PENDAHULUAN
Formatted: Different first page header
1 Latar belakang Padi (Oryza sativa L.) merupakan salah satu tanaman pangan pokok penting dunia yang dikonsumsi oleh sekitar tiga miliar penduduk dunia. Di Indonesia padi merupakan tanaman yang bernilai strategis karena lebih dari 50% dari total kalori penduduk Indonesia berasal dari padi (beras). Oleh karena itu Faktor tersebut yang menyebabkan padi dibudidayakan secara intensif baik melalui usaha intensifikasi maupun ekstensifikasi. Dua dari 23 spesies genus Oryza yaitu Oryza O. sativa dan Oryza glaberrima merupakan spesies yang dibudidayakan sejak lama (Ge et al. 1999).
Di Indonesia, produksi padi
ditingkatkan dari tahun ke tahun, dari 1.76 ton/ha pada tahun 1961 menjadi 4.57 ton/ha pada tahun 2005. Sejumlah kultivar dari spesies ini telah dikembangkan pada lahan budidaya sawah antara lain melalui penggunaan IR36 pada tahun 1976, PB 42 dan Cisadane di tahun 1980, IR64 padasaat tahun 1985, dan Mamberamo pada tahun 1995. Usaha intensifikasi dengan penggunaan kultivar-kultivar tersebut merupakan salah satu faktor yang mengantarkan Indonesia pada swasembada beras pada Seiring dengan berjalannya waktu, usaha intensifikasi dengan
Formatted: Spanish (Mexico)
kultivar terbatas, dandan luasan lahan sawah yang tetap tidak dapat memenuhi
Formatted: Spanish (Mexico)
tahun 1984.
kebutuhan konsumsi beras di Indonesia yang terus meningkat. Konsumsi beras di Indonesia pada tahun 2000 mencapai 30.8 juta ton dan diprediksi pada tahun 2020 akan menjadi 42.3 juta ton. Dengan kondisi tersebut, Indonesia harus mengimpor beras untuk mencukupi kebutuhan beras nasional. Impor beras pada akhir 2005 telah mencapai 70 ribu ton (BPS 2005).. Jika produksi beras nasional konstan tiap tahun dan lahan pertanian sekitar 0.1 juta ha, maka untuk mencukupi kebutuhan beras tersebut diperlukan lahan baru sekitar 600 juta (BPS, 2005). Pada saat ini lahan sawah sudah jenuh oleh sistem pertanaman yang sudah ada, sehingga upaya untuk meningkatkan produksi padi nasional sebaiknya diarahkan pada areal tanam di lahan-lahan marginal dengan sistem pertanian padi padi lahan kering, gogo, dan gogorancah (perpaduan sistem gogo dan sawah). Masalahnya, lahan-lahan marginal yang ada biasanya mempunyai kendala dalam
2
ketersediaan air yang berpotensi untuk terpaparnya tanaman padi oleh kondisi kekeringan. Kira-kira 90% budidaya padi dipengaruhi oleh kekeringan yn.ang dapat
Formatted: Spanish (Mexico)
Terpaparnya padi oleh kondisi kekeringan bisa berakibat pada menurunnya
Formatted: Spanish (Mexico)
produktivitas. Untuk menjaga produktivitas padi di lahan-lahan tersebut perlu dikembangkan
kultivar
yang
beradaptasi
dengan
lahan
kering
Formatted: Spanish (Mexico)
dan
bermenghasilkan produksi tinggi. Pemuliaan konvensional dengan bantuan marka molekular atau melalui rekayasa genetika telah dikembangkan untuk mendapatkan varietas padi tahan kekeringan (O’toole 2004). Caranya adalah dengan mengintroduksi sifat tahan kering melalui protein fungsional dengan tujuan mengatur dan melindungi metabolisme sel padi serta mendetoksifikasi senyawa beracun selama tanaman padi tercekam terpapar kekeringan. Pendekatan lain yang potensial untuk dikembangkan guna mendapatkan padi tahan kekeringan adalah dengan mengontrol gen protein regulator yaitu gen protein yang berperan dalam mengatur ekspresi protein gen fungsional. Dengan mengontrol gen protein regulator diharapkan dapat mengatur ekspresi sejumlah gen protein fungsional atau regulator lain yang berada di bawah kendali gen protein regulator tersebut. Salah satu keluarga gen protein regulator yang hanya terdapat pada tanaman adalah gen yang mengkode protein homeodomain leucine zipper (HD-Zip). Protein HD-Zip dicirikan oleh adanya homeodomain yang berdampingan langsung dengan motif leusin zipper. yang berulang. Protein HDZip merupakan faktor transkripsi yang memiliki peran penting pada tanaman dalam merespon sinyal lingkungan (Schena et al. 1993), termasuk salah satunya sinyal terhadap kekeringan. Berkaitan dengan tanaman padi, sejumlah gen HD-Zip padi telah diidentifikasi (Meijer et al. 2000). Salah satu gen dari famili HD-Zip II padi, yaitu gen Oshox1 diperkirakan berfungsi dalam perkembangan tanaman antara lain sebagai penentu spesifikasi sel pada perkembangan jaringan pembuluh (Scarpella et al. 2000; Scarpella et al. 2002). Walaupun demikian, respon gen-gen HD-Zip padi pada saat mengalami cekaman abiotik, misal: kekeringan, belum pernah dievaluasi. Oleh sebab itu perlu dilakukan karakterisasi gGen HD-Zip padi yang
Formatted: Indent: First line: 0,95 cm
3
memiliki potensi untuk dimanfaatkan pada program perbaikan genetik tanaman padi tahan kekeringan. Sampai saat ini belum pernah dilakukan kKarakterisasi dan analisis fungsional untuk memahami fungsi dari gen-gen famili HD-Zip. sampai saat ini belum pernah dilakukan. Untuk mengetahui fungsi gen dalam suatu
Formatted: Swedish (Sweden)
tanaman dapat dipelajari melalui 3 metode yaitu dengan meningkatan tingkat ekspresinya (over expression), menghilangkan ekspresi (knockout), dan mengidentifikasi pola ekspresi gen tersebut.
Formatted: Swedish (Sweden)
Meskipun metode kontrol protein regulator gen HD-Zip diharapkan dapat mengatasi akibat buruk yang ditimbulkan oleh kondisi kekeringan, namun dibutuhkan pendekatan lain untuk mengembangan sistem pertahanan tanaman padi pada saat terpapar kekeringan. Cekaman kekeringan mengakibatkan tanaman padi rentan terhadap cekaman lain termasuk cekaman biotik, misalnya penyakit blas. Kondisi tanah yang aerob, kekeringan, dan kandungan nitrogen yang tinggi pada tanah merupakan kondisi ideal bagi berkembangnya Magnaporthe grisea. Magnaporthe grisea merupakan cendawan yang menyebabkan bertanggung jawab pada munculnya penyakit blas. Penyakit blas menyerang sampai 12% dari luas areal padi di Indonesia (Utami et al. 2005). Oleh sebab itu penyakit blas merupakan penyakit penting pada areal pertanian padi sistem sawah dan gogo. Ketahanan tanaman padi terhadap penyakit blas, terutama pada saat kondisi kekeringan, dapat ditingkatkan melalui kontrol sinyal yang berperan dalam mekanisme pertahanan biotik seperti asam salisilat (SA). Hasil penelitian yang ada menunjukkan bahwa kandungan asam salisilat pada padi berkorelasi positif dengan ketahanan terhadap serangan blas (Silverman et al. 1995). Pada tanaman dan mikroorganisme, asam salisilat atau produk perantaranya disintesis melalui beberapa lintasan metabolime. Asam salisilat dapat dibentuk melalui lintasan fenilalanin atau asam korismat. Lintasan biosintesis asam salisilat melalui isokorismat adalah lintasan penting untuk ketahanan tanaman terhadap cekaman biotik (Wildermuth et al. 2001). Jika produksi asam salisilat melalui isokorismat dapat ditingkatkan maka diharapkan ketahanan tanaman padi dapat meningkat. Asam salisilat dapat diproduksi dengan mengubah asam korismat menjadi isokorismat oleh enzim isokorismat sintase yang selanjutnya dikonversi menjadi asam salisilat oleh enzim isokorismat piruvat liase.
Formatted: Swedish (Sweden)
4
Sejumlah mikroorganisme memiliki gen yang mengkode kedua enzim tersebut. Escherichia E. coli memiliki gen entC yang menyandi enzim isokorismat sintase sedangkan Pseudomonas fluorescens memiliki gen pmsB yang menyandi iso-korismat piruvat liase. Masing-masing gen tersebut memerlukan promoter tanaman agar dapat terekspresi pada sel tanaman. Introduksi kedua gen tersebut ke
dalam tembakau di bawah kendali promoter virus tanaman
memperlihatkan peningkatan ketahanan terhadap penyakit pada tembakau transgenik (Verberne et al. 2000). Konstruksi gen yang menyandi kedua enzim ini telah tersedia untuk penelitian, sehingga . Dengan demikian, gen-gen iso-korismat sintase dan iso-korismat piruvat liase dapat ditransformasikan ke dalam tanaman padi dan ekspresinya diharapkan dapat meningkatkan konsentrasitingkat asam salisilat pada tanaman padi. Tingkat asam salisilat yang tinggi diharapkan dapat menjadi pembatas terhadapcegah serangan penyakit blas pada padi.
2 Tujuan dan manfaat penelitian 2.1 Tujuan penelitian Secara umum, tujuan penelitian ini
adalah
meningkatkan ketahanan
Formatted: Font: Not Bold
tanaman padi terhadap kekeringan dan penyakit blas dengan menganalisis fungsi gen famili HD-Zip padi yang respon terhadap kondisi kekeringan dan mengintroduksi gen-gen penyandi lintasan biosintesis asam salisilat untuk ketahanan terhadap penyakit blas. Perakitan tanaman padi yang tahan kekeringan dan penyakit blas diharapkan dapat membantu pengembangan penanaman padi dengan sistem lahan kering pada lahan marginal. Dampak dari perluasan penanaman padi di lahan-lahan marginal ini akan meningkatkan produksi beras nasional dan mengurangi jumlah impor beras. Sedangkan
tujuan
khusus
penelitian
ini
adalah
untuk:
(i)
mengkarakterisasi salah satu gen tanaman padi keluarga HD-Zip yang diketahui memperlihatkan respon saat padi tercekamterpapar kekeringan setelah dilakukan penapisan gen-gen HD-Zip padi yang merespon cekaman kekeringan; (ii) mengintroduksi gen-gen penyandi lintasan biosintesis asam salisilat yang berasal dari bakteri ke dalam genom tanaman padi.
Formatted: Font: Not Bold
5
Untuk merealisasikan tujuan tersebut dilakukan serangkaian percobaan dilakukan yang meliputi: (1) penapisan gen HD-Zip yang merespon kekeringan, (2) peningkatkan ekspresi (overexpression) gen Oshox4 yang merupakan salah satu gen HD-Zip di bawah kendali promoter konstitutif 35S dari CaMV, (3) penghilangan (knockout) atau penurunan (knockdown) ekspresi gen Oshox4 menggunakan RNAi, (4) studi pola ekspresi gen Oshox4, (5) transformasi gengen penyandi lintasan biosintesis asam salisilat yaitu gen entC dan gen pmsB ke tanaman padi, (6) analisis integrasi dan ekspresi gen entC dan gen pmsB pada level transkripsi dengan analisis Southern dan Northern, dan (7) analisis kandungan asam salisilat pada tanaman trangenik. Secara keseluruhan diagram alur penelitian disajikan pada Gambar 1.
2.2 Manfaat penelitian Manfaat yang diperoleh dari hasil penelitian karakterisasi gen-gen famili HD-Zip terhadap cekaman kekeringan adalah tersedianya informasi tentang gen HD-Zip yang responsif terhadap cekaman kekeringan. Manfaat lebih jauh adalah diperoleh sumber gen yang dapat digunakan sebagai gen donor untuk merakit padi transgenik yang tahan kekeringan. Hasil yang diperoleh dari penelitian introduksi gen-gen penyandi lintasan biosintesis asam salisilat yang berasal dari bakteri ke dalam genom tanaman padi adalah selain diperoleh tanaman transgenik padi dengan kandungan asam salisilat tinggi, juga menghasilkan tanaman padi transgenik yang tahan terhadap penyakit blas. Tanaman ini dapat dipakai untuk mengembangkan usaha ekstensifikasi tanaman padi pada lahan-lahan marginal yang biasanya mengalami kondisi kekeringan yang berakibat tanaman padi menjadi rentan terhadap penyakit blas.
6
