Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir
ANALISIS KOMUNITAS DAN FUNGSI BAKTERI
RHIZOSFER TANAMAN PADI PADA GRADIEN SALINITAS
TANAH PESISIR
DWI NINGSIH SUSILOWATI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi berjudul Analisis Komunitas
dan Fungsi Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir
adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka
di bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2015
Dwi Ningsih Susilowati
NIM G361100041
RINGKASAN
DWI NINGSIH SUSILOWATI. Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri
Rhizosfer Tanaman Padi pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir. Dibimbing oleh
ANTONIUS SUWANTO, I MADE SUDIANA, dan NISA RACHMANIA
MUBARIK.
Salinitas merupakan salah satu cekaman abiotik yang mempengaruhi
pertumbuhan dan produktivitas tanaman padi, terutama pada lahan-lahan sawah
di daerah pesisir. Cekaman garam menyebabkan ketidakseimbangan ionik dan
osmotik di dalam sel tanaman. Berbagai mikrob diketahui berasosiasi dengan
rhizosfer tanaman padi dan beberapa diantaranya bermanfaat bagi tanaman.
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui informasi keragaman dan kelimpahan
struktur komunitas, serta karakter fungsional bakteri rhizosfer tanaman padi yang
ditanam di tanah pesisir dengan tiga taraf salinitas yang berbeda dari taraf sangat
rendah hingga taraf moderat. Sampel tanah diambil dari dua jenis tanah yang
berbeda dari dua lokasi di Jawa Barat, yaitu tanah marin dari Subang dan fluviomarin dari Indramayu. Populasi dan struktur komunitas bakteri rhizosfer
dianalisis pada saat tanaman padi memasuki fase primordia dan pembungaan
dengan metode kultur (culture-dependent) dan metode nonkultur (culture
independent). Total populasi bakteri rhizosfer berada di kisaran 104-106 CFU / g
tanah, dan secara statistik total populasi pada tanah salin moderat tidak berbeda
secara signifikan dibandingkan dengan tanah salin rendah dan sangat rendah.
Keragaman jenis bakteri rhizosfer dari tanah salin moderat lebih rendah daripada
tanah salin rendah dan sangat rendah. Genus Bacillus (filum Firmicutes)
ditemukan pada berbagai taraf salinitas tanah baik moderat, rendah, dan sangat
rendah, seperti B. subtilis complex. Sekelompok bakteri dari filum Proteobacteria
dan Actinobacteria juga diperoleh selain filum Firmicutes pada metode kultur.
Analisis pustaka klon menunjukkan adanya lebih banyak filum (11 filum) yang
diperoleh dari beragam bakteri rhizosfer tanaman padi pada tanah pesisir Subang
dan Indramayu pada fase primordia antara lain Proteobacteria, Acidobacteria,
Chloroflexi, Cyanobacteria, Nitrospirae, Gemmatimonadetes, Bacteriodetes,
Aquificae, Actinobacteria, Firmicutes, dan Elusimicrobia dibandingkan metode
kultur. Firmicutes mendominasi struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman
padi pada metode kultur, sedangkan dengan metode nonkultur diketahui
Proteobacteria dan Acidobacteria lebih dominan. Metode nonkultur juga
memberikan informasi yang jelas adanya sejumlah bakteri dari laut yang terbawa
arus intrusi (bakteri transient) sehingga berada bersama-sama dengan bakteri
indigenos pada tanah sawah pesisir. Ada kecenderungan bahwa salinitas tanah
memiliki efek negatif pada kelimpahan Betaproteobacteria dan efek positif pada
kelimpahan Alphaproteobacteria dan Deltaproteobacteria. Hal ini menyebabkan
nilai indeks keragaman spesies yang cukup tinggi pada tanah dengan taraf
salinitas moderat, dan tidak berbeda secara nyata antara ketiga taraf salinitas, baik
dengan metode kultur dan metode nonkultur. Isolat-isolat bakteri rhizosfer yang
diperoleh pada metode kultur diketahui memiliki karakter fungsional sebagai
penambat N2, pelarut fosfat, pendegradasi selulosa, dan penghasil IAA. Hal ini
menunjukkan bahwa pada spesies yang sama yang dapat diperoleh dari lokasi
geografis yang berbeda memiliki beragam genotipe meskipun sekuen gen 16S
rRNA nya hampir identik, sehingga berakibat pada lebih tingginya keragaman
bakteri rhizosfer secara substansial (karakter fungsional). Peningkatan salinitas
tanah menyebabkan penurunan pada parameter pertumbuhan tanaman (tinggi
tanaman, jumlah anakan efektif, bobot kering tajuk, dan bobot kering akar) pada
fase primordia dan fase pembungaan, demikian juga dengan parameter komponen
hasil panen (jumlah malai, panjang malai, biji isi per malai, bobot total biji per
tanaman, dan bobot kering bulir padi).
Kata kunci: salinitas, bakteri rhizosfer, tanah pesisir, padi
SUMMARY
DWI NINGSIH SUSILOWATI. Community Structure and Functional Analysis
of Rhizosphere Bacteria associated with Rice Plant Grown on Coastal Soil with
Different Levels of Salinity. Supervised by ANTONIUS SUWANTO, I MADE
SUDIANA, and NISA RACHMANIA MUBARIK.
Salinity is one of the abiotic stresses affect the growth and productivity of rice
plant, especially on paddy field in the coastal areas. Salt stress induces ionic and
osmotic imbalance inside plant cells. Various microbes associated with the
rhizosphere of rice plants and some are beneficial to the plants. This research was
conducted to find out information on the diversity and abundance of community
structure and functional character of rhizosphere bacteria associated with rice
plant grown on coastal soil with three different levels of salinity from very low
saline to moderate saline. The soil samples collected from two different types of
soil were taken from two locations in West Java, namely marine soils from
Subang and fluvio-marine soils from Indramayu. Community structures and
population of the rhizosphere bacteria were monitored during primordial and
flowering plant stages in greenhouse experiments using both culture-dependent
approaches and molecular methods (clonal 16S rRNA gene sequence analysis).
16S rDNA sequences obtained by direct cloning from soil DNA and isolated
bacterial populations were analyzed and compared with each other. Total
population of the rhizosphere bacteria were in the range of 104-106 CFU/g soil.
Population number in moderate saline soil was not significant compared to the
low and non saline soil. The diversity of rhizosphere bacteria from the moderate
saline soil were lower than from low and non saline soil of the control pot.
Bacillus (phylum Firmicutes) found in a variety of soil salinity level either
moderate, low, and very low, such as B. subtilis complex. A group of bacteria of
the phylum Proteobacteria and Actinobacteria also be obtained in addition to the
phylum Firmicutes from the culture dependent method. Clone library analysis
revealed that the rhizosphere bacterial community structure of the rice plant on
the marine soil from Subang and fluvio-marin from Indramayu in a primordial
plant stage consisted of 11 phyla (Proteobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi,
Cyanobacteria, Nitrospirae, Gemmatimonadetes, Bacteriodetes, aquificae,
Actinobacteria, Firmicutes, and Elusimicrobia). Firmicutes dominated the
rhizosphere bacterial community structure of rice plants in culture dependent
methods, whereas Proteobacteria and Acidobacteria dominated in culture
independent methods. There is a tendency that the salinity of the soil has a
negative effect on the abundance of Betaproteobacteria and positive effect on the
abundance of Alphaproteobacteria and Deltaproteobacteria. Culture independent
methods provide accurate information about the origin of a number of marine
bacteria coexisting with indigenous bacteria on coastal wetland. This causes the
index value of species diversity is high enough on the soil with moderate salinity
level, but not significantly different among the three salinity level, either by
culture dependent and culture independent methods. Rhizosphere bacterial
isolates obtained in culture dependent methods are known to have a functional
character like N2 fixing, phosphate solubilizing, cellulose degrading, and IAA
producing. This suggests that the same species that can be obtained from different
geographical locations have vast numbers of diverse genotypes, despite its 16S
rRNA gene sequences are almost identical, resulting in substantially greater
rhizosphere bacterial in functional diversity. The increasing level of soil salinity
caused a reduction on plant growth parameters (plant height, number of effective
tillers, shoot dry weight, root dry weight) at the primordial and yield components
of rice (number of panicles, panicle length, percentage seeds per panicle, seed
weight per plant, and weight of rice grains).
Keywords: salinity, rhizosphere bacteria, coastal area, rice paddy
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis
ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
ANALISIS KOMUNITAS DAN FUNGSI BAKTERI
RHIZOSFER TANAMAN PADI PADA GRADIEN SALINITAS
TANAH PESISIR
DWI NINGSIH SUSILOWATI
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
pada
Program Studi Mikrobiologi (MIK)
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji pada Ujian Tertutup:
Prof Dr Aris Tri Wahyudi, MSi
Dr Ir Happy Widiastuti, MSi
Penguji pada Ujian Terbuka:
Prof Dr Aris Tri Wahyudi, MSi
Dr Ir Happy Widiastuti, MSi
.
Judul Disertasi
Nama
NIM
: Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri Rhizosfer
Tanaman Padi pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir
: Dwi Ningsih Susilowati
: G 361100041
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Prof Dr Antonius Suwanto, MSc
Ketua
Prof (R) Dr I Made Sudiana, MSc
Anggota
Dr Nisa Rachmania Mubarik, MSi
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Mikrobiologi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof Dr Anja Meryandini,MS
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian Tertutup: 9 Juli 2015
Tanggal Sidang Promosi: 13 Agustus 2015
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT karena dengan
perkenan-Nyalah penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul:
Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Gradien
Salinitas Tanah Pesisir. Penelitian ini dilakukan sejak bulan Juni 2012 hingga
Juni 2014 di Laboratorium Ekologi dan Fisiologi C, Bidang Mikrobiologi, Pusat
Penelitian Biologi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) dan di
Laboratorium Mikrobiologi dan rumah kaca Balai Besar Penelitian dan
Pengembangan Bioteknologi dan Sumberdaya Genetik Pertanian (BB. BIOGEN).
Terima kasih penulis sampaikan kepada Prof Dr Antonius Suwanto, MSc.,
Prof (R) Dr I Made Sudiana, MSc., dan Dr Nisa Rachmania Mubarik, MSi. selaku
pembimbing atas saran-saran yang diberikan untuk kesempurnaan substansi dan
format disertasi ini. Disampaikan juga terima kasih kepada Dr Ir Iman Rusmana,
MSi., Dr Puspita Lisdiyanti, MSc., Dr Ir Suryo Wiyono, MScAgr., Dr Ence
Darmo Jaya Supena, MS., Prof Dr Aris Tri Wahyudi, MSi., dan Dr Ir Happy
Widiastuti, MSi. atas kritik dan saran yang diberikan selama pelaksanaan ujian
kualifikasi, ujian tertutup dan terbuka . Demikian juga terima kasih kepada
Bapak Rofiq dan Bapak Wahyu staf Balai Besar Penelitian dan Pengembangan
Sumber Daya Lahan Pertanian (BBSDLP) atas ijin akses file data peta tanah dan
sebaran tanah sawah di daerah Jawa Barat; Shigeto Otsuka, PhD, Dr Uus
Saefulloh, Dr Iman Hidayat, Prof (R) Dr Ika Mariska dan Bapak Deddy Erfandi
atas kesempatan diskusinya selama ini, serta Prof Dr Anja Meryandini, MS. dan
Dr Gayuh Rahayu, MSc yang senantiasa mengingatkan penulis untuk segera
menyelesaikan studinya. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada suami
dan anak-anak tercinta, kedua orang tua dan saudara-saudara atas kesabaran dan
dukungannya selama ini, Pak Karmin, Pak Holil, dan Pak Uci (alm) yang banyak
membantu selama pengambilan sampel tanah, teman-teman seperjuangan (Mbak
Atit, Mbak Santi, Mbak Nani, dan Mbak Ernin) atas kesetiakawanan dan
kerjasamanya, serta semua pihak yang secara tidak langsung membantu
kelancaran penelitian dan proses penyusunan disertasi.
Sumber dana penelitian ini diperoleh dari proyek SATREP LIPI-JST dan
Dana DIPA APBN TA. 2013 dan 2014 (PJ. Ir Yadi Suryadi, MSc). Penulis
sangat berterima kasih telah dilibatkan dalam proyek SATREP LIPI-JST,
sehingga penelitian ini dapat diselesaikan. Demikian juga kepada Bapak Yadi,
penulis sampaikan terima kasih atas perhatian dan kerjasamanya dalam
pengadaan sejumlah bahan-bahan kimia yang diperlukan untuk penelitian ini.
Semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu
pengetahuan dan dapat digunakan sebagai informasi awal untuk menangani
permasalahan lahan-lahan pertanian di daerah pesisir Indonesia dari sudut
pandang mikrobiologi.
Bogor, Juli 2015
Dwi Ningsih Susilowati
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR.
DAFTAR LAMPIRAN
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Hipotesis Penelitian
Manfaat Penelitian
Kebaruan Penelitian (Novelty)
Ruang Lingkup Penelitian
2 TINJAUAN PUSTAKA
Salinitas Tanah
Dampak Salinitas Tanah terhadap Tanaman Padi
Komunitas dan Aktivitas Mikrob Rhizosfer
Dampak Salinitas Tanah terhadap Mikrob Rhizosfer
Metode Identifikasi Komunitas Mikrob
3 METODE
Tempat dan Waktu Penelitian
Bahan dan Alat Penelitian
Prosedur Analisis
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Sifat-sifat Fisik, Kimia, dan Mikrobiologi Tanah Sawah Pesisir
Subang dan Indramayu
Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi
pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir dengan Metode Kultur
Analisis Komunitas Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Fase
Primordia pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir dengan Metode
Nonkultur
Perbandingan Metode Kultur dan Nonkultur untuk Analisis
Komunitas Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Fase Primordia
pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir
Hubungan antara Pertumbuhan dan Produktivitas Tanaman Padi
dengan Struktur Komunitas Bakteri Rhizosfer pada Gradien
Salinitas Tanah Tanah Pesisir
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
iii
iii
iv
1
2
2
3
3
3
4
5
6
6
8
9
10
10
11
17
22
36
44
48
56
56
58
70
96
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Populasi bakteri rhizosfer tanaman padi dengan gradien salinitas
tanah pesisir di bak percobaan
23
Indeks keragaman spesies bakteri rhizosfer tanaman padi pada tanah
pesisir Subang dan Indramayu pada fase primordia dan pembungaan
dengan metode kultur
27
Keragaman fungsional bakteri rhizosfer tanaman padi dari tanah
pesisir Subang dan Indramayu
31
Indeks keragaman bakteri rhizosfer tanaman padi pada tanah pesisir
Subang dan Indramayu pada fase primordia dengan metode
nonkultur
43
Pengaruh taraf salinitas tanah terhadap parameter pertumbuhan
tanaman padi pada fase primordia (35 hari setelah pindah tanam)
di bak percobaan
51
Analisis korelasi Pearson antara salinitas dan parameter pertumbuhan
tanaman padi pada fase primordia
51
Pengaruh taraf salinitas tanah terhadap parameter pertumbuhan tanaman
padi pada fase pembungaan (70 hari setelah pindah tanam) di bak
percobaan
51
Analisis korelasi Pearson antara salinitas dan parameter pertumbuhan
tanaman padi pada fase pembungaan
52
Pengaruh taraf salinitas tanah terhadap parameter komponen hasil
tanaman padi pada 105 hari setelah pindah tanam di bak percobaan 52
Analisis korelasi Pearson antara salinitas dan parameter komponen
hasil tanaman padi
53
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
Bagan alur penelitian
4
Populasi bakteri tanah (log CFU/gram tanah) dari dua tanah sawah
pesisir Subang and Indramayu, dengan taraf salinitas moderat,
rendah, dan sangat rendah
19
Amplifikasi 16S rRNA genom bakteri tanah dari daerah pesisir
Indramayu
20
Jenis-jenis spesies bakteri yang dominan pada tanah sawah pesisir
Subang (A) dan Indramayu (B)
21
Populasi bakteri rhizosfer tanaman padi varietas Mekongga
(log CFU/gram tanah) pada fase primordia dan fase pembungaan
dari tanah marin-Subang dan fluviomarin-Indramayu pada taraf
salinitas moderat, rendah, dan sangat rendah
22
Jenis-jenis spesies bakteri rhizosfer yang dominan pada tanaman padi
pada fase primordia (35 hari setelah pindah tanam) pada tanah
sawah pesisir Subang (A) dan Indramayu (B)
24
Jenis-jenis spesies bakteri rhizosfer yang dominan pada tanaman padi
pada fase pembungaan (70 hari setelah pindah tanam) pada tanah
sawah pesisir Subang (A) dan Indramayu (B)
26
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Kelimpahan relatif filum bakteri rhizosfer tanaman padi varietas
Mekongga pada tanah sawah pesisir Subang dan Indramayu
36
Kelimpahan relatif kelompok Class dari filum Proteobacteria
sejumlah bakteri rhizosfer tanaman padi varietas Mekongga pada
tanah sawah pesisir Subang dan Indramayu
37
Hubungan filogenetik bakteri rhizosfer tanaman padi dari pustaka
klon 16S rRNA dari tanah sawah pesisir Subang dengan salinitas
moderat yang memiliki kesamaan homologi dengan sekuen-sekuen
yang diisolasi dari lingkungan salin atau alkali
40
Hubungan filogenetik bakteri rhizosfer tanaman padi dari pustaka
klon 16S rRNA dari tanah sawah pesisir Indramayu dengan salinitas
moderat yang memiliki kesamaan homologi dengan sekuen-sekuen
yang diisolasi dari lingkungan salin atau alkali
41
Komposisi relatif klon-klon pada taraf filum dari pustaka klon 16S
rRNA tanah pesisir Subang
46
Komposisi relatif klon-klon pada taraf filum dari pustaka klon 16S
rRNA dari tanah pesisir Indramayu
47
Parameter pertumbuhan tanaman padi varietas Mekongga, (A) tinggi
tanaman dan (B) jumlah anakan, pada fase primordia dan pembungaan
pada tanah marin-Subang dan fluviomarin-Indramayu, dari tiga taraf
salinitas moderat, rendah dan sangat rendah
49
Parameter pertumbuhan tanaman padi varietas Mekongga, (A) bobot
kering tajuk dan (B) bobot kering akar, pada fase primordia dan
pembungaan pada tanah marin-Subang dan fluviomarin-Indramayu,
dari tiga taraf salinitas moderat, rendah, dan sangat rendah
50
Parameter komponen hasil tanaman padi varietas Mekongga pada
umur 105 hari setelah tanam, (A) jumlah malai, (B) panjang malai,
dan (C) persentase biji isi per malai, dari tanah marin-Subang dan
fluviomarin-Indramayu, dari tiga taraf salinitas moderat, rendah,
dan sangat rendah
54
Parameter komponen hasil tanaman padi varietas Mekongga pada
umur 105 hari setelah pindah tanam, (A) bobot total biji pertanaman
(g/tanaman) dan (B) bobot kering bulir padi (g/tanaman), dari tanah
marin-Subang dan fluviomarin-Indramayu, dari tiga taraf salinitas
moderat, rendah, dan sangat rendah
55
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
Peta lokasi sebaran sawah daerah Jawa Barat (A Subang dan
B Indramayu)
Karakteristik fisikokimia tanah sawah pesisir Desa Patimban,
Kecamatan Pusaka Negara, Kabupaten Subang, dan Desa Eretan
Kulon, Kecamatan Kandanghaur, Kabupaten Indramayu, Jawa Barat
Deskripsi padi varietas Mekongga
Jenis-jenis bakteri tanah dari lahan sawah daerah pesisir Subang
dan Indramayu
70
71
72
73
5
6
7
8
9
10
Jenis-jenis bakteri rhizosfer tanaman padi pada gradien salinitas
tanah pesisir Subang dan Indramayu yang diisolasi pada fase
primordia
Jenis-jenis bakteri rhizosfer tanaman padi pada gradien salinitas
tanah pesisir Subang dan Indramayu yang diisolasi pada fase
pembungaan
Dinamika keberadaan bakteri rhizosfer tanaman padi pada fase
primordia dan pembungaan pada gradien salinitas tanah pesisir
Subang dan Indramayu
Jenis-jenis bakteri rhizosfer hasil pustaka klon 16S rRNA
Afiliasi filogenetik dan kelimpahan bakteri rhizosfer tanah pesisir
Subang
Afiliasi filogenetik dan kelimpahan bakteri rhizosfer tanah pesisir
Indramayu
75
77
79
81
93
94
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Salinitas adalah fitur alami dari ekosistem di daerah kering dan semi kering
dengan tingkat evapotranspirasi yang tinggi, sehingga berdampak pada terjadinya
akumulasi garam pada permukaan tanah. Lebih dari 800 juta hektar lahan di
seluruh dunia dipengaruhi oleh garam (FAO 2008). Salinitas tanah menunjukkan
variasi temporal dan spasial yang tinggi bergantung pada iklim, elevasi, drainase,
tekstur tanah, dan faktor-faktor terkait lainnya (Tripathi et al. 2006, Tripathi et al.
2007). Ada tiga klasifikasi tanah yang digunakan untuk menggambarkan
akumulasi garam di dalam tanah. Tanah salin mengandung jumlah garam terlarut
yang tinggi, terutama Ca2+, Mg2+, K+, dan Na+, garam Cl-, NO3-, SO4-2, dan CO3-3;
tanah sodik didominasi oleh garam Na+. Tanah salin-sodik memiliki garam Ca2+,
Mg2+, dan K+ serta Na+ yang tinggi
Salinitas tanah juga dihadapi di beberapa lahan sawah daerah pesisir di
Indonesia. Sekitar 40.3% (3.25 juta ha) dari luas lahan sawah di Indonesia (8.1
juta ha) berada di Pulau Jawa dan tersebar di daerah pesisir Pantai Utara
(Pantura). Beberapa daerah sentra produksi padi di wilayah pesisir Jawa Barat
seperti kabupaten: Bekasi, Karawang, Subang, Indramayu, dan Cirebon memiliki
kontribusi paling tinggi terhadap produksi beras nasional (BPS 2011). Salah satu
permasalahan lahan sawah di wilayah tersebut adalah penciutan lahan akibat
genangan sebagai dampak peningkatan permukaan air laut dan degradasi serta
penurunan produktivitas lahan akibat salinitas. Tanaman padi tergolong ke dalam
tanaman yang toleran salin pada kisaran salinitas sebesar 0.9 – 1.6 dS/m dan
sangat peka terhadap salinitas pada awal fase bibit. Dengan demikian salinitas
merupakan ancaman serius terutama pada lahan sawah daerah pesisir bagi
keberlanjutan agroekosistem.
Di Pantura Jawa Barat, dampak kenaikan muka air laut terhadap
penurunan produksi padi akibat salinitas terlihat secara nyata di Indramayu. Hasil
penelitian menunjukkan tingkat salinitas di Indramayu, Jawa Barat berstatus
sedang sampai tinggi masing-masing pada kedalaman 0-30 cm dan 30-70 cm.
Kabupaten Karawang dan Subang juga mengalami penurunan produksi beras
sekitar 300.000 ton akibat genangan (Boer et al. 2009, Boer et al. 2011). Menurut
Suriyan dan Chalermpol (2009), perluasan intrusi air laut mengakibatkan
salinisasi tanah, sehingga bersifat toksik bagi tanaman, dan dapat menghambat
pertumbuhan dan produksinya. Apabila salinitas meningkat di atas 2 dS/m maka
hasil akan menurun sekitar 10% untuk setiap kenaikan 1 dS/m (Grattan et al.
2002).
Penelitian terkait dengan salinitas lahan banyak dilakukan antara lain
penelitian mengenai teknologi identifikasi dan rehabilitasi tanah salin,
pengembangan varietas toleran kondisi salin, pemetaan salinitas tanah, dan
pengaturan tata air mikro untuk mengurangi salinitas di dalam petakan sawah.
Efek salinitas terhadap sifat fisik dan kimia tanah (Keren 2000, Sardinha et al.
2003) serta pertumbuhan tanaman sudah diketahui dengan baik. Sejumlah
penelitian mengenai efek salinitas pada mikrob tanah di lahan salin telah
dilakukan (Rietz dan Haynes 2003, Siddikee et al. 2011, Keshri et al. 2013).
2
Namun, sifat mikrobiologi pada rhizosfer tanaman padi pada fase primordia pada
lahan sawah di lingkungan salin dan toleransi tanaman terhadap cekaman salinitas
yang didapatkan dari bakteri rhizosfer masih jarang dipelajari. Penelitian dengan
basis adaptasi mengenai struktur komunitas mikrob rhizosfer tanaman padi pada
lahan-lahan sawah di daerah pesisir terkait dengan permasalahan salinitas tanah
belum pernah dilaporkan di Indonesia. Keberadaan mikrob rhizosfer banyak
terlibat dalam berbagai siklus biogeokimia seperti mineralisasi, siklus hara, dan
agregasi tanah, sehingga keragaman mikrob merupakan komponen penting untuk
menopang fungsi ekosistem.
Beberapa peneliti melakukan studi komunitas mikrob dengan berbagai
pendekatan, baik dengan metode kultur maupun nonkultur. Nelson dan Mele
(2007) telah mengamati adanya perubahan struktur komunitas mikrob rhizosfer
tanaman gandum sebagai respon terhadap peningkatan konsentrasi boron dan
NaCl menggunakan BIOLOG dan analisis Terminal Restriction Fragment Length
Polymorphism (T-RFLP). Perubahan terjadi secara nyata pada struktur komunitas
bakteri penambat N2, namun tidak demikian pada bakteri pengoksidasi ammonia.
Selanjutnya Ibekwe et al. (2010) mengamati struktur komunitas bakteri rhizosfer
tanaman ketimun sebagai efek terhadap boron, pH, dan NaCl tanah menggunakan
metode kultur dan nonkultur dengan Denaturing Gradien Gel Electrophoresis
(DGGE). Metode kultur kurang memadai untuk menganalisis komunitas mikrob
pada lingkungan alaminya, sehubungan dengan adanya sejumlah besar bakteri
yang belum dapat dikulturkan (Amann et al. 1995). Analisis molekuler seperti
kloning dan sekuensing gen 16S rRNA juga dapat digunakan untuk memonitor
struktur komunitas mikrob tanpa kultivasi (Feiske et al. 1998, Dunbar et al. 1999,
Ramirez-Saad et al. 2000).
Perumusan Masalah
Adanya intrusi air laut ke lahan sawah di wilayah pesisir dapat menghambat
pertumbuhan tanaman padi dan mempengaruhi penurunan produktivitas lahan
tersebut. Agroekosistem di daerah pesisir ini merupakan ekosistem yang dinamis
dan memiliki kekayaan mikrob yang potensial bagi pertumbuhan tanaman dan
kesuburan tanah. Namun, apakah salinitas tanah akan memiliki kecenderungan
menurunkan populasi, diversitas, dan kelimpahan pada struktur komunitas bakteri
rhizosfer tanaman padi. Apabila terjadi hal yang demikian, kecenderungan seperti
apa yang akan terjadi pada struktur komunitas mikrob rhizosfer tanaman padi?
Dan bagaimana pengaruh perubahan tersebut pada parameter pertumbuhan
tanaman padi?
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini ialah mendapatkan informasi keragaman dan
kelimpahan struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman padi pada gradien
salinitas tanah pesisir dengan metode kultur dan nonkultur. Adapun tujuan
khususnya meliputi 1) mengidentifikasi struktur komunitas dan fungsi bakteri
rhizosfer tanaman padi pada fase pertumbuhan tanaman padi pada gradien
3
salinitas tanah pesisir dengan metode kultur dan nonkultur, 2) membandingkan
analisis komunitas bakteri rhizosfer tanaman padi pada salah satu fase
pertumbuhan tanaman padi yang ditanam pada gradien salinitas tanah pesisir
dengan metode kultur dan nonkultur, dan 3) mempelajari pengaruh gradien
salinitas lahan sawah daerah pesisir pada struktur komunitas bakteri rhizosfer dan
dihubungkan dengan parameter pertumbuhan dan komponen hasil tanaman padi
varietas Mekongga
Hipotesis Penelitian
Hipotesis pada penelitian ini ialah (1) semakin rendah salinitas tanah pesisir,
maka semakin tinggi keragaman struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman
padi; (2) adanya perbedaan gradien salinitas tanah pesisir mempengaruhi
kelimpahan jenis bakteri rhizosfer tanaman padi; dan (3) semakin rendah salinitas
tanah dan semakin beragam struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman padi
akan semakin baik kualitas pertumbuhan tanaman padi.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi dasar mengenai
keragaman dan kelimpahan struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman padi
pada gradien salinitas tanah pesisir. Data yang diperoleh dapat menjadi basis data
untuk pengembangan strategi dan teknologi adaptasi untuk penyesuaian kegiatan
dan teknologi dengan kondisi lingkungan yang disebabkan oleh adanya perluasan
intrusi air laut. Upaya adaptasi dipandang sebagai langkah penyelamatan agar
ketahanan pangan dan sasaran pembangunan pertanian dapat dicapai. Upaya
adaptasi dilakukan melalui pengembangan pertanian yang toleran terhadap
permasalahan lingkungan saat ini dan di masa yang akan datang.
Kebaruan Penelitian (Novelty)
Penelitian mengenai struktur komunitas dan kelimpahan bakteri rhizosfer
tanamaan padi pada gradien salinitas lahan sawah di wilayah pesisir sebagai
dampak intrusi air laut belum pernah dilaporkan di Indonesia. Metode
pengambilan sampel tanah pada studi komunitas mikrob biasanya dilakukan
secara langsung dari lapangan, namun pada penelitian ini pengambilan sampel
tanah dilakukan pada kondisi yang terkendali di rumah kaca dan menjadi
kebaruan dari penelitian ini. Informasi sifat mikrobiologi lahan sawah di wilayah
pesisir yang diperoleh dari penelitian ini juga merupakan informasi pertama yang
dapat melengkapi informasi sifat fisikokimia yang sudah banyak dilakukan
peneliti lainnya. Kelengkapan informasi sifat-sifat fisik, kimia, dan mikrobiologi
dapat digunakan untuk menduga kondisi lahan setelah adanya pengaruh intrusi air
laut dan dapat digunakan sebagai dasar berpijak untuk pengembangan teknologi
yang adaptif untuk mempertahankan keberlanjutan agroekosistem di wilayah
pesisir.
4
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini mengungkap keragaman dan kelimpahan struktur komunitas
bakteri rhizosfer tanaman padi pada gradien salinitas tanah pesisir dan dikaitkan
dengan pertumbuhan dan produktivitas tanaman padi dengan metode kultur dan
nonkultur seperti ditunjukkan pada alur penelitian berikut ini (Gambar 1).
Pengambilan tanah dari lahan sawah di daerah pesisir Subang
dan Indramayu masing-masing dengan gradien salinitas
Analisis sifat fisik, kimia, dan mikrobiologi sampel tanah
Persiapan media tanam di pot menggunakan tanah pesisir
dengan perlakuan gradien salinitas dengan 4 ulangan
Penanaman pot dengan bibit padi varietas Mekongga
PPengkulturan total bakteri
rhizosfer dari sampel tanah
pada 35 dan 70 hari setelah
pindah tanam
Isolasi DNA dari sampel
tanah rhizosfer tanaman
padi
Isolasi DNA bakteri
Amplifikasi gen 16S
rRNA
Amplifikasi gen 16S rRNA
Kloning gen 16S rRNA
Sekuensing
Sekuensing klon-klon
representatif
Struktur komunitas
bakteri rhizosfer tanaman
padi
tanaman padi
Gambar 1 Bagan alur penelitian
5
2 TINJAUAN PUSTAKA
Salinitas Tanah
Salinitas menunjukkan kadar garam yang terlarut di dalam air atau larutan
tanah yang dinyatakan dalam satuan miligram per liter (mg/L) atau disebut total
garam terlarut (Total Dissolved Salts/TDS). Pengukuran TDS secara tidak
langsung biasanya dilakukan dengan pendekatan electrical conductivity (EC).
Satuan Internasional (SI) untuk salinitas adalah siemens per metre (S/m). Namun
penggunaan satuan decisiemens per metre (dS/m) lebih sering digunakan.
Sebagai patokan umum, nilai salinitas air biasa (tap water) ialah 0.3 dS/m dan air
salin sekitar 30 dS/m (Water 2007).
Proses akumulasi garam pada permukaan tanah terjadi karena gerakan
garam dari profil tanah bawah (sub-soil) ke bagian atas (top-soil). Pada bagian
atas terjadi penguapan yang intensif, sehingga menyebabkan larutan garam
bergerak secara kapilaritas ke atas, menguap, dan meninggalkan endapan garam di
permukaan tanah. Apabila proses ini berlangsung terus menerus sepanjang tahun,
maka terbentuk tanah garam. Di Indonesia proses ini tidak berlangsung sepanjang
tahun, hanya terdapat di daerah panas dan kering. Pada musim kemarau terjadi
salinisasi, sebaliknya pada musim hujan terjadi desalinisasi. Pengurangan kadar
garam di permukaan tanah terjadi karena curah hujan yang turun kemudian
melindi ke bawah. Proses salinisasi hanya terjadi pada tanah yang mempunyai
tekstur halus sampai sangat halus (Rosmarkam dan Yuwono 2002). Van Asten et
al. (2004) menyatakan bahwa air mampu melarutkan molekul garam dan
mengangkutnya sebagai aliran permukaan (run off) maupun pencucian (leaching),
sehingga kadar garam dapat berkurang. Pada skala bentang lahan, salinitas tanah
dapat berkurang akibat pasokan air hujan dan air irigasi pada volume dan
intensitas yang cukup.
Sudduth et al. (1995) dan Yan et al. (2007) menyatakan bahwa keragaman
salinitas tanah sangat dipengaruhi oleh keragaman karakteristik tanah. Sumber
garam di dalam tanah di antaranya berasal dari batuan atau bahan induk, air
irigasi, pupuk, herbisida, insektisida, dan fungisida. Pada tanah di wilayah pesisir,
garam dapat berasal dari air laut dengan berbagai cara seperti intrusi dari saluran
irigasi, dan intrusi dari sungai. Erfandi dan Rachman (2011) telah melaporkan
tingkat salinitas tanah sawah di wilayah pesisir utara kabupaten Indramayu terdiri
atas salinitas sangat tinggi (22.57%), tinggi (10.49%), sedang (8.54%), dan rendah
(58.41%). Kebanyakan lahan sawah yang diamati memiliki kandungan natrium
sangat tinggi dan ECe pada kedalaman 0-30 cm berkisar antara 1.37-16.38 dS/m
dan kedalaman 30-70 m berkisar antara 1.11-17.40 dS/m. Tanah yang salinitasnya
tinggi hingga sangat tinggi secara umum cenderung dekat dengan laut sebagai
akibat adanya intrusi air laut secara intensif. Tanah-tanah tersebut memiliki bahan
induk dari sedimen laut dan sangat dipengaruhi oleh aktivitas laut. Secara umum
Rhoades et al. (1989) mengklasifikasikan salinitas tanah berdasarkan pengukuran
EC dari ekstrak jenuh tanah (ECe) ke dalam salinitas rendah (ECe < 2 dS/m),
salinitas sedang (ECe 2-4 dS/m), salinitas tinggi (ECe 4-8 dS/m), dan salinitas
sangat tinggi (ECe > 8 dS/m).
6
Dampak kenaikan muka air laut ialah meningkatnya salinitas air tanah dan
tergenangnya sebagian lahan di wilayah pantai. Peningkatan salinitas tanah
menjadi 3.9 dan 6.5 dS/m akan menurunkan hasil padi sebesar 25% dan 55%
(Zeng dan Shannon 2000). Penurunan produksi bersifat linier sebesar 10% akibat
peningkatan salinitas 1-2 dS/m. Luas lahan sawah yang terancam akibat salinitas
maupun tenggelam di Pantura Jawa diperkirakan 292-400 ribu ha (3.7%).
Ancaman paling serius akibat penciutan lahan terjadi di Jawa Barat dengan
penurunan produksi hingga 16.000 ton per tahun (Boer et al. 2011).
Dampak Salinitas Tanah terhadap Tanaman Padi
Tanaman padi tergolong tanaman yang moderat sensitif terhadap salinitas,
yaitu tanaman yang masih toleran pada taraf EC berkisar antara 0.9 – 1.6 dS/m.
Cekaman salinitas akan terlihat terutama pada masa pembibitan dan awal
pertumbuhan yang berdampak pada penurunan hasil. Penurunan produksi padi
sawah akibat cekaman salinitas sudah banyak dilaporkan di antaranya sebagai
dampak salinitas dari air irigasi. Nilai EC air irigasi < 0.7 dS/m tidak
menimbulkan masalah salinitas, nilai EC antara 0.7 – 1.7 dS/m mulai
memperlihatkan masalah salinitas ringan sampai sedang, dan nilai EC > 2.0 dS/m
terjadi penurunan produksi secara signifikan (Scardaci et al. 1999). Tiap
peningkatan 1 unit nilai EC air genangan dengan nilai EC > 2.0 dS/m menurunkan
hasil padi sampai 1 t/ha (Asch dan Wopereis 2001).
Rendemen padi paling sensitif terhadap kondisi salin ditentukan selama
tahap inisiasi malai. Kerentanan padi terhadap kondisi salin bervariasi selama
tahap pertumbuhannya. Padi relatif toleran kondisi salin pada saat
perkecambahan, bahkan pada beberapa kasus hingga 16.3 dS/m tidak terpengaruh
secara signifikan (Heenan et al. 1988, Khan et al. 1997). Padi menjadi sangat
sensitif pada tahap bibit muda yang berdampak pada kemampuannya bertahan
pada lahan salin (Lutts et al. 1995) dan relatif kurang sensitif selama tahap akhir
reproduksi (pematangan biji-bijian). Salinitas secara signifikan dapat mengurangi
jumlah anakan per tanaman, jumlah gabah per malai, kesuburan, panjang malai,
dan cabang primer per malai (Heenan et al. 1988, Cui et al. 1995, Khatun et al.
1995, Zeng et al. 2002). Penurunan jumlah anakan per tanaman dan jumlah gabah
per malai merupakan penyebab utama kehilangan hasil pada satu kultivar padi
pada kondisi adanya cekaman salinitas (Zeng dan Shannon 2000). Jumlah gabah
per malai menjadi komponen hasil yang paling sensitif. Komponen ini ditentukan
pada tahap reproduksi awal, sekitar inisiasi malai (Hoshikawa 1989, Counce et al.
2000).
Komunitas dan Aktivitas Mikrob Rhizosfer
Komunitas mikrob merupakan kumpulan mikrob, baik spesies tunggal
maupun multispesies, yang hidup bersama di dalam suatu habitat yang sama atau
didefinisikan juga sebagai setiap kelompok mikrob yang memiliki fungsi dan
aktivitas yang berlainan satu dengan yang lainnya (Buckley 2003). Struktur
mikrob dalam suatu habitat membentuk sistem kompleks sebagai hasil adaptasi
7
terhadap lingkungannya, sehingga kestabilan struktur populasi mikrob menjadi
ukuran kualitas habitat tersebut (McChang et al. 1999).
Menurut Sorensen (1997), rhizosfer ialah volume tanah yang berada di
sekitar perakaran dan dipengaruhi oleh perakaran tanaman. Bagian ini dikenal
penting untuk kesehatan tanaman dan kesuburan tanah. Beberapa studi
menunjukkan bahwa keragaman struktur dan fungsi dari populasi rhizosfer
dipengaruhi oleh spesies tanaman sehubungan dengan perbedaan dalam eksudasi
akar dan rhizodeposisi pada daerah perakaran. Faktor-faktor yang mempengarui
komposisi komunitas mikrob rhizosfer antara lain jenis tanah, tahap pertumbuhan,
praktek pertanaman, sejarah penggunaan lahan, dan faktor lingkungan lainnya
(Grayston et al. 1998, Lupwayi et al. 1998, Doi 2011). Tilak et al. (2005)
menyatakan bahwa komunitas bakteri rhizosfer tanaman memiliki sistem yang
efisien untuk mengambil dan melakukan katabolisme senyawa-senyawa organik
yang berada di dalam eksudat akar.
Mikrob rhizosfer memiliki pengaruh yang baik pada pertumbuhan dan
kesehatan tanaman dengan cara melarutkan unsur hara, menambat N2, atau
menghasilkan zat pemacu tumbuh (Hoflich et al. 1994, Patten dan Glick 1996).
Bakker et al. (1991) menyatakan bahwa beberapa mikrob rhizosfer memiliki
aktivitas biokontrol, menurunkan penyakit tanaman dengan menekan patogen
tanah melalui kompetisi nutrisi, siderofor, atau antibiosis. Adanya interaksi
mikrob dengan tanaman inang dapat mempengaruhi berbagai proses biogeokimia
yang selanjutnya mempengaruhi siklus unsur-unsur penting di dalam tanah.
Tilak et al. (2005) mengemukakan bahwa sejumlah spesies bakteri rhizosfer
tanaman tergolong ke dalam genus Azospirillum, Alcaligenes, Arthrobacter,
Bacillus, Burkholderia, Enterobacter, Erwinia, Flavobacterium, Pseudomonas,
Rhizobium, dan Serratia yang mampu memberikan efek positif bagi pertumbuhan
tanaman. Rangarajan et al. (2002) melakukan pengamatan terhadap keragaman
populasi Pseudomonas pada 5 lahan sawah dengan gradien salinitas di sepanjang
pesisir Tamil Nadu di India bagian Selatan. Hasil yang diperoleh ialah bahwa
peningkatan salinitas rhizosfer tanaman padi berpengaruh terhadap penurunan
keragaman bakteri Pseudomonas dengan kecenderungan Pseudomonas
fluorescens mendominasi lahan tidak salin; sedangkan P. alcaligenes dan P.
pseudoalcaligenes mendominasi lahan salin. Keragaman Pseudomonas pada
lahan salin tampak lebih tinggi pada lahan sawah organik yang menunjukkan
adanya efek positif pertanian organik pada keragaman Pseudomas pada kondisi
salin. Lebih lanjut Tripathi et al. (2002) juga telah mengamati keragaman bakteri
tahan salin pada daerah rhizosfer tanaman padi. Setelah diperoleh 14 galur bakteri
yang diisolasi menggunakan medium semi padat Nitrogen Free bromthymol blue
(NFb) yang telah diperkaya dan menunjukkan toleransinya pada konsentrasi NaCl
sebesar 3%, kemudian galur-galur tersebut dianalisis dengan teknik Amplified
Ribosomal DNA Restriction Analysis (ARDRA) menggunakan enzim restriksi
Sau3AI, AluI dan RsaI serta teknik Random Amplified Polymorphic DNA
(RAPD). Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa terdapat 4 grup yang
berkerabat dekat dengan Alcaligenes xylosoxidans, Ochrobactrum anthropi,
Serratia marcescens, dan Pseudomonas aeruginosa. Loganathan dan Nair (2004)
berhasil mendapatkan bakteri dari rhizosfer, perakaran, dan batang tanaman padi
liar (Porteresia coarctata Tateoka) yang berasosiasi dengan tanaman mangrove
ternyata dekat dengan genus dan spesies baru, Swaminathania salitolerans.
8
Bakteri baru tersebut memiliki kemampuan menambat nitrogen, melarutkan fosfat
dengan adanya NaCl. Analisis filogenetik berdasarkan sekuen gen 16S rRNA
menunjukkan bahwa galur-galur ini dekat dengan genus Acidomonas, Asaia,
Acetobacter, Gluconacetobacter, Gluconobacter, dan Kozakia.
Dampak Salinitas Tanah terhadap Mikrob Rhizosfer
Lingkungan salin merupakan habitat yang ekstrim untuk pertumbuhan
mikrob. Kelimpahan, komposisi, keragaman, dan fungsi metabolik komunitas
mikrob lebih rendah di lingkungan salin dan hipersalin (Jiang et al. 2007). Tipe
lingkungan seperti ini disukai oleh sejumlah bakteri halotoleran yang tidak
memerlukan NaCl untuk tumbuh dan halofilik yang memerlukan NaCl untuk
pertumbuhannya. Ada 3 kelompok bakteri halofil berdasarkan respon terhadap
NaCl, yaitu agak halofil (tumbuh pada 2-5% NaCl), halofil moderat (tumbuh pada
5-20% NaCl), dan halofil ekstrim (tumbuh pada 20-30% NaCl).
Salinitas pernah dipelajari terutama sebagai parameter yang menurunkan
proliferasi mikrob dan aktivitasnya (Lu et al. 2001, Caton et al. 2004). Nelson
dan Mele (2007) telah mengamati adanya perubahan struktur komunitas mikrob
rhizosfer tanaman gandum sebagai respon terhadap peningkatan konsentrasi boron
dan NaCl menggunakan BIOLOG dan analisis Terminal Restriction Fragment
Length Polymorphism (T-RFLP). Perubahan terjadi secara nyata pada struktur
komunitas mikrob rhizosfer tanaman gandum. Adanya NaCl sangat berpengaruh
nyata pada perubahan ini, terutama pada bakteri rhizosfer penambat N2, namun
tidak demikian pada bakteri pengoksidasi ammonia. Penjelasan mengenai hasil
ini diduga terkait dengan adanya perubahan fisik di daerah rhizosfer sehubungan
dengan tekanan osmotik dan gangguan fungsi tanaman. Adanya gangguan pada
tanah dengan kandungan NaCl tinggi berdampak pada air yang diaplikasikan tidak
dapat dipergunakan dengan baik, sehingga tanah menjadi lembab. Peningkatan
kelembaban akan menurunkan kandungan O2 dan meningkatkan akumulasi CO2,
sehingga terjadi seleksi jenis mikrob dan aktivitasnya. Perubahan struktur
komunitas mikrob rhizosfer juga terkait dengan kualitas dan kuantitas eksudat
akar tanaman gandum pada habitat tersebut.
Ibekwe et al. (2010) mengamati struktur komunitas bakteri rhizosfer
tanaman ketimun sebagai efek terhadap salinitas tanah (3 dan 8 dS/m), boron (0.7,
5, dan 8 mg/L), dan pH (6.5 dan 8) dengan metode kultur dan nonkultur dengan
Denaturing Gradien Gel Electrophoresis (DGGE). Hasil yang diperoleh
menunjukkan bahwa efek salinitas, boron, dan pH secara nyata berpengaruh pada
populasi bakteri rhizosfer pada minggu pertama pertumbuhan tanaman dengan
dampak penghambatan pertumbuhan tanaman. Interaksi dari ketiga faktor tersebut
juga berpengaruh secara nyata pada indeks keragaman bakteri pada minggu ke-7,
namun tidak nyata pengaruhnya pada pertumbuhan tanaman ketimun. Hal ini
menunjukkan bahwa adanya perubahan pada keragaman mikrob merupakan
indikator awal adanya cekaman salinitas, boron, dan pH pada lahan, sehingga
diperlukan tindakan remediasi untuk memperbaiki kualitas tanah dan
pertumbuhan tanaman.
9
Metode Identifikasi Komunitas Mikrob
Metode yang umum digunakan untuk keperluan identifikasi komunitas
mikrob ada dua, yaitu: (1) metode yang mengandalkan penggunaan teknik
molekuler untuk analisis DNA; dan (2) metode yang hanya mengidentifikasi
mikrob yang dapat dikulturkan. Beberapa metode molekuler yang melibatkan
ekstraksi dan analisis DNA dari seluruh komunitas mikrob untuk identifikasi sidik
jari genetiknya meliputi Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (TRFLP), Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE), Thermal Gradient
Gel Electrophoresis (TGGE), Single Strand Conformation Polymorphism (SSCP),
Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analysis (ARISA), amplifikasi fragmenfragmen asam nukleat dengan teknik Polymerase Chain Reaction (PCR), dan
Fluorescent In Situ Hybridization (FISH). Struktur dari profil-profil yang
didapatkan selanjutnya dianalisis melalui Principal Component Analysis (PCA)
atau analisis komputasi (misalnya analisis kluster dan dendrogram). Walaupun
sidik jari DNA tadi bersifat culture-independent, namun dapat menaksir secara
cepat kompleks komunitas mikrob dari berbagai lingkungan (Dunbar et al. 2000,
Ranjard et al. 2001, Smalla et al. 2001), yang hasilnya kemungkinan dipengaruhi
oleh metode sekuensing berbasis PCR yang mungkin bias dengan hasil analisis
berbasis molekuler dari struktur komunitas mikrob (Jones dan Thies 2007).
Metode identifikasi mikrob yang dapat dikulturkan dilakukan dengan
mengkultivasi berbagai tipe mikrob di dalam sampel pada nutrisi selektif untuk
memacu pertumbuhannya. Struktur komunitas ditaksir dengan mengidentifikasi
isolat-isolat dari koloni yang dominan. Prosedur ini tidak efisien dari segi biaya
dan tenaga, karena setiap isolat harus dipelajari lebih lanjut dengan mengamati
sifat fisiologi, taksonomi, dan reaktivitasnya terhadap pewarna. Basis data yang
lengkap yang terdiri atas sejumlah isolat telah dikembangkan untuk membantu
studi mengenai komunitas mikrob dengan pendekatan culture-dependent
(Kampfer et al. 1996). Menurut Hattori (1988), populasi bakteri yang diambil
dari sampel alam mungkin tidak terwakili secara akurat pada saat ditumbuhkan
pada media agar-agar. Teknik pengkulturan kurang memadai untuk menganalisis
komunitas mikrob pada lingkungan alaminya, sehubungan dengan adanya
sejumlah besar bakteri yang belum dapat dikulturkan (Amann et al. 1995).
Pendekatan culture-dependent memiliki kelemahan dalam hal selektivitas yang
rendah dan tidak efisien karena periode pengkulturan yang lama, dan teknik ini
juga kurang akurat menggambarkan komunitas bakteri yang disebabkan oleh
perubahan kondisi lingkungan (Liu et al. 1997)
Cara analisis komunitas berdasarkan gen 16S rRNA yang melibatkan PCR
DNA lingkungan, membuat pustaka klon, memilah klon ke dalam Operational
Taxonomical Units (OTUs) dengan analisis RFLP dan sekuensing bersifat sangat
efektif untuk analisis komunitas, namun memakan waktu. Penapisan sejumlah
besar sampel DNA lingkungan dapat disederhanakan menggunakan PCR
dihubungkan dengan analisis DGGE (Muyzer et al. 1993). Metode molekuler
berdasarkan pada analisis DNA total komunitas mikrob tanah dapat mengatasi
keterbatasan teknik pengkulturan. Analisis klon-klon sekuen gen 16S rRNA dari
DNA lingkungan dapat memfasilitasi deteksi dan identifikasi mikrob yang tidak
dapat dikulturkan (Grobkopf et al. 1998, Hugenholtz et al. 1998, Lueders dan
Friedrich 2000).
10
3 METODE
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Mikrobiologi dan Rumah Kaca
Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Bioteknologi dan Sumberdaya Genetik
Pertanian (BB. Biogen) dan Laboratorium Fisiologi C, Pusat Penelitian Biologi,
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Penelitian ini dilakukan sejak bulan
Juni 2012 sampai dengan bulan Juni 2014.
Bahan dan Alat Penelitian
Sampel tanah
Tanah untuk media tanam di pot pada penelitian ini diambil dari 2 lokasi
lahan sawah di daerah pesisir Jawa Barat, yaitu dari Desa Patimban, Kecamatan
Pusaka Negara, Kabupaten Subang dan Desa Eretan Kulon, Kecamatan
Kandanghaur, Kabupaten Indramayu. Setiap lokasi lahan sawah di daerah
tersebut diambil 3 jenis sampel tanah (salinitas sedang dengan EC 2 - 4 dS/m,
salinitas rendah dengan EC < 2 dS/m, dan salinitas sangat rendah sebagai kontrol
dengan EC mendekati 0 dS/m) pada kedalaman hingga 20 cm (lapisan tanah
olah). Peta lokasi dan data-data pendukung seperti karakteristik fisikokimia tanah,
letak koordinat, jarak pengambilan dari batas pantai ditunjukkan pada Lampiran 1
dan Lampiran 2.
Bahan
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini meliputi: bahan kimia
untuk pembuatan media dan reagen, antibiotik, akuades, kit Wizard DNA
genomic extraction kit (Promega), IsoilTM DNA Kit (Nippon Gene), kit GeneJET
PCR Purification (Thermo Scientific), TOPO TA Kloning kit (Invitrogen),
Qiaprep® Spin Miniprep kit (Qiagen), bufer Tris-Acetic acid-EDTA (TAE) (50x,
1x, dan 0.5x), bufer Tris-EDTA (TE), kloroform, ethanol 70%, natrium asetat 3
M, GoTaq® Green Master Mix, loading dye (Promega, Madison), nuclease free
water, marker DNA ladder 100 bp dan 1 kb, primer-primer 16S rRNA, agarosa,
etidium bromide.
Alat
Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini di antaranya adalah: EC meter
(Lovibond Senso Direct Con110), neraca analitik, autoklaf, oven, alat sentrifugasi
(Microfuge 22R Beckman CoulterTM), inkubator goyang, laminary air flow,
penangas air, pH meter, spektrofotometer, sterilizing filter, refrigerator, freezer
-20 oC, deep freezer -80 oC (Laxicon® ult freezer ESCO), tabung beat beads 2 ml,
tabung mikro berukuran 2 ml, 1.5 ml, 0.5 ml dan 0.1 ml, pipet mikro, tip pipet
mikro (putih, kuning dan biru), syringe, alat Mini Beads Cell Disrupter, nanodrop
(Thermo Scientific nanodrop 2000 spectrophotometer), alat pendaur suhu (Swift
Maxi R-ESCO), alat elektroforesis (Mupid-EXU Sub Marine Electrophoresis
System), UV transiluminator, dan kamera digital.
11
Prosedur Analisis
Persiapan sampel dan analisis sampel tanah
Sifat fisik dan kimia tanah dari daerah pesisir Subang dan Indramayu
dianalisis terlebih dahulu meliputi tekstur tanah, total C, total N, P2O5, K2O, pH,
salinitas (EC dan TDS), Kapasitas Tukar Kation (KTK), dan Kejenuhan Basa
(KB) dilakukan di Balai Penelitian Tanah, sedangkan analisis total dan jenis
bakteri tanah dilakukan di BB. Biogen Bogor. Analisis total bakteri tanah
dilakukan dengan metode plate count agar, sebanyak 10 gram sampel tanah
dimasukkan ke dalam 90 ml larutan fisiologis (8.5 g NaCl per liter akuades)
selanjutnya dihomogenkan selama 30 menit dan diikuti dengan pengenceran serial
dari 10-1 sampai 10-5. Sebanyak 100 µl dari hasil pengenceran ditumbuhkan pada
media ekstrak tanah instan (Himedia) yang terdiri atas glukosa 0.1%, dikalium
fosfat 0.05%, dan ekstrak tanah 1.775%. Inkubasi dilakukan selama 1-2 minggu
pada suhu ruang. Koloni yang tumbuh dihitung dan diambil koloni-koloni yang
dominan untuk diidentifikasi secara molekuler.
Sampel-sampel tanah bagian rhizosfer dipersiapkan dengan memasukkan
tanah-tanah dari kedua daerah pesisir tersebut pada bak-bak percobaan yang
terbuat dari kayu dengan ukuran 75 cm x 70 cm x 30 cm dan diisi dengan 80 Kg
tanah/bak. Bibit padi varietas Mekongga dipersiapkan dengan cara merendam
benih padi selama 24 jam di dalam air yang telah ditambahkan NaCl 30 gram/L,
kemudian benih yang tenggelam diambil dan dicuci, selanjutnya diperam selama
24 jam menggunakan kain saring dan disebar di atas bak plastik untuk persemaian
hingga berumur 25 hari, dan setiap bak-bak percobaan ditanami dengan 4 bibit
padi
RHIZOSFER TANAMAN PADI PADA GRADIEN SALINITAS
TANAH PESISIR
DWI NINGSIH SUSILOWATI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi berjudul Analisis Komunitas
dan Fungsi Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir
adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka
di bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2015
Dwi Ningsih Susilowati
NIM G361100041
RINGKASAN
DWI NINGSIH SUSILOWATI. Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri
Rhizosfer Tanaman Padi pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir. Dibimbing oleh
ANTONIUS SUWANTO, I MADE SUDIANA, dan NISA RACHMANIA
MUBARIK.
Salinitas merupakan salah satu cekaman abiotik yang mempengaruhi
pertumbuhan dan produktivitas tanaman padi, terutama pada lahan-lahan sawah
di daerah pesisir. Cekaman garam menyebabkan ketidakseimbangan ionik dan
osmotik di dalam sel tanaman. Berbagai mikrob diketahui berasosiasi dengan
rhizosfer tanaman padi dan beberapa diantaranya bermanfaat bagi tanaman.
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui informasi keragaman dan kelimpahan
struktur komunitas, serta karakter fungsional bakteri rhizosfer tanaman padi yang
ditanam di tanah pesisir dengan tiga taraf salinitas yang berbeda dari taraf sangat
rendah hingga taraf moderat. Sampel tanah diambil dari dua jenis tanah yang
berbeda dari dua lokasi di Jawa Barat, yaitu tanah marin dari Subang dan fluviomarin dari Indramayu. Populasi dan struktur komunitas bakteri rhizosfer
dianalisis pada saat tanaman padi memasuki fase primordia dan pembungaan
dengan metode kultur (culture-dependent) dan metode nonkultur (culture
independent). Total populasi bakteri rhizosfer berada di kisaran 104-106 CFU / g
tanah, dan secara statistik total populasi pada tanah salin moderat tidak berbeda
secara signifikan dibandingkan dengan tanah salin rendah dan sangat rendah.
Keragaman jenis bakteri rhizosfer dari tanah salin moderat lebih rendah daripada
tanah salin rendah dan sangat rendah. Genus Bacillus (filum Firmicutes)
ditemukan pada berbagai taraf salinitas tanah baik moderat, rendah, dan sangat
rendah, seperti B. subtilis complex. Sekelompok bakteri dari filum Proteobacteria
dan Actinobacteria juga diperoleh selain filum Firmicutes pada metode kultur.
Analisis pustaka klon menunjukkan adanya lebih banyak filum (11 filum) yang
diperoleh dari beragam bakteri rhizosfer tanaman padi pada tanah pesisir Subang
dan Indramayu pada fase primordia antara lain Proteobacteria, Acidobacteria,
Chloroflexi, Cyanobacteria, Nitrospirae, Gemmatimonadetes, Bacteriodetes,
Aquificae, Actinobacteria, Firmicutes, dan Elusimicrobia dibandingkan metode
kultur. Firmicutes mendominasi struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman
padi pada metode kultur, sedangkan dengan metode nonkultur diketahui
Proteobacteria dan Acidobacteria lebih dominan. Metode nonkultur juga
memberikan informasi yang jelas adanya sejumlah bakteri dari laut yang terbawa
arus intrusi (bakteri transient) sehingga berada bersama-sama dengan bakteri
indigenos pada tanah sawah pesisir. Ada kecenderungan bahwa salinitas tanah
memiliki efek negatif pada kelimpahan Betaproteobacteria dan efek positif pada
kelimpahan Alphaproteobacteria dan Deltaproteobacteria. Hal ini menyebabkan
nilai indeks keragaman spesies yang cukup tinggi pada tanah dengan taraf
salinitas moderat, dan tidak berbeda secara nyata antara ketiga taraf salinitas, baik
dengan metode kultur dan metode nonkultur. Isolat-isolat bakteri rhizosfer yang
diperoleh pada metode kultur diketahui memiliki karakter fungsional sebagai
penambat N2, pelarut fosfat, pendegradasi selulosa, dan penghasil IAA. Hal ini
menunjukkan bahwa pada spesies yang sama yang dapat diperoleh dari lokasi
geografis yang berbeda memiliki beragam genotipe meskipun sekuen gen 16S
rRNA nya hampir identik, sehingga berakibat pada lebih tingginya keragaman
bakteri rhizosfer secara substansial (karakter fungsional). Peningkatan salinitas
tanah menyebabkan penurunan pada parameter pertumbuhan tanaman (tinggi
tanaman, jumlah anakan efektif, bobot kering tajuk, dan bobot kering akar) pada
fase primordia dan fase pembungaan, demikian juga dengan parameter komponen
hasil panen (jumlah malai, panjang malai, biji isi per malai, bobot total biji per
tanaman, dan bobot kering bulir padi).
Kata kunci: salinitas, bakteri rhizosfer, tanah pesisir, padi
SUMMARY
DWI NINGSIH SUSILOWATI. Community Structure and Functional Analysis
of Rhizosphere Bacteria associated with Rice Plant Grown on Coastal Soil with
Different Levels of Salinity. Supervised by ANTONIUS SUWANTO, I MADE
SUDIANA, and NISA RACHMANIA MUBARIK.
Salinity is one of the abiotic stresses affect the growth and productivity of rice
plant, especially on paddy field in the coastal areas. Salt stress induces ionic and
osmotic imbalance inside plant cells. Various microbes associated with the
rhizosphere of rice plants and some are beneficial to the plants. This research was
conducted to find out information on the diversity and abundance of community
structure and functional character of rhizosphere bacteria associated with rice
plant grown on coastal soil with three different levels of salinity from very low
saline to moderate saline. The soil samples collected from two different types of
soil were taken from two locations in West Java, namely marine soils from
Subang and fluvio-marine soils from Indramayu. Community structures and
population of the rhizosphere bacteria were monitored during primordial and
flowering plant stages in greenhouse experiments using both culture-dependent
approaches and molecular methods (clonal 16S rRNA gene sequence analysis).
16S rDNA sequences obtained by direct cloning from soil DNA and isolated
bacterial populations were analyzed and compared with each other. Total
population of the rhizosphere bacteria were in the range of 104-106 CFU/g soil.
Population number in moderate saline soil was not significant compared to the
low and non saline soil. The diversity of rhizosphere bacteria from the moderate
saline soil were lower than from low and non saline soil of the control pot.
Bacillus (phylum Firmicutes) found in a variety of soil salinity level either
moderate, low, and very low, such as B. subtilis complex. A group of bacteria of
the phylum Proteobacteria and Actinobacteria also be obtained in addition to the
phylum Firmicutes from the culture dependent method. Clone library analysis
revealed that the rhizosphere bacterial community structure of the rice plant on
the marine soil from Subang and fluvio-marin from Indramayu in a primordial
plant stage consisted of 11 phyla (Proteobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi,
Cyanobacteria, Nitrospirae, Gemmatimonadetes, Bacteriodetes, aquificae,
Actinobacteria, Firmicutes, and Elusimicrobia). Firmicutes dominated the
rhizosphere bacterial community structure of rice plants in culture dependent
methods, whereas Proteobacteria and Acidobacteria dominated in culture
independent methods. There is a tendency that the salinity of the soil has a
negative effect on the abundance of Betaproteobacteria and positive effect on the
abundance of Alphaproteobacteria and Deltaproteobacteria. Culture independent
methods provide accurate information about the origin of a number of marine
bacteria coexisting with indigenous bacteria on coastal wetland. This causes the
index value of species diversity is high enough on the soil with moderate salinity
level, but not significantly different among the three salinity level, either by
culture dependent and culture independent methods. Rhizosphere bacterial
isolates obtained in culture dependent methods are known to have a functional
character like N2 fixing, phosphate solubilizing, cellulose degrading, and IAA
producing. This suggests that the same species that can be obtained from different
geographical locations have vast numbers of diverse genotypes, despite its 16S
rRNA gene sequences are almost identical, resulting in substantially greater
rhizosphere bacterial in functional diversity. The increasing level of soil salinity
caused a reduction on plant growth parameters (plant height, number of effective
tillers, shoot dry weight, root dry weight) at the primordial and yield components
of rice (number of panicles, panicle length, percentage seeds per panicle, seed
weight per plant, and weight of rice grains).
Keywords: salinity, rhizosphere bacteria, coastal area, rice paddy
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis
ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
ANALISIS KOMUNITAS DAN FUNGSI BAKTERI
RHIZOSFER TANAMAN PADI PADA GRADIEN SALINITAS
TANAH PESISIR
DWI NINGSIH SUSILOWATI
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
pada
Program Studi Mikrobiologi (MIK)
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji pada Ujian Tertutup:
Prof Dr Aris Tri Wahyudi, MSi
Dr Ir Happy Widiastuti, MSi
Penguji pada Ujian Terbuka:
Prof Dr Aris Tri Wahyudi, MSi
Dr Ir Happy Widiastuti, MSi
.
Judul Disertasi
Nama
NIM
: Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri Rhizosfer
Tanaman Padi pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir
: Dwi Ningsih Susilowati
: G 361100041
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Prof Dr Antonius Suwanto, MSc
Ketua
Prof (R) Dr I Made Sudiana, MSc
Anggota
Dr Nisa Rachmania Mubarik, MSi
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Mikrobiologi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof Dr Anja Meryandini,MS
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian Tertutup: 9 Juli 2015
Tanggal Sidang Promosi: 13 Agustus 2015
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT karena dengan
perkenan-Nyalah penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul:
Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Gradien
Salinitas Tanah Pesisir. Penelitian ini dilakukan sejak bulan Juni 2012 hingga
Juni 2014 di Laboratorium Ekologi dan Fisiologi C, Bidang Mikrobiologi, Pusat
Penelitian Biologi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) dan di
Laboratorium Mikrobiologi dan rumah kaca Balai Besar Penelitian dan
Pengembangan Bioteknologi dan Sumberdaya Genetik Pertanian (BB. BIOGEN).
Terima kasih penulis sampaikan kepada Prof Dr Antonius Suwanto, MSc.,
Prof (R) Dr I Made Sudiana, MSc., dan Dr Nisa Rachmania Mubarik, MSi. selaku
pembimbing atas saran-saran yang diberikan untuk kesempurnaan substansi dan
format disertasi ini. Disampaikan juga terima kasih kepada Dr Ir Iman Rusmana,
MSi., Dr Puspita Lisdiyanti, MSc., Dr Ir Suryo Wiyono, MScAgr., Dr Ence
Darmo Jaya Supena, MS., Prof Dr Aris Tri Wahyudi, MSi., dan Dr Ir Happy
Widiastuti, MSi. atas kritik dan saran yang diberikan selama pelaksanaan ujian
kualifikasi, ujian tertutup dan terbuka . Demikian juga terima kasih kepada
Bapak Rofiq dan Bapak Wahyu staf Balai Besar Penelitian dan Pengembangan
Sumber Daya Lahan Pertanian (BBSDLP) atas ijin akses file data peta tanah dan
sebaran tanah sawah di daerah Jawa Barat; Shigeto Otsuka, PhD, Dr Uus
Saefulloh, Dr Iman Hidayat, Prof (R) Dr Ika Mariska dan Bapak Deddy Erfandi
atas kesempatan diskusinya selama ini, serta Prof Dr Anja Meryandini, MS. dan
Dr Gayuh Rahayu, MSc yang senantiasa mengingatkan penulis untuk segera
menyelesaikan studinya. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada suami
dan anak-anak tercinta, kedua orang tua dan saudara-saudara atas kesabaran dan
dukungannya selama ini, Pak Karmin, Pak Holil, dan Pak Uci (alm) yang banyak
membantu selama pengambilan sampel tanah, teman-teman seperjuangan (Mbak
Atit, Mbak Santi, Mbak Nani, dan Mbak Ernin) atas kesetiakawanan dan
kerjasamanya, serta semua pihak yang secara tidak langsung membantu
kelancaran penelitian dan proses penyusunan disertasi.
Sumber dana penelitian ini diperoleh dari proyek SATREP LIPI-JST dan
Dana DIPA APBN TA. 2013 dan 2014 (PJ. Ir Yadi Suryadi, MSc). Penulis
sangat berterima kasih telah dilibatkan dalam proyek SATREP LIPI-JST,
sehingga penelitian ini dapat diselesaikan. Demikian juga kepada Bapak Yadi,
penulis sampaikan terima kasih atas perhatian dan kerjasamanya dalam
pengadaan sejumlah bahan-bahan kimia yang diperlukan untuk penelitian ini.
Semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu
pengetahuan dan dapat digunakan sebagai informasi awal untuk menangani
permasalahan lahan-lahan pertanian di daerah pesisir Indonesia dari sudut
pandang mikrobiologi.
Bogor, Juli 2015
Dwi Ningsih Susilowati
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR.
DAFTAR LAMPIRAN
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Hipotesis Penelitian
Manfaat Penelitian
Kebaruan Penelitian (Novelty)
Ruang Lingkup Penelitian
2 TINJAUAN PUSTAKA
Salinitas Tanah
Dampak Salinitas Tanah terhadap Tanaman Padi
Komunitas dan Aktivitas Mikrob Rhizosfer
Dampak Salinitas Tanah terhadap Mikrob Rhizosfer
Metode Identifikasi Komunitas Mikrob
3 METODE
Tempat dan Waktu Penelitian
Bahan dan Alat Penelitian
Prosedur Analisis
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Sifat-sifat Fisik, Kimia, dan Mikrobiologi Tanah Sawah Pesisir
Subang dan Indramayu
Analisis Komunitas dan Fungsi Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi
pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir dengan Metode Kultur
Analisis Komunitas Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Fase
Primordia pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir dengan Metode
Nonkultur
Perbandingan Metode Kultur dan Nonkultur untuk Analisis
Komunitas Bakteri Rhizosfer Tanaman Padi pada Fase Primordia
pada Gradien Salinitas Tanah Pesisir
Hubungan antara Pertumbuhan dan Produktivitas Tanaman Padi
dengan Struktur Komunitas Bakteri Rhizosfer pada Gradien
Salinitas Tanah Tanah Pesisir
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
iii
iii
iv
1
2
2
3
3
3
4
5
6
6
8
9
10
10
11
17
22
36
44
48
56
56
58
70
96
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Populasi bakteri rhizosfer tanaman padi dengan gradien salinitas
tanah pesisir di bak percobaan
23
Indeks keragaman spesies bakteri rhizosfer tanaman padi pada tanah
pesisir Subang dan Indramayu pada fase primordia dan pembungaan
dengan metode kultur
27
Keragaman fungsional bakteri rhizosfer tanaman padi dari tanah
pesisir Subang dan Indramayu
31
Indeks keragaman bakteri rhizosfer tanaman padi pada tanah pesisir
Subang dan Indramayu pada fase primordia dengan metode
nonkultur
43
Pengaruh taraf salinitas tanah terhadap parameter pertumbuhan
tanaman padi pada fase primordia (35 hari setelah pindah tanam)
di bak percobaan
51
Analisis korelasi Pearson antara salinitas dan parameter pertumbuhan
tanaman padi pada fase primordia
51
Pengaruh taraf salinitas tanah terhadap parameter pertumbuhan tanaman
padi pada fase pembungaan (70 hari setelah pindah tanam) di bak
percobaan
51
Analisis korelasi Pearson antara salinitas dan parameter pertumbuhan
tanaman padi pada fase pembungaan
52
Pengaruh taraf salinitas tanah terhadap parameter komponen hasil
tanaman padi pada 105 hari setelah pindah tanam di bak percobaan 52
Analisis korelasi Pearson antara salinitas dan parameter komponen
hasil tanaman padi
53
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
Bagan alur penelitian
4
Populasi bakteri tanah (log CFU/gram tanah) dari dua tanah sawah
pesisir Subang and Indramayu, dengan taraf salinitas moderat,
rendah, dan sangat rendah
19
Amplifikasi 16S rRNA genom bakteri tanah dari daerah pesisir
Indramayu
20
Jenis-jenis spesies bakteri yang dominan pada tanah sawah pesisir
Subang (A) dan Indramayu (B)
21
Populasi bakteri rhizosfer tanaman padi varietas Mekongga
(log CFU/gram tanah) pada fase primordia dan fase pembungaan
dari tanah marin-Subang dan fluviomarin-Indramayu pada taraf
salinitas moderat, rendah, dan sangat rendah
22
Jenis-jenis spesies bakteri rhizosfer yang dominan pada tanaman padi
pada fase primordia (35 hari setelah pindah tanam) pada tanah
sawah pesisir Subang (A) dan Indramayu (B)
24
Jenis-jenis spesies bakteri rhizosfer yang dominan pada tanaman padi
pada fase pembungaan (70 hari setelah pindah tanam) pada tanah
sawah pesisir Subang (A) dan Indramayu (B)
26
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Kelimpahan relatif filum bakteri rhizosfer tanaman padi varietas
Mekongga pada tanah sawah pesisir Subang dan Indramayu
36
Kelimpahan relatif kelompok Class dari filum Proteobacteria
sejumlah bakteri rhizosfer tanaman padi varietas Mekongga pada
tanah sawah pesisir Subang dan Indramayu
37
Hubungan filogenetik bakteri rhizosfer tanaman padi dari pustaka
klon 16S rRNA dari tanah sawah pesisir Subang dengan salinitas
moderat yang memiliki kesamaan homologi dengan sekuen-sekuen
yang diisolasi dari lingkungan salin atau alkali
40
Hubungan filogenetik bakteri rhizosfer tanaman padi dari pustaka
klon 16S rRNA dari tanah sawah pesisir Indramayu dengan salinitas
moderat yang memiliki kesamaan homologi dengan sekuen-sekuen
yang diisolasi dari lingkungan salin atau alkali
41
Komposisi relatif klon-klon pada taraf filum dari pustaka klon 16S
rRNA tanah pesisir Subang
46
Komposisi relatif klon-klon pada taraf filum dari pustaka klon 16S
rRNA dari tanah pesisir Indramayu
47
Parameter pertumbuhan tanaman padi varietas Mekongga, (A) tinggi
tanaman dan (B) jumlah anakan, pada fase primordia dan pembungaan
pada tanah marin-Subang dan fluviomarin-Indramayu, dari tiga taraf
salinitas moderat, rendah dan sangat rendah
49
Parameter pertumbuhan tanaman padi varietas Mekongga, (A) bobot
kering tajuk dan (B) bobot kering akar, pada fase primordia dan
pembungaan pada tanah marin-Subang dan fluviomarin-Indramayu,
dari tiga taraf salinitas moderat, rendah, dan sangat rendah
50
Parameter komponen hasil tanaman padi varietas Mekongga pada
umur 105 hari setelah tanam, (A) jumlah malai, (B) panjang malai,
dan (C) persentase biji isi per malai, dari tanah marin-Subang dan
fluviomarin-Indramayu, dari tiga taraf salinitas moderat, rendah,
dan sangat rendah
54
Parameter komponen hasil tanaman padi varietas Mekongga pada
umur 105 hari setelah pindah tanam, (A) bobot total biji pertanaman
(g/tanaman) dan (B) bobot kering bulir padi (g/tanaman), dari tanah
marin-Subang dan fluviomarin-Indramayu, dari tiga taraf salinitas
moderat, rendah, dan sangat rendah
55
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
Peta lokasi sebaran sawah daerah Jawa Barat (A Subang dan
B Indramayu)
Karakteristik fisikokimia tanah sawah pesisir Desa Patimban,
Kecamatan Pusaka Negara, Kabupaten Subang, dan Desa Eretan
Kulon, Kecamatan Kandanghaur, Kabupaten Indramayu, Jawa Barat
Deskripsi padi varietas Mekongga
Jenis-jenis bakteri tanah dari lahan sawah daerah pesisir Subang
dan Indramayu
70
71
72
73
5
6
7
8
9
10
Jenis-jenis bakteri rhizosfer tanaman padi pada gradien salinitas
tanah pesisir Subang dan Indramayu yang diisolasi pada fase
primordia
Jenis-jenis bakteri rhizosfer tanaman padi pada gradien salinitas
tanah pesisir Subang dan Indramayu yang diisolasi pada fase
pembungaan
Dinamika keberadaan bakteri rhizosfer tanaman padi pada fase
primordia dan pembungaan pada gradien salinitas tanah pesisir
Subang dan Indramayu
Jenis-jenis bakteri rhizosfer hasil pustaka klon 16S rRNA
Afiliasi filogenetik dan kelimpahan bakteri rhizosfer tanah pesisir
Subang
Afiliasi filogenetik dan kelimpahan bakteri rhizosfer tanah pesisir
Indramayu
75
77
79
81
93
94
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Salinitas adalah fitur alami dari ekosistem di daerah kering dan semi kering
dengan tingkat evapotranspirasi yang tinggi, sehingga berdampak pada terjadinya
akumulasi garam pada permukaan tanah. Lebih dari 800 juta hektar lahan di
seluruh dunia dipengaruhi oleh garam (FAO 2008). Salinitas tanah menunjukkan
variasi temporal dan spasial yang tinggi bergantung pada iklim, elevasi, drainase,
tekstur tanah, dan faktor-faktor terkait lainnya (Tripathi et al. 2006, Tripathi et al.
2007). Ada tiga klasifikasi tanah yang digunakan untuk menggambarkan
akumulasi garam di dalam tanah. Tanah salin mengandung jumlah garam terlarut
yang tinggi, terutama Ca2+, Mg2+, K+, dan Na+, garam Cl-, NO3-, SO4-2, dan CO3-3;
tanah sodik didominasi oleh garam Na+. Tanah salin-sodik memiliki garam Ca2+,
Mg2+, dan K+ serta Na+ yang tinggi
Salinitas tanah juga dihadapi di beberapa lahan sawah daerah pesisir di
Indonesia. Sekitar 40.3% (3.25 juta ha) dari luas lahan sawah di Indonesia (8.1
juta ha) berada di Pulau Jawa dan tersebar di daerah pesisir Pantai Utara
(Pantura). Beberapa daerah sentra produksi padi di wilayah pesisir Jawa Barat
seperti kabupaten: Bekasi, Karawang, Subang, Indramayu, dan Cirebon memiliki
kontribusi paling tinggi terhadap produksi beras nasional (BPS 2011). Salah satu
permasalahan lahan sawah di wilayah tersebut adalah penciutan lahan akibat
genangan sebagai dampak peningkatan permukaan air laut dan degradasi serta
penurunan produktivitas lahan akibat salinitas. Tanaman padi tergolong ke dalam
tanaman yang toleran salin pada kisaran salinitas sebesar 0.9 – 1.6 dS/m dan
sangat peka terhadap salinitas pada awal fase bibit. Dengan demikian salinitas
merupakan ancaman serius terutama pada lahan sawah daerah pesisir bagi
keberlanjutan agroekosistem.
Di Pantura Jawa Barat, dampak kenaikan muka air laut terhadap
penurunan produksi padi akibat salinitas terlihat secara nyata di Indramayu. Hasil
penelitian menunjukkan tingkat salinitas di Indramayu, Jawa Barat berstatus
sedang sampai tinggi masing-masing pada kedalaman 0-30 cm dan 30-70 cm.
Kabupaten Karawang dan Subang juga mengalami penurunan produksi beras
sekitar 300.000 ton akibat genangan (Boer et al. 2009, Boer et al. 2011). Menurut
Suriyan dan Chalermpol (2009), perluasan intrusi air laut mengakibatkan
salinisasi tanah, sehingga bersifat toksik bagi tanaman, dan dapat menghambat
pertumbuhan dan produksinya. Apabila salinitas meningkat di atas 2 dS/m maka
hasil akan menurun sekitar 10% untuk setiap kenaikan 1 dS/m (Grattan et al.
2002).
Penelitian terkait dengan salinitas lahan banyak dilakukan antara lain
penelitian mengenai teknologi identifikasi dan rehabilitasi tanah salin,
pengembangan varietas toleran kondisi salin, pemetaan salinitas tanah, dan
pengaturan tata air mikro untuk mengurangi salinitas di dalam petakan sawah.
Efek salinitas terhadap sifat fisik dan kimia tanah (Keren 2000, Sardinha et al.
2003) serta pertumbuhan tanaman sudah diketahui dengan baik. Sejumlah
penelitian mengenai efek salinitas pada mikrob tanah di lahan salin telah
dilakukan (Rietz dan Haynes 2003, Siddikee et al. 2011, Keshri et al. 2013).
2
Namun, sifat mikrobiologi pada rhizosfer tanaman padi pada fase primordia pada
lahan sawah di lingkungan salin dan toleransi tanaman terhadap cekaman salinitas
yang didapatkan dari bakteri rhizosfer masih jarang dipelajari. Penelitian dengan
basis adaptasi mengenai struktur komunitas mikrob rhizosfer tanaman padi pada
lahan-lahan sawah di daerah pesisir terkait dengan permasalahan salinitas tanah
belum pernah dilaporkan di Indonesia. Keberadaan mikrob rhizosfer banyak
terlibat dalam berbagai siklus biogeokimia seperti mineralisasi, siklus hara, dan
agregasi tanah, sehingga keragaman mikrob merupakan komponen penting untuk
menopang fungsi ekosistem.
Beberapa peneliti melakukan studi komunitas mikrob dengan berbagai
pendekatan, baik dengan metode kultur maupun nonkultur. Nelson dan Mele
(2007) telah mengamati adanya perubahan struktur komunitas mikrob rhizosfer
tanaman gandum sebagai respon terhadap peningkatan konsentrasi boron dan
NaCl menggunakan BIOLOG dan analisis Terminal Restriction Fragment Length
Polymorphism (T-RFLP). Perubahan terjadi secara nyata pada struktur komunitas
bakteri penambat N2, namun tidak demikian pada bakteri pengoksidasi ammonia.
Selanjutnya Ibekwe et al. (2010) mengamati struktur komunitas bakteri rhizosfer
tanaman ketimun sebagai efek terhadap boron, pH, dan NaCl tanah menggunakan
metode kultur dan nonkultur dengan Denaturing Gradien Gel Electrophoresis
(DGGE). Metode kultur kurang memadai untuk menganalisis komunitas mikrob
pada lingkungan alaminya, sehubungan dengan adanya sejumlah besar bakteri
yang belum dapat dikulturkan (Amann et al. 1995). Analisis molekuler seperti
kloning dan sekuensing gen 16S rRNA juga dapat digunakan untuk memonitor
struktur komunitas mikrob tanpa kultivasi (Feiske et al. 1998, Dunbar et al. 1999,
Ramirez-Saad et al. 2000).
Perumusan Masalah
Adanya intrusi air laut ke lahan sawah di wilayah pesisir dapat menghambat
pertumbuhan tanaman padi dan mempengaruhi penurunan produktivitas lahan
tersebut. Agroekosistem di daerah pesisir ini merupakan ekosistem yang dinamis
dan memiliki kekayaan mikrob yang potensial bagi pertumbuhan tanaman dan
kesuburan tanah. Namun, apakah salinitas tanah akan memiliki kecenderungan
menurunkan populasi, diversitas, dan kelimpahan pada struktur komunitas bakteri
rhizosfer tanaman padi. Apabila terjadi hal yang demikian, kecenderungan seperti
apa yang akan terjadi pada struktur komunitas mikrob rhizosfer tanaman padi?
Dan bagaimana pengaruh perubahan tersebut pada parameter pertumbuhan
tanaman padi?
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini ialah mendapatkan informasi keragaman dan
kelimpahan struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman padi pada gradien
salinitas tanah pesisir dengan metode kultur dan nonkultur. Adapun tujuan
khususnya meliputi 1) mengidentifikasi struktur komunitas dan fungsi bakteri
rhizosfer tanaman padi pada fase pertumbuhan tanaman padi pada gradien
3
salinitas tanah pesisir dengan metode kultur dan nonkultur, 2) membandingkan
analisis komunitas bakteri rhizosfer tanaman padi pada salah satu fase
pertumbuhan tanaman padi yang ditanam pada gradien salinitas tanah pesisir
dengan metode kultur dan nonkultur, dan 3) mempelajari pengaruh gradien
salinitas lahan sawah daerah pesisir pada struktur komunitas bakteri rhizosfer dan
dihubungkan dengan parameter pertumbuhan dan komponen hasil tanaman padi
varietas Mekongga
Hipotesis Penelitian
Hipotesis pada penelitian ini ialah (1) semakin rendah salinitas tanah pesisir,
maka semakin tinggi keragaman struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman
padi; (2) adanya perbedaan gradien salinitas tanah pesisir mempengaruhi
kelimpahan jenis bakteri rhizosfer tanaman padi; dan (3) semakin rendah salinitas
tanah dan semakin beragam struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman padi
akan semakin baik kualitas pertumbuhan tanaman padi.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi dasar mengenai
keragaman dan kelimpahan struktur komunitas bakteri rhizosfer tanaman padi
pada gradien salinitas tanah pesisir. Data yang diperoleh dapat menjadi basis data
untuk pengembangan strategi dan teknologi adaptasi untuk penyesuaian kegiatan
dan teknologi dengan kondisi lingkungan yang disebabkan oleh adanya perluasan
intrusi air laut. Upaya adaptasi dipandang sebagai langkah penyelamatan agar
ketahanan pangan dan sasaran pembangunan pertanian dapat dicapai. Upaya
adaptasi dilakukan melalui pengembangan pertanian yang toleran terhadap
permasalahan lingkungan saat ini dan di masa yang akan datang.
Kebaruan Penelitian (Novelty)
Penelitian mengenai struktur komunitas dan kelimpahan bakteri rhizosfer
tanamaan padi pada gradien salinitas lahan sawah di wilayah pesisir sebagai
dampak intrusi air laut belum pernah dilaporkan di Indonesia. Metode
pengambilan sampel tanah pada studi komunitas mikrob biasanya dilakukan
secara langsung dari lapangan, namun pada penelitian ini pengambilan sampel
tanah dilakukan pada kondisi yang terkendali di rumah kaca dan menjadi
kebaruan dari penelitian ini. Informasi sifat mikrobiologi lahan sawah di wilayah
pesisir yang diperoleh dari penelitian ini juga merupakan informasi pertama yang
dapat melengkapi informasi sifat fisikokimia yang sudah banyak dilakukan
peneliti lainnya. Kelengkapan informasi sifat-sifat fisik, kimia, dan mikrobiologi
dapat digunakan untuk menduga kondisi lahan setelah adanya pengaruh intrusi air
laut dan dapat digunakan sebagai dasar berpijak untuk pengembangan teknologi
yang adaptif untuk mempertahankan keberlanjutan agroekosistem di wilayah
pesisir.
4
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini mengungkap keragaman dan kelimpahan struktur komunitas
bakteri rhizosfer tanaman padi pada gradien salinitas tanah pesisir dan dikaitkan
dengan pertumbuhan dan produktivitas tanaman padi dengan metode kultur dan
nonkultur seperti ditunjukkan pada alur penelitian berikut ini (Gambar 1).
Pengambilan tanah dari lahan sawah di daerah pesisir Subang
dan Indramayu masing-masing dengan gradien salinitas
Analisis sifat fisik, kimia, dan mikrobiologi sampel tanah
Persiapan media tanam di pot menggunakan tanah pesisir
dengan perlakuan gradien salinitas dengan 4 ulangan
Penanaman pot dengan bibit padi varietas Mekongga
PPengkulturan total bakteri
rhizosfer dari sampel tanah
pada 35 dan 70 hari setelah
pindah tanam
Isolasi DNA dari sampel
tanah rhizosfer tanaman
padi
Isolasi DNA bakteri
Amplifikasi gen 16S
rRNA
Amplifikasi gen 16S rRNA
Kloning gen 16S rRNA
Sekuensing
Sekuensing klon-klon
representatif
Struktur komunitas
bakteri rhizosfer tanaman
padi
tanaman padi
Gambar 1 Bagan alur penelitian
5
2 TINJAUAN PUSTAKA
Salinitas Tanah
Salinitas menunjukkan kadar garam yang terlarut di dalam air atau larutan
tanah yang dinyatakan dalam satuan miligram per liter (mg/L) atau disebut total
garam terlarut (Total Dissolved Salts/TDS). Pengukuran TDS secara tidak
langsung biasanya dilakukan dengan pendekatan electrical conductivity (EC).
Satuan Internasional (SI) untuk salinitas adalah siemens per metre (S/m). Namun
penggunaan satuan decisiemens per metre (dS/m) lebih sering digunakan.
Sebagai patokan umum, nilai salinitas air biasa (tap water) ialah 0.3 dS/m dan air
salin sekitar 30 dS/m (Water 2007).
Proses akumulasi garam pada permukaan tanah terjadi karena gerakan
garam dari profil tanah bawah (sub-soil) ke bagian atas (top-soil). Pada bagian
atas terjadi penguapan yang intensif, sehingga menyebabkan larutan garam
bergerak secara kapilaritas ke atas, menguap, dan meninggalkan endapan garam di
permukaan tanah. Apabila proses ini berlangsung terus menerus sepanjang tahun,
maka terbentuk tanah garam. Di Indonesia proses ini tidak berlangsung sepanjang
tahun, hanya terdapat di daerah panas dan kering. Pada musim kemarau terjadi
salinisasi, sebaliknya pada musim hujan terjadi desalinisasi. Pengurangan kadar
garam di permukaan tanah terjadi karena curah hujan yang turun kemudian
melindi ke bawah. Proses salinisasi hanya terjadi pada tanah yang mempunyai
tekstur halus sampai sangat halus (Rosmarkam dan Yuwono 2002). Van Asten et
al. (2004) menyatakan bahwa air mampu melarutkan molekul garam dan
mengangkutnya sebagai aliran permukaan (run off) maupun pencucian (leaching),
sehingga kadar garam dapat berkurang. Pada skala bentang lahan, salinitas tanah
dapat berkurang akibat pasokan air hujan dan air irigasi pada volume dan
intensitas yang cukup.
Sudduth et al. (1995) dan Yan et al. (2007) menyatakan bahwa keragaman
salinitas tanah sangat dipengaruhi oleh keragaman karakteristik tanah. Sumber
garam di dalam tanah di antaranya berasal dari batuan atau bahan induk, air
irigasi, pupuk, herbisida, insektisida, dan fungisida. Pada tanah di wilayah pesisir,
garam dapat berasal dari air laut dengan berbagai cara seperti intrusi dari saluran
irigasi, dan intrusi dari sungai. Erfandi dan Rachman (2011) telah melaporkan
tingkat salinitas tanah sawah di wilayah pesisir utara kabupaten Indramayu terdiri
atas salinitas sangat tinggi (22.57%), tinggi (10.49%), sedang (8.54%), dan rendah
(58.41%). Kebanyakan lahan sawah yang diamati memiliki kandungan natrium
sangat tinggi dan ECe pada kedalaman 0-30 cm berkisar antara 1.37-16.38 dS/m
dan kedalaman 30-70 m berkisar antara 1.11-17.40 dS/m. Tanah yang salinitasnya
tinggi hingga sangat tinggi secara umum cenderung dekat dengan laut sebagai
akibat adanya intrusi air laut secara intensif. Tanah-tanah tersebut memiliki bahan
induk dari sedimen laut dan sangat dipengaruhi oleh aktivitas laut. Secara umum
Rhoades et al. (1989) mengklasifikasikan salinitas tanah berdasarkan pengukuran
EC dari ekstrak jenuh tanah (ECe) ke dalam salinitas rendah (ECe < 2 dS/m),
salinitas sedang (ECe 2-4 dS/m), salinitas tinggi (ECe 4-8 dS/m), dan salinitas
sangat tinggi (ECe > 8 dS/m).
6
Dampak kenaikan muka air laut ialah meningkatnya salinitas air tanah dan
tergenangnya sebagian lahan di wilayah pantai. Peningkatan salinitas tanah
menjadi 3.9 dan 6.5 dS/m akan menurunkan hasil padi sebesar 25% dan 55%
(Zeng dan Shannon 2000). Penurunan produksi bersifat linier sebesar 10% akibat
peningkatan salinitas 1-2 dS/m. Luas lahan sawah yang terancam akibat salinitas
maupun tenggelam di Pantura Jawa diperkirakan 292-400 ribu ha (3.7%).
Ancaman paling serius akibat penciutan lahan terjadi di Jawa Barat dengan
penurunan produksi hingga 16.000 ton per tahun (Boer et al. 2011).
Dampak Salinitas Tanah terhadap Tanaman Padi
Tanaman padi tergolong tanaman yang moderat sensitif terhadap salinitas,
yaitu tanaman yang masih toleran pada taraf EC berkisar antara 0.9 – 1.6 dS/m.
Cekaman salinitas akan terlihat terutama pada masa pembibitan dan awal
pertumbuhan yang berdampak pada penurunan hasil. Penurunan produksi padi
sawah akibat cekaman salinitas sudah banyak dilaporkan di antaranya sebagai
dampak salinitas dari air irigasi. Nilai EC air irigasi < 0.7 dS/m tidak
menimbulkan masalah salinitas, nilai EC antara 0.7 – 1.7 dS/m mulai
memperlihatkan masalah salinitas ringan sampai sedang, dan nilai EC > 2.0 dS/m
terjadi penurunan produksi secara signifikan (Scardaci et al. 1999). Tiap
peningkatan 1 unit nilai EC air genangan dengan nilai EC > 2.0 dS/m menurunkan
hasil padi sampai 1 t/ha (Asch dan Wopereis 2001).
Rendemen padi paling sensitif terhadap kondisi salin ditentukan selama
tahap inisiasi malai. Kerentanan padi terhadap kondisi salin bervariasi selama
tahap pertumbuhannya. Padi relatif toleran kondisi salin pada saat
perkecambahan, bahkan pada beberapa kasus hingga 16.3 dS/m tidak terpengaruh
secara signifikan (Heenan et al. 1988, Khan et al. 1997). Padi menjadi sangat
sensitif pada tahap bibit muda yang berdampak pada kemampuannya bertahan
pada lahan salin (Lutts et al. 1995) dan relatif kurang sensitif selama tahap akhir
reproduksi (pematangan biji-bijian). Salinitas secara signifikan dapat mengurangi
jumlah anakan per tanaman, jumlah gabah per malai, kesuburan, panjang malai,
dan cabang primer per malai (Heenan et al. 1988, Cui et al. 1995, Khatun et al.
1995, Zeng et al. 2002). Penurunan jumlah anakan per tanaman dan jumlah gabah
per malai merupakan penyebab utama kehilangan hasil pada satu kultivar padi
pada kondisi adanya cekaman salinitas (Zeng dan Shannon 2000). Jumlah gabah
per malai menjadi komponen hasil yang paling sensitif. Komponen ini ditentukan
pada tahap reproduksi awal, sekitar inisiasi malai (Hoshikawa 1989, Counce et al.
2000).
Komunitas dan Aktivitas Mikrob Rhizosfer
Komunitas mikrob merupakan kumpulan mikrob, baik spesies tunggal
maupun multispesies, yang hidup bersama di dalam suatu habitat yang sama atau
didefinisikan juga sebagai setiap kelompok mikrob yang memiliki fungsi dan
aktivitas yang berlainan satu dengan yang lainnya (Buckley 2003). Struktur
mikrob dalam suatu habitat membentuk sistem kompleks sebagai hasil adaptasi
7
terhadap lingkungannya, sehingga kestabilan struktur populasi mikrob menjadi
ukuran kualitas habitat tersebut (McChang et al. 1999).
Menurut Sorensen (1997), rhizosfer ialah volume tanah yang berada di
sekitar perakaran dan dipengaruhi oleh perakaran tanaman. Bagian ini dikenal
penting untuk kesehatan tanaman dan kesuburan tanah. Beberapa studi
menunjukkan bahwa keragaman struktur dan fungsi dari populasi rhizosfer
dipengaruhi oleh spesies tanaman sehubungan dengan perbedaan dalam eksudasi
akar dan rhizodeposisi pada daerah perakaran. Faktor-faktor yang mempengarui
komposisi komunitas mikrob rhizosfer antara lain jenis tanah, tahap pertumbuhan,
praktek pertanaman, sejarah penggunaan lahan, dan faktor lingkungan lainnya
(Grayston et al. 1998, Lupwayi et al. 1998, Doi 2011). Tilak et al. (2005)
menyatakan bahwa komunitas bakteri rhizosfer tanaman memiliki sistem yang
efisien untuk mengambil dan melakukan katabolisme senyawa-senyawa organik
yang berada di dalam eksudat akar.
Mikrob rhizosfer memiliki pengaruh yang baik pada pertumbuhan dan
kesehatan tanaman dengan cara melarutkan unsur hara, menambat N2, atau
menghasilkan zat pemacu tumbuh (Hoflich et al. 1994, Patten dan Glick 1996).
Bakker et al. (1991) menyatakan bahwa beberapa mikrob rhizosfer memiliki
aktivitas biokontrol, menurunkan penyakit tanaman dengan menekan patogen
tanah melalui kompetisi nutrisi, siderofor, atau antibiosis. Adanya interaksi
mikrob dengan tanaman inang dapat mempengaruhi berbagai proses biogeokimia
yang selanjutnya mempengaruhi siklus unsur-unsur penting di dalam tanah.
Tilak et al. (2005) mengemukakan bahwa sejumlah spesies bakteri rhizosfer
tanaman tergolong ke dalam genus Azospirillum, Alcaligenes, Arthrobacter,
Bacillus, Burkholderia, Enterobacter, Erwinia, Flavobacterium, Pseudomonas,
Rhizobium, dan Serratia yang mampu memberikan efek positif bagi pertumbuhan
tanaman. Rangarajan et al. (2002) melakukan pengamatan terhadap keragaman
populasi Pseudomonas pada 5 lahan sawah dengan gradien salinitas di sepanjang
pesisir Tamil Nadu di India bagian Selatan. Hasil yang diperoleh ialah bahwa
peningkatan salinitas rhizosfer tanaman padi berpengaruh terhadap penurunan
keragaman bakteri Pseudomonas dengan kecenderungan Pseudomonas
fluorescens mendominasi lahan tidak salin; sedangkan P. alcaligenes dan P.
pseudoalcaligenes mendominasi lahan salin. Keragaman Pseudomonas pada
lahan salin tampak lebih tinggi pada lahan sawah organik yang menunjukkan
adanya efek positif pertanian organik pada keragaman Pseudomas pada kondisi
salin. Lebih lanjut Tripathi et al. (2002) juga telah mengamati keragaman bakteri
tahan salin pada daerah rhizosfer tanaman padi. Setelah diperoleh 14 galur bakteri
yang diisolasi menggunakan medium semi padat Nitrogen Free bromthymol blue
(NFb) yang telah diperkaya dan menunjukkan toleransinya pada konsentrasi NaCl
sebesar 3%, kemudian galur-galur tersebut dianalisis dengan teknik Amplified
Ribosomal DNA Restriction Analysis (ARDRA) menggunakan enzim restriksi
Sau3AI, AluI dan RsaI serta teknik Random Amplified Polymorphic DNA
(RAPD). Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa terdapat 4 grup yang
berkerabat dekat dengan Alcaligenes xylosoxidans, Ochrobactrum anthropi,
Serratia marcescens, dan Pseudomonas aeruginosa. Loganathan dan Nair (2004)
berhasil mendapatkan bakteri dari rhizosfer, perakaran, dan batang tanaman padi
liar (Porteresia coarctata Tateoka) yang berasosiasi dengan tanaman mangrove
ternyata dekat dengan genus dan spesies baru, Swaminathania salitolerans.
8
Bakteri baru tersebut memiliki kemampuan menambat nitrogen, melarutkan fosfat
dengan adanya NaCl. Analisis filogenetik berdasarkan sekuen gen 16S rRNA
menunjukkan bahwa galur-galur ini dekat dengan genus Acidomonas, Asaia,
Acetobacter, Gluconacetobacter, Gluconobacter, dan Kozakia.
Dampak Salinitas Tanah terhadap Mikrob Rhizosfer
Lingkungan salin merupakan habitat yang ekstrim untuk pertumbuhan
mikrob. Kelimpahan, komposisi, keragaman, dan fungsi metabolik komunitas
mikrob lebih rendah di lingkungan salin dan hipersalin (Jiang et al. 2007). Tipe
lingkungan seperti ini disukai oleh sejumlah bakteri halotoleran yang tidak
memerlukan NaCl untuk tumbuh dan halofilik yang memerlukan NaCl untuk
pertumbuhannya. Ada 3 kelompok bakteri halofil berdasarkan respon terhadap
NaCl, yaitu agak halofil (tumbuh pada 2-5% NaCl), halofil moderat (tumbuh pada
5-20% NaCl), dan halofil ekstrim (tumbuh pada 20-30% NaCl).
Salinitas pernah dipelajari terutama sebagai parameter yang menurunkan
proliferasi mikrob dan aktivitasnya (Lu et al. 2001, Caton et al. 2004). Nelson
dan Mele (2007) telah mengamati adanya perubahan struktur komunitas mikrob
rhizosfer tanaman gandum sebagai respon terhadap peningkatan konsentrasi boron
dan NaCl menggunakan BIOLOG dan analisis Terminal Restriction Fragment
Length Polymorphism (T-RFLP). Perubahan terjadi secara nyata pada struktur
komunitas mikrob rhizosfer tanaman gandum. Adanya NaCl sangat berpengaruh
nyata pada perubahan ini, terutama pada bakteri rhizosfer penambat N2, namun
tidak demikian pada bakteri pengoksidasi ammonia. Penjelasan mengenai hasil
ini diduga terkait dengan adanya perubahan fisik di daerah rhizosfer sehubungan
dengan tekanan osmotik dan gangguan fungsi tanaman. Adanya gangguan pada
tanah dengan kandungan NaCl tinggi berdampak pada air yang diaplikasikan tidak
dapat dipergunakan dengan baik, sehingga tanah menjadi lembab. Peningkatan
kelembaban akan menurunkan kandungan O2 dan meningkatkan akumulasi CO2,
sehingga terjadi seleksi jenis mikrob dan aktivitasnya. Perubahan struktur
komunitas mikrob rhizosfer juga terkait dengan kualitas dan kuantitas eksudat
akar tanaman gandum pada habitat tersebut.
Ibekwe et al. (2010) mengamati struktur komunitas bakteri rhizosfer
tanaman ketimun sebagai efek terhadap salinitas tanah (3 dan 8 dS/m), boron (0.7,
5, dan 8 mg/L), dan pH (6.5 dan 8) dengan metode kultur dan nonkultur dengan
Denaturing Gradien Gel Electrophoresis (DGGE). Hasil yang diperoleh
menunjukkan bahwa efek salinitas, boron, dan pH secara nyata berpengaruh pada
populasi bakteri rhizosfer pada minggu pertama pertumbuhan tanaman dengan
dampak penghambatan pertumbuhan tanaman. Interaksi dari ketiga faktor tersebut
juga berpengaruh secara nyata pada indeks keragaman bakteri pada minggu ke-7,
namun tidak nyata pengaruhnya pada pertumbuhan tanaman ketimun. Hal ini
menunjukkan bahwa adanya perubahan pada keragaman mikrob merupakan
indikator awal adanya cekaman salinitas, boron, dan pH pada lahan, sehingga
diperlukan tindakan remediasi untuk memperbaiki kualitas tanah dan
pertumbuhan tanaman.
9
Metode Identifikasi Komunitas Mikrob
Metode yang umum digunakan untuk keperluan identifikasi komunitas
mikrob ada dua, yaitu: (1) metode yang mengandalkan penggunaan teknik
molekuler untuk analisis DNA; dan (2) metode yang hanya mengidentifikasi
mikrob yang dapat dikulturkan. Beberapa metode molekuler yang melibatkan
ekstraksi dan analisis DNA dari seluruh komunitas mikrob untuk identifikasi sidik
jari genetiknya meliputi Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (TRFLP), Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE), Thermal Gradient
Gel Electrophoresis (TGGE), Single Strand Conformation Polymorphism (SSCP),
Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analysis (ARISA), amplifikasi fragmenfragmen asam nukleat dengan teknik Polymerase Chain Reaction (PCR), dan
Fluorescent In Situ Hybridization (FISH). Struktur dari profil-profil yang
didapatkan selanjutnya dianalisis melalui Principal Component Analysis (PCA)
atau analisis komputasi (misalnya analisis kluster dan dendrogram). Walaupun
sidik jari DNA tadi bersifat culture-independent, namun dapat menaksir secara
cepat kompleks komunitas mikrob dari berbagai lingkungan (Dunbar et al. 2000,
Ranjard et al. 2001, Smalla et al. 2001), yang hasilnya kemungkinan dipengaruhi
oleh metode sekuensing berbasis PCR yang mungkin bias dengan hasil analisis
berbasis molekuler dari struktur komunitas mikrob (Jones dan Thies 2007).
Metode identifikasi mikrob yang dapat dikulturkan dilakukan dengan
mengkultivasi berbagai tipe mikrob di dalam sampel pada nutrisi selektif untuk
memacu pertumbuhannya. Struktur komunitas ditaksir dengan mengidentifikasi
isolat-isolat dari koloni yang dominan. Prosedur ini tidak efisien dari segi biaya
dan tenaga, karena setiap isolat harus dipelajari lebih lanjut dengan mengamati
sifat fisiologi, taksonomi, dan reaktivitasnya terhadap pewarna. Basis data yang
lengkap yang terdiri atas sejumlah isolat telah dikembangkan untuk membantu
studi mengenai komunitas mikrob dengan pendekatan culture-dependent
(Kampfer et al. 1996). Menurut Hattori (1988), populasi bakteri yang diambil
dari sampel alam mungkin tidak terwakili secara akurat pada saat ditumbuhkan
pada media agar-agar. Teknik pengkulturan kurang memadai untuk menganalisis
komunitas mikrob pada lingkungan alaminya, sehubungan dengan adanya
sejumlah besar bakteri yang belum dapat dikulturkan (Amann et al. 1995).
Pendekatan culture-dependent memiliki kelemahan dalam hal selektivitas yang
rendah dan tidak efisien karena periode pengkulturan yang lama, dan teknik ini
juga kurang akurat menggambarkan komunitas bakteri yang disebabkan oleh
perubahan kondisi lingkungan (Liu et al. 1997)
Cara analisis komunitas berdasarkan gen 16S rRNA yang melibatkan PCR
DNA lingkungan, membuat pustaka klon, memilah klon ke dalam Operational
Taxonomical Units (OTUs) dengan analisis RFLP dan sekuensing bersifat sangat
efektif untuk analisis komunitas, namun memakan waktu. Penapisan sejumlah
besar sampel DNA lingkungan dapat disederhanakan menggunakan PCR
dihubungkan dengan analisis DGGE (Muyzer et al. 1993). Metode molekuler
berdasarkan pada analisis DNA total komunitas mikrob tanah dapat mengatasi
keterbatasan teknik pengkulturan. Analisis klon-klon sekuen gen 16S rRNA dari
DNA lingkungan dapat memfasilitasi deteksi dan identifikasi mikrob yang tidak
dapat dikulturkan (Grobkopf et al. 1998, Hugenholtz et al. 1998, Lueders dan
Friedrich 2000).
10
3 METODE
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Mikrobiologi dan Rumah Kaca
Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Bioteknologi dan Sumberdaya Genetik
Pertanian (BB. Biogen) dan Laboratorium Fisiologi C, Pusat Penelitian Biologi,
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). Penelitian ini dilakukan sejak bulan
Juni 2012 sampai dengan bulan Juni 2014.
Bahan dan Alat Penelitian
Sampel tanah
Tanah untuk media tanam di pot pada penelitian ini diambil dari 2 lokasi
lahan sawah di daerah pesisir Jawa Barat, yaitu dari Desa Patimban, Kecamatan
Pusaka Negara, Kabupaten Subang dan Desa Eretan Kulon, Kecamatan
Kandanghaur, Kabupaten Indramayu. Setiap lokasi lahan sawah di daerah
tersebut diambil 3 jenis sampel tanah (salinitas sedang dengan EC 2 - 4 dS/m,
salinitas rendah dengan EC < 2 dS/m, dan salinitas sangat rendah sebagai kontrol
dengan EC mendekati 0 dS/m) pada kedalaman hingga 20 cm (lapisan tanah
olah). Peta lokasi dan data-data pendukung seperti karakteristik fisikokimia tanah,
letak koordinat, jarak pengambilan dari batas pantai ditunjukkan pada Lampiran 1
dan Lampiran 2.
Bahan
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini meliputi: bahan kimia
untuk pembuatan media dan reagen, antibiotik, akuades, kit Wizard DNA
genomic extraction kit (Promega), IsoilTM DNA Kit (Nippon Gene), kit GeneJET
PCR Purification (Thermo Scientific), TOPO TA Kloning kit (Invitrogen),
Qiaprep® Spin Miniprep kit (Qiagen), bufer Tris-Acetic acid-EDTA (TAE) (50x,
1x, dan 0.5x), bufer Tris-EDTA (TE), kloroform, ethanol 70%, natrium asetat 3
M, GoTaq® Green Master Mix, loading dye (Promega, Madison), nuclease free
water, marker DNA ladder 100 bp dan 1 kb, primer-primer 16S rRNA, agarosa,
etidium bromide.
Alat
Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini di antaranya adalah: EC meter
(Lovibond Senso Direct Con110), neraca analitik, autoklaf, oven, alat sentrifugasi
(Microfuge 22R Beckman CoulterTM), inkubator goyang, laminary air flow,
penangas air, pH meter, spektrofotometer, sterilizing filter, refrigerator, freezer
-20 oC, deep freezer -80 oC (Laxicon® ult freezer ESCO), tabung beat beads 2 ml,
tabung mikro berukuran 2 ml, 1.5 ml, 0.5 ml dan 0.1 ml, pipet mikro, tip pipet
mikro (putih, kuning dan biru), syringe, alat Mini Beads Cell Disrupter, nanodrop
(Thermo Scientific nanodrop 2000 spectrophotometer), alat pendaur suhu (Swift
Maxi R-ESCO), alat elektroforesis (Mupid-EXU Sub Marine Electrophoresis
System), UV transiluminator, dan kamera digital.
11
Prosedur Analisis
Persiapan sampel dan analisis sampel tanah
Sifat fisik dan kimia tanah dari daerah pesisir Subang dan Indramayu
dianalisis terlebih dahulu meliputi tekstur tanah, total C, total N, P2O5, K2O, pH,
salinitas (EC dan TDS), Kapasitas Tukar Kation (KTK), dan Kejenuhan Basa
(KB) dilakukan di Balai Penelitian Tanah, sedangkan analisis total dan jenis
bakteri tanah dilakukan di BB. Biogen Bogor. Analisis total bakteri tanah
dilakukan dengan metode plate count agar, sebanyak 10 gram sampel tanah
dimasukkan ke dalam 90 ml larutan fisiologis (8.5 g NaCl per liter akuades)
selanjutnya dihomogenkan selama 30 menit dan diikuti dengan pengenceran serial
dari 10-1 sampai 10-5. Sebanyak 100 µl dari hasil pengenceran ditumbuhkan pada
media ekstrak tanah instan (Himedia) yang terdiri atas glukosa 0.1%, dikalium
fosfat 0.05%, dan ekstrak tanah 1.775%. Inkubasi dilakukan selama 1-2 minggu
pada suhu ruang. Koloni yang tumbuh dihitung dan diambil koloni-koloni yang
dominan untuk diidentifikasi secara molekuler.
Sampel-sampel tanah bagian rhizosfer dipersiapkan dengan memasukkan
tanah-tanah dari kedua daerah pesisir tersebut pada bak-bak percobaan yang
terbuat dari kayu dengan ukuran 75 cm x 70 cm x 30 cm dan diisi dengan 80 Kg
tanah/bak. Bibit padi varietas Mekongga dipersiapkan dengan cara merendam
benih padi selama 24 jam di dalam air yang telah ditambahkan NaCl 30 gram/L,
kemudian benih yang tenggelam diambil dan dicuci, selanjutnya diperam selama
24 jam menggunakan kain saring dan disebar di atas bak plastik untuk persemaian
hingga berumur 25 hari, dan setiap bak-bak percobaan ditanami dengan 4 bibit
padi