Pengembangan Metode Seleksi Dan Studi Genetik Karakter Toleransi Keracunan Besi Pada Tanaman Padi
i
DEVELOPMENT OF SCREENING METHOD AND GENETIC
STUDY FOR IRON TOXICITY TOLERANCE IN RICE
YUDHISTIRA NUGRAHA
GRADUATE SCHOOL
BOGOR AGRICULTURAL UNIVERSITY
BOGOR
2016
iii
DECLARATION OF THE DISSERTATION, SOURCE OF
INFORMATIONS AND COPY RIGHT*
Here, I declare that this dissertation entitled Development of Screening
Method and Genetic Study for Iron Toxicity Tolerance in Rice is my manuscript
under supervision of supervisor committee and never been proposed to other
university elsewhere. Any sources of information’s from other authors in the
published and non-published articles are cited in the texts and references in the
end of this dissertation.
Therefore, I give the copy right of this manuscript to the Bogor Agricultural
University.
Bogor, April 2016
Yudhistira Nugraha
NIM A263120041
RINGKASAN
YUDHISTIRA NUGRAHA. Pengembangan metode seleksi dan studi genetik
karakter toleransi keracunan besi pada tanaman padi. Dibimbing oleh HAJRIAL
ASWIDINNOOR, SINTHO WAHYUNING ARDIE, MUNIF GHULAMAHDI
dan SUWARNO
Besi tereduksi (Fe2+) pada kondisi berlebih dapat mempengaruhi
pertumbuhan tanaman. Keracunan besi merupakan kelainan fisiologi yang sering
terjadi pada tanah tergenang air dimana padi umumnya dibudidayakan. Sebagai
kontribusi terhadap pemuliaan padi toleran keracunan besi, pada disertasi ini kami
mempelajari pengembangan metode penapisan (skrining) dan studi genetika padi
toleran terhadap keracunan besi.
Tujuan pertama dari studi ini adalah mendapatkan media kultur yang efektif
dan efisien untuk skrining terhadap keracunan besi. Tujuan pertama dari disertasi
ini dijawab dengan mengeksplorasi tiga jenis media, yaitu media konvensional
Yoshida (YCS), media Yoshida dengan tambahan EDTA (YED), dan media
Yoshida dengan 0.2% agar (YAS). Media terbaik yang dapat membedakan varietas
toleran, Mahsuri dengan varietas peka, IR64 setelah 10 hari perlakuan adalah media
YAS dengan 400 mg.L-1 FeSO4. Viskositas larutan agar pada media YAS dapat
mempertahankan pH dan potensial redox (Eh) pada kondisi Fe tinggi. Stabilitas
YAS dapat menghindari pengadukan media pada saat pengaturan pH menciptakan
media yang tidak terganggu menyerupai kondisi pada rhizosfir tanah. Media yang
teroptimasi ini kemudian menunjukkan konsistensi terhadap pengujian 24 genotipe
padi dan secara nyata berkorelasi dengan bronzing daun (r=0.673**) dan hasil
gabah (r=-0.618**) pada percobaan cekaman besi di lapang. Media optimasi ini
juga digunakan untuk mempelajari tipe toleransi keracunan besi pada bibit padi.
Analisis kandungan besi melalui pewarnaan jaringan secara in vivo, deposit plak
pada akar dan pembentukkan aerinkima menunjukkan bahwa genotipe padi yang
diuji dapat dibagi menjadi tipe excluder (Pokkali, Mahsuri dan Siam Saba) dan tipe
includer (Inpara2).
Tujuan kedua dari studi ini adalah mengetahui pewarisan toleransi keracunan
besi pada padi dengan menggunakan studi genetik dan pendekatan molekuler. Dua
populasi persilangan, Inpara5 x Mahsuri dan Inpara5 x Pokkali dianalisis
menggunakan nilai tengah enam generasi pada kondisi larutan hara di rumah kaca
dan pada kondisi lapangan keracunan besi serta kontrol. Gejala bronzing daun pada
percobaan rumah kaca dikuantifikasi menggunakan indeks merah/hijau (R/G)
dengan sistem digital. Cekaman keracunan besi pada percobaan di rumah kaca
dilakukan menggunakan media YAS yang mengandung 400 mg. L-1 FeSO4
berdasarkan percobaan pertama. Kondisi cekaman keracunan besi (2030 mg. Kg-1
Fe total) dan control (765 mg. Kg-1 Fe total) di lapang dilakukan di Taman Bogo
Lampung pada bulan Desember 2013 s.d. April 2014 untuk membandingkan
sejumlah parameter genetik karakter hasil dan komponen hasil. Berdasarkan
percobaan rumah kaca dan lapang, sejumlah karakter yang diamati termasuk hasil
gabah bersesuaian dengan model lima parameter dengan aksi gen epistasis duplikat
atau komplementer. Pendugaan heritabilitas pada kondisi kontrol lebih tinggi jika
dibandingkan kondisi keracunan besi. Populasi persilangan Inpara5 x Mahsuri
memiliki kemungkinan mendapatkan kemajuan genetik yang lebih besar pada
kondisi tercekam besi, sedangkan pada persilangan Inpara5 x Pokkali memiliki
kemungkinan kemajuan genetik yang besar pada kondisi normal. Mempertahankan
variasi genetik sampai generasi lanjut dan dikombinasikan dengan shuttle breeding
antara kondisi normal dan cekaman dapat dijadikan strategi untuk mendapatkan
hasil tinggi dan toleran terhadap keracunan besi.
Variasi genetik sejumlah genotipe padi di percobaan rumah kaca maupun
lapang teridentifikasi menggunakan analisis komponen utama. Data tersebut
kemudian diassosiasikan dengan marka Single Nucleotide Polymorphism (SNPs)
dengan menggunakan assay bead chip Golden Gate Assay. Hasil assosiasi
menunjukkan adanya tujuh marka SNP yang berasosiasi dengan karakter bronzing,
bobot tajuk dan panjang akar relatif pada percobaan rumah kaca dan bronzing,
tinggi tanaman relatif dengan probabilitas p
DEVELOPMENT OF SCREENING METHOD AND GENETIC
STUDY FOR IRON TOXICITY TOLERANCE IN RICE
YUDHISTIRA NUGRAHA
GRADUATE SCHOOL
BOGOR AGRICULTURAL UNIVERSITY
BOGOR
2016
iii
DECLARATION OF THE DISSERTATION, SOURCE OF
INFORMATIONS AND COPY RIGHT*
Here, I declare that this dissertation entitled Development of Screening
Method and Genetic Study for Iron Toxicity Tolerance in Rice is my manuscript
under supervision of supervisor committee and never been proposed to other
university elsewhere. Any sources of information’s from other authors in the
published and non-published articles are cited in the texts and references in the
end of this dissertation.
Therefore, I give the copy right of this manuscript to the Bogor Agricultural
University.
Bogor, April 2016
Yudhistira Nugraha
NIM A263120041
RINGKASAN
YUDHISTIRA NUGRAHA. Pengembangan metode seleksi dan studi genetik
karakter toleransi keracunan besi pada tanaman padi. Dibimbing oleh HAJRIAL
ASWIDINNOOR, SINTHO WAHYUNING ARDIE, MUNIF GHULAMAHDI
dan SUWARNO
Besi tereduksi (Fe2+) pada kondisi berlebih dapat mempengaruhi
pertumbuhan tanaman. Keracunan besi merupakan kelainan fisiologi yang sering
terjadi pada tanah tergenang air dimana padi umumnya dibudidayakan. Sebagai
kontribusi terhadap pemuliaan padi toleran keracunan besi, pada disertasi ini kami
mempelajari pengembangan metode penapisan (skrining) dan studi genetika padi
toleran terhadap keracunan besi.
Tujuan pertama dari studi ini adalah mendapatkan media kultur yang efektif
dan efisien untuk skrining terhadap keracunan besi. Tujuan pertama dari disertasi
ini dijawab dengan mengeksplorasi tiga jenis media, yaitu media konvensional
Yoshida (YCS), media Yoshida dengan tambahan EDTA (YED), dan media
Yoshida dengan 0.2% agar (YAS). Media terbaik yang dapat membedakan varietas
toleran, Mahsuri dengan varietas peka, IR64 setelah 10 hari perlakuan adalah media
YAS dengan 400 mg.L-1 FeSO4. Viskositas larutan agar pada media YAS dapat
mempertahankan pH dan potensial redox (Eh) pada kondisi Fe tinggi. Stabilitas
YAS dapat menghindari pengadukan media pada saat pengaturan pH menciptakan
media yang tidak terganggu menyerupai kondisi pada rhizosfir tanah. Media yang
teroptimasi ini kemudian menunjukkan konsistensi terhadap pengujian 24 genotipe
padi dan secara nyata berkorelasi dengan bronzing daun (r=0.673**) dan hasil
gabah (r=-0.618**) pada percobaan cekaman besi di lapang. Media optimasi ini
juga digunakan untuk mempelajari tipe toleransi keracunan besi pada bibit padi.
Analisis kandungan besi melalui pewarnaan jaringan secara in vivo, deposit plak
pada akar dan pembentukkan aerinkima menunjukkan bahwa genotipe padi yang
diuji dapat dibagi menjadi tipe excluder (Pokkali, Mahsuri dan Siam Saba) dan tipe
includer (Inpara2).
Tujuan kedua dari studi ini adalah mengetahui pewarisan toleransi keracunan
besi pada padi dengan menggunakan studi genetik dan pendekatan molekuler. Dua
populasi persilangan, Inpara5 x Mahsuri dan Inpara5 x Pokkali dianalisis
menggunakan nilai tengah enam generasi pada kondisi larutan hara di rumah kaca
dan pada kondisi lapangan keracunan besi serta kontrol. Gejala bronzing daun pada
percobaan rumah kaca dikuantifikasi menggunakan indeks merah/hijau (R/G)
dengan sistem digital. Cekaman keracunan besi pada percobaan di rumah kaca
dilakukan menggunakan media YAS yang mengandung 400 mg. L-1 FeSO4
berdasarkan percobaan pertama. Kondisi cekaman keracunan besi (2030 mg. Kg-1
Fe total) dan control (765 mg. Kg-1 Fe total) di lapang dilakukan di Taman Bogo
Lampung pada bulan Desember 2013 s.d. April 2014 untuk membandingkan
sejumlah parameter genetik karakter hasil dan komponen hasil. Berdasarkan
percobaan rumah kaca dan lapang, sejumlah karakter yang diamati termasuk hasil
gabah bersesuaian dengan model lima parameter dengan aksi gen epistasis duplikat
atau komplementer. Pendugaan heritabilitas pada kondisi kontrol lebih tinggi jika
dibandingkan kondisi keracunan besi. Populasi persilangan Inpara5 x Mahsuri
memiliki kemungkinan mendapatkan kemajuan genetik yang lebih besar pada
kondisi tercekam besi, sedangkan pada persilangan Inpara5 x Pokkali memiliki
kemungkinan kemajuan genetik yang besar pada kondisi normal. Mempertahankan
variasi genetik sampai generasi lanjut dan dikombinasikan dengan shuttle breeding
antara kondisi normal dan cekaman dapat dijadikan strategi untuk mendapatkan
hasil tinggi dan toleran terhadap keracunan besi.
Variasi genetik sejumlah genotipe padi di percobaan rumah kaca maupun
lapang teridentifikasi menggunakan analisis komponen utama. Data tersebut
kemudian diassosiasikan dengan marka Single Nucleotide Polymorphism (SNPs)
dengan menggunakan assay bead chip Golden Gate Assay. Hasil assosiasi
menunjukkan adanya tujuh marka SNP yang berasosiasi dengan karakter bronzing,
bobot tajuk dan panjang akar relatif pada percobaan rumah kaca dan bronzing,
tinggi tanaman relatif dengan probabilitas p