Seleksi pada Pemuliaan Tanaman

12 sebagai sumber N untuk pertumbuhan tanaman. Kedua ion secara aktif diserap ke dalam sel-sel akar pada konsentrasi eksternal rendah. Pengukuran influx menunjukkan adanya dua sistem transportasi afinitas tinggi HATS untuk NO 3 - konstitutif dan induksi dan satu HATS lainnya untuk NH 4 + . Namun, secara umum diasumsikan bahwa di hampir semua ekosistem, tanaman mengambil terutama NH 4 + dan NO 3 - , daripada asam amino atau bentuk lain N organik Marschner 1986; Nacry et al. 2013. Dalam tanah nitrat adalah sumber nitrogen yang paling banyak. Nitrat juga berfungsi sebagai sinyal pertumbuhan tanaman pada metabolisme tanaman dan dengan menginduksi gen pada lintasan asimilasi nitrat Gambar 2.1. Gen-gen ini mengkodekan transporter yang mengambil nitrat dari larutan tanah dan enzim nitrat reduktase NR dan nitrit reduktase NIR, yang mengubah nitrat menjadi ammonium dalam sel Crawford dan Glass 1998. Nitrat merupakan makronutrien penting dan juga bertindak sebagai sinyal untuk pertumbuhan tanaman, namun tingkat dalam larutan tanah dapat bervariasi tiga sampai empat kali lipat. Akibatnya, untuk menyerap nitrat tanaman memiliki sistem regulasi menggunakan transporter afinitas tinggi dan rendah. Nitrat dan amonium diserap oleh tanaman melalui berbagai transporter yang terbagi dalam sistem transportasi afinitas tinggi HATS dan sistem transportasi afinitas rendah LATS. HATS memediasi sebagian besar aktivitas serapan ketika konsentrasi N lebih rendah dari 1 mM, dan LATS bertanggung jawab atas penyerapan utama ketika konsentrasi N meningkat di atas 1 mM Forde dan Clarkson 1999, Williams dan Miller 2001. Pada tumbuhan tingkat tinggi, transporter atau channel membran NO 3 - terdiriri atas lima famili, yaitu NRT1, NRT2, CLC, ALMT dan SLAC1 Forde 2000, Tsay et al. 2007, Geiger et al. 2009, Gojon et al. 2009; Sasaki et al. 2010. Hanya famili NRT1 dan NRT2 yang berperan dalam serapan NO 3 - akar. Dua famili gen tersebut memiliki peran berbeda dalam penyerapan nitrat dan tidak memiliki kesamaan sekuen. Dua famili gen transporter nitrat, Nrt1 dan Nrt2, telah diidentifikasi dimana masing-masing menyandikan LATS dan HATS untuk nitrat Crawford dan Glass 1998, Forde 2000, Galvan dan Fernandez 2001. Anggota famili gen Amt1 menyandikan HATS untuk ammonium, yang terdiri dari lima anggota, AtAMT1.1, AtAMT1.2 dan AtAMT1.3 telah dipelajari secara rinci Gazzarini et al. 1999. Ketiga gen disajikan dalam akar, sementara hanya AMT1.1 dinyatakan dalam jumlah yang signifikan di daun Gazzarini et al. 1999, Howitt dan Udvardi 2000. Setelah diserap ke dalam tanaman, nitrat direduksi menjadi nitrit dikatalisasi oleh nitrat reduktase NR kemudian menjadi amonium oleh nitrit reduktase NIR Glass et al. 2002. Selain nitrat, amonium juga merupakan sumber penting dari nitrogen bagi tanaman. Amonium diambil oleh sel tanaman melalui transporter amonium dalam membran plasma dan didistribusikan ke kompartemen intraseluler seperti kloroplas, mitokondria dan vakuola melalui transporter yang berbeda Gambar 2.2 Howwit dan Udvardi 2000. Gen-gen yang terlibat dalam proses metabolisme nitrogen di dalam sel tanaman terpengaruh pada kondisi lingkungan nitrogen rendah. Menurut Lian et al. 2006 terjadi beberapa respon awal bibit padi terhadap cekaman N rendah adalah: 1 terjadi proses down-regulated gen yang terlibat dalam 13 Gambar 2.2. Fluks amonium intraselular dalam sel tanaman. Panah menunjukkan arah fluks amonium, dengan panah tebal yang menunjukkan fluks dominan. Terjadi transportasi masuk dan keluar dari beberapa kompartemen sel tumbuhan: sitosol, plastid, mitokondria, vakuola dan simbiosome nitrogen sel bintil akar yang terinfeksi. fotosintesis dan metabolisme energi, 2 up-regulated gen yang terlibat dalam respon awal terhadap cekaman biotik dan abiotik, sementara banyak terdapat down-regulated gen lain yang responsif terhadap cekaman, 3 up dan down- regulated gen pengatur faktor transkripsi dan yang terlibat dalam sinyal transduksi, dan 4 gen yang terlibat dalam serapan N dan asimilasi menunjukkan sedikit respon terhadap cekaman N rendah. Ketika menghadapi kekurangan N, sebagai mekanisme adaptif, tanaman menghentikan aktivitas yang menggunakan hara dan energi seperti fotosintesis dan siklus TCA tricarboxilic citrid acid untuk bertahan hidup. Gen yang berperan dalam fotosintesis seperti protein dan enzim klorofil terekspresi pada akar. Hal ini menunjukkan bahwa cekaman N rendah pada tahap awal dirasakan oleh akar namun tidak mempengaruhi jaringan daun. Gen-gen up-regulated berperan dalam melindungi tanaman terhadap N rendah, sementara gen down-regulated merupakan respon terhadap cekaman biotik dan abiotik sebagai salah satu strategi untuk bertahan hidup. 2.4 Pemuliaan untuk Toleransi terhadap Nitrogen Suboptimum Cekaman biotik maupun abiotik sangat mempengaruhi pertumbuhan dan hasil tanaman. Upaya perbaikan lingkungan untuk mencegah cekaman lingkungan membutuhkan biaya besar. Oleh karena itu, pengembangan varietas tanaman yang tahan atau toleran terhadap cekaman merupakan cara ekonomis dan efektif untuk mempertahankan hasil panen pada kondisi cekaman Blum et al. 1985. Ceccarelli et al. 1998 menyatakan bahwa cara efektif meningkatkan produktivitas tanaman pada kondisi bercekaman adalah dengan menggunakan tanaman yang telah beradaptasi secara lokal dan diseleksi pada kondisi lingkungan target. Padi lokal memiliki kemampuan adaptif terhadap kondisi N rendah. Menurut Gebrekidan dan Seyoum 2006 pemberian N 60 kg 14 ha -1 merupakan dosis terbaik yang dapat diberikan pada tanaman padi lokal untuk mendapatkan hasil tinggi. Dosis N tinggi justru menurunkan jumlah anakan dan jumlah gabah per malai pada padi lokal. Beberapa program penelitian untuk menghasilkan varietas toleran, terutama di N rendah, telah dilakukan terhadap gandum Orloff et al. 2012, padi Jian-feng et al. 2011, jagung Onasanya et al. 2009, barley Sinebo et al. 2004 dan lobak Baloch et al. 2014. Program pemuliaan yang selalu dilakukan di lingkungan suboptimum perlu dilakukan untuk mendapatkan galur-galur yang adapatif terhadap suatu lingkungan dan dapat mempertahankan hasil pada kondisi lingkungan tersebut. Seleksi dalam pemuliaan tanaman selama ini selalu dilakukan di lingkungan optimum unsur hara, termasuk N, sejak generasi awal dan baru dilakukan di lingkungan target bercekaman pada generasi lanjut indirect breeding. Pendekatan ini dilakukan karena keragaman genetik dan heritabilitas hasil cenderung lebih rendah pada kondisi suboptimum Weber et al. 2012. Akibatnya genotipe yang dihasilkan tidak adaptif terhadap lingkungan suboptimum karena gen-gen yang terfiksasi adalah gen-gen produktivitas yang jika ditanam pada kondisi suboptimum, gen-gen tersebut tidak terekspresi. Jika program pemuliaan langsung dilakukan di lingkungan target direct breeding, lingkungan buatan dengan kondisi yang disesuaikan dengan lingkungan target, maupun dilakukan pada lingkungan bercekaman, akan mempermudah pemulia dalam melihat perbedaan antara genotipe yang peka dengan toleran Vanuprasad et al. 2007. Pendekatan ini akan menghasilkan genotipe yang adaptif namun adaptasinya sempit karena hanya terbatas pada kondisi lingkungan asalnya. Zhang et al. 2015 menemukan bahwa terdapat over ekspresi QTL pada kromosom 12 gen TOND1 Tolerance of Nitrogen Deficiency pada varietas padi indica Teqing pada kondisi N rendah. Over ekspresi gen tersebut pada tanaman transgenik menunjukkan biomass, konsentrasi N, total N tanaman, tinggi tanaman dan panjang akar yang lebih tinggi dibandingkan tanaman kontrol dan hasil lebih tinggi pada berbagai dosis N rendah. Diperoleh bahwa gen TOND 1 dapat meningkatkan toleransi terhadap N rendah pada tanaman padi. Sebelumnya telah teridentifikasi beberapa QTL dari metode molekuler yang terkait dengan toleransi terhadap N rendah. Tong et al. 2006 mengidentifikasi 31 QTL pengendali tinggi tanaman, klorofil, dan hasil. Wang et al. 2009 menyampaikan beberapa QTL terkait jumlah malai dan hasil pada kondisi N cukup dan N rendah. Beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa seleksi pada kondisi yang optimum tidak memiliki hasil baik dan stabil jika ditanam pada kondisi suboptimum Mandal et al 2010; Weber et al. 2012. Gallais et al. 2008 dan Anbessa et al. 2010 menunjukkan bahwa seleksi tidak langsung tersebut dapat lebih efisien daripada seleksi langsung. Menurut Brancourt-Hulmel et al. 2005 program pemuliaan untuk lingkungan input rendah sebaiknya menggunakan lingkungan seleksi dengan input rendah pula untuk memaksimalkan kemajuan seleksi. Hal sebaliknya dinyatakan oleh van Oosterom dan Ceccarelli 1993 dimana seleksi di lingkungan yang subur merupakan metode seleksi yang efisien untuk mendapat genotipe tipe baru