 Gy dan 20 Gy menunjukkan kemampuan proliferasi ES, rataan ES per eksplan. dan total ES tertinggi ketika diseleksi dalam media selektif PEG 15% dan terendah pada kalus embriogenik tanpa iradiasi dan dosis tertinggi (25 Gy). Kalus embriogenik tanpa perlakuan (0 Gy) menunjukkan persentase penurunan total ES terbesar ketika dalam media selektif PEG 15%. Di China dan Korea kombinasi kultur in vitro dan mutagen fisik merupakan salah satu program yang diprioritaskan untuk dikembangkan (Yunchang dan Liang 1997; Yi 1997).

Dilaporkan pula bahwa kombinasi kedua perlakuan tersebut lebih efektif dan efisien dibandingkan dengan perlakuan tunggal. Beberapa tanaman hasil mutasi kombinasi yang telah dilepas antara lain pada mawar Rosmarum,Yulikara dan Rosanda oleh Balithi dan pada tanaman nilam dengan nama Patchouly 1 dan 2 oleh Balitro. Galur mutan hasil keragaman somaklonal pada tanaman nilam, pisang, kedelai, gandum dan padi untuk toelransi terhadap kekeringan, ketahanan terhadap fusarium, dan umur genjah sedang dalam taraf pengujian di BB Biogen (Endang Gati Lestari).

DAFTAR PUSTAKA

A. Farid Hemon. 2009. Induksi Mutasi Dengan Iradiasi Sinar Gamma Dan Seleksi In Vitro Untuk Mendapatkan Embrio Somatik Kacang Tanah Yang Toleran Polietilena Glikol Jurnal Agrotropika 14(2): 67 – 72. Acquaah, G. 2007. Principles of Plant Genetics and Breeding. Blackwell Publishing. USA, UK, Australia. 569 p. Ahloowalia, B.S., M. Maluszynski, and K. Nichterlein. 2004. Global impact of mutationderived varieties. Euphytica 135:187-204. Asadi, 2013. Pemuliaan Mutasi untuk Perbaikan terhadap Umur dan Produktivitas pada Kedelai Jurnal AgroBiogen 9(3):135-142. Asadi. 2011. Peran sumberdaya genetik pertanian bagi pemuliaan mutasi.hlm. 242-257. Dalam Mugiono, D. Sopandi, S. Hudiyono, N. Kuswandi, Z. Irawati, P. Sidauruk, H. Winarno, Sobrizal, dan R. Chosdu (eds.) Prosiding Simposium dan Pameran Teknologi Aplikasi Isotop dan Radiasi. Batan , Jakarta. Bahagiawati. 2011. Peran markah molekuler dalam pemuliaan tanaman. Sinar Tani Edisi 16– 22 Maret 2011, No. 3397, Tahun XLI. Brar, D.S. 2002. Molecular marker assisted breeding. In S.M. Jain, D.S. Brar, and B.S. Ahloowalia (eds.) Molecular Techniques in Crop Improvement. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherland. p. 55–83. Chahal, G.S. and S.S. Gosal. 2006. Mutation Breeding. In Principles and Procedure of plant breeding. Biotechnology and Conventional Approaches. Alpha Sicence International; Ltd. 604 p. Chawla, H.S. 2002. Introduction to plant biotechnology. 2nd edition. Science Publishers, Inc. New Hampshire, US. Endang G. Lestari, 2012, Combination of Somaclonal Variation and Mutagenesis for Crop Improvement Jurnal AgroBiogen 8(1):38-4. Herison, C., Rustikawati, H. Sujono, Sutjahyo, dan S.I Aisyah. 2008. Induksi mutasi melalui iradiasi sinar gama terhadap benih untuk meningkatkan keragaman populasi dasar jagung (Zea mays L.). J. Akta Agrosia 11(1):57-62. Lestari, E.G. 2012. Combination of somaclonal variation and mutagenesis for crop improvement. J. Agro Biogen 8(1):38-44. Mudibu, J., K.K.C. Nkongolo, A. Kalonji-Mbuyi, and V.K. Roger. 2012. Effect of gamma irradiation on morpho agronomic characteristics of soybean soybean (Glycinemax L.). Am. J. Plant Sci. 3:331-337.

Ruiz, J.J., S. Garcia-Martinez, B. Pico, M. Gao, and C.F. Quiros. 2005. Genetic variability and relationship of closely related spanish traditional cultivars of tomato as detected by SRAP and SSR markers. J. Am. Soc. Hort. Sci. 130(1):88–94. Saptadi, D., R.R.S. Hartati, A. Setiawan, B. Heliyanto, dan Sudarsono. 2011. Pengembangan marka simple sequence repeat untuk Jatropha spp. J. Littri 17(4):140–149. Soeranto, H. 2003. Peran iptek nuklir dalam pemuliaan untuk mendukung industri pertanian. hlm. 308-316. Yi, Le. 1997. Development of genetic resources by in vitro application of radiation. Proc. Seminar on Mutation Breeding in Oil and Industrial Crops for Regional Nuclear Cooperation in Asia. RDA, STA, Most and JAIF. 12-18 Oct. Suwon, Korea. Yuliasti and Sudarsono Responses of Soybean Mutant Lines to Aluminium under In Vitro and In Vivo Condition . Atom Indonesia Vol. 37 No. 2 (2011) 126 Yuliasti1and Reflinur, Evaluation of Mungbean Mutant Lines to Drought Stress and Their Genetic Relationships Using SSR Markers Atom Indonesia Vol. 41 No. 3 (2015) 161 – 167. Yunchang, Li and Qu Liang. 1997. A review and prospect on mutation breeding of oil crops in China. Proc. Seminar on Mutation Breeding in Oil and Industrial Crops for Regional Nuclear Cooperation in Asia. RDA, STA, Most, and JAIF. 12-18 Oct. Suwon, Korea.