Pengembangan Padi Toleran Salinitas Melalui Mutasi Dan Seleksi In Vitro Mekanisme Fisiologi Toleransi
PENGEMBANGAN PADI TOLERAN SALINITAS
MELALUI MUTASI DAN SELEKSI IN VITRO :
MEKANISME FISIOLOGI TOLERANSI
ROSSA YUNITA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK
CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertas berjudul Pengembangan
Padi Toleran Salinitas Melalui Mutasi dan Seleksi In Vitro : Mekanisme
Fisiologi Toleransi adalah benar 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, Oktober 2015
ROSSA YUNITA
A263120051
RINGKASAN
ROSSA YUNITA. Pengembangan Padi Toleran Salinitas Melalui Mutasi dan
Seleksi In Vitro : Mekanisme Fisiologi Toleransi. Dibimbing oleh NURUL
KHUMAIDA, DIDY SOPANDIE dan IKA MARISKA.
Untuk memenuhi kebutuhan
beras di Indonesia, perlu dilakukan
peningkatan produktivitas tanaman padi melalui perluasan areal tanam dengan
pemanfaatan lahan marginal seperti tanah salin. Masalah yang dihadapi adalah
ketersediaan varietas yang adaptif sangat terbatas. Penggunaan varietas toleran
salinitas lebih menguntungkan karena akan menurunkan biaya produksi. Untuk
itu diperlukan varietas baru yang beradaptasi di tanah salin.
Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan nomor-nomor
mutan somaklon padi toleran salinitas. Penelitian ini terdiri atas enam percobaan
utama. Percobaan pertama adalah studi regenerasi tunas adventif dari kalus
beberapa varietas padi. Percobaan kedua adalah pengaruh iradiasi sinar gamma
terhadap pertumbuhan kalus dan regenerasinya padi var. Ciherang, Inpari 13 dan
Inpara 3. Percobaan ketiga adalah penentuan nilai LC50 NaCl
pada kalus
beberapa varietas padi. Hasil dari percobaan tersebut digunakan sebagai dasar
untuk melaksanakan percobaan keempat adalah pembentukan genotipe padi
toleran salinitas dari varietas Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3. Nomor-nomor
putatif mutan somaklon yang dihasilkan selanjutnya digunakan sebagai bahan
tanaman untuk percobaan studi mekanisme toleransi salinitas padi pada kondisi
in vitro dan rumah kaca dan seleksi putatif mutan somaklon pada kondisi in vitro
dan rumah kaca.
Percobaan studi regenerasi tunas adventif dari menggunakan kalus 5
varietas padi. Penelitian ini terdiri dari 4 kegiatan yaitu induksi kalus embriogenik,
regenerasi tunas adventif, multiplikasi tunas, induksi akar. Perlakuan untuk induksi
kalus embriogenik adalah MS + 2,4-D (0, 1, 3,5 dan 7 mg/l) + Casein hidrolisat 3
g/l. Perlakuan untuk regenerasi tunas adalah perlakuan MS + BA (0, 1 dan 5 mg/l) +
Zeatin (0, 01 dan 0,3 mg/l) prolin 100 mg/l. Perlakuan untuk multiplikasi tunas
adalah MS + Thidiazuron (0, 0,1 dan 0,3 mg/l) dan perlakuan untuk perakaran
adalah MS + IBA (0, 1, 2 dan 3 mg/l). Hasil penelitian adalah formulasi media
induksi kalus embriogenik dari embrio zigotik varietas Ciherang, Inpari 13 dan
Pokkali adalah MS + 2,4-D 3mg/l + Chasein Hidrolisat 3 g/l, untuk varietas Inpara
3 dan IR 29 adalah MS + 2,4-D 5 mg/l Chasein Hidrolisat 3 g/l. Media regenerasi
tunas adventif pada padi varietas Ciherang, Inpari 13 dan Pokkali adalah MS + BA
3 mg/l + Zeatin 0,3 mg/l + prolin 100 mg/l, dan untuk varietas Inpari 3 dan IR 29
adalah MS + BA 3 mg/l + Zeatin 0,1 mg/l. Media multiplikasi dan perakaran pada
semua varietas berturut turut adalah MS + Thidiazuron 0,3 mg/l, MS +IBA 2 dan 3
mg/l.
Percobaan pengaruh iradiasi sinar gamma terhadap pertumbuhan kalus
dan regenerasinya padi var. Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3 bertujuan untuk
menentuan nilai LD50. Perlakuan pada percobaan ini adalah iradiasi sinar gamma
pada dosis 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 , 80, 90 dan 100 Gy. Hasil yang diperoleh
pada percobaan ini adalah nilai LD50 untuk kalus varietas Ciherang adalah 22,468
Gy, untuk varietas Inpari 13 adalah 23,124 Gy dan Inpara 3 adalah 21.0305 Gy.
Pada percobaan penentuan nilai LC50 NaCl pada kalus beberapa varietas
padi bertujuan untuk mengetahui nilai LC50 NaCl. Perlakuannya yang diberikan
yaitu konsentrasi NaCl (0, 50, 100, 150 dan 200 mM). Hasil yang peroleh adalah
nilai LC50 NaCl dari kalus Ciherang adalah 85,79 mM, Inpari 13 adalah 90,91
mM, Inpara 3 adalah 91,77 mM dan, IR29 adalah 70,67 mM.
Tujuan percobaan pembentukan genotipe padi toleran salinitas dari
varietas Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3 adalah mendapatkan nomor-nomor
mutan somaklon padi toleran salinitas hasil mutasi induksi dan seleksi in vitro.
Varietas yang digunakan adalah Ciherang, Inpari 13, Inpara 3. Penelitian ini
terdiri 4 kegiatan utama yaitu induksi kalus embriogenik, induksi mutasi dan
seleksi in vitro, regenerasi tunas, aklimatisasi. Hasil dari penelitian adalah
diperoleh 29 nomor putatif mutan somaklon yang berasal dari padi varietas
Ciherang. 39 nomor yang berasal dari padi varietas Inpari 13 dan 42 nomor
yang berasal dari padi varietas Inpari 13.
Tujuan dari percobaan studi mekanisme toleransi salinitas padi pada
kondisi in vitro dan rumah kaca dan seleksi putatif mutan somaklon pada kondisi
in vitro dan
rumah kaca adalah untuk mendapatkan nomor-nomor mutan
somaklon padi toleran salinitas yang telah diseleksi secara in vitro dan rumah
kaca dan mendapatkan informasi mekanisme toleransi salinitas tanaman padi pada
kondisi in vitro dan rumah kaca. Percobaan ini terdiri dari dua kegiatan yaitu
seleksi toleransi cekaman salinitas putatif mutan somaklon berdasarkan SES
(Standard Evaluation Score) dan studi mekanisme toleransi salinitas hasil seleksi
in vitro. Hasil penelitian adalah diperoleh nomor-nomor putatif mutan somaklon
padi toleran salinitas hasil seleksi in vitro dan di rumah kaca yaitu CH-30 dan
CH-4-2 (asal Ciherang); II-13-42, II-13-7, II-13-10, II-13-13 II-13-2 (asal Inpari
13) dan IA-3-21 (asal Inpara 3). Mekanisme toleransi salinitas pada nomornomor putatif mutan somaklonal yang toleran terhadap NaCl hasil diseleksi secara
in vitro maupun di rumah kaca menunjukkan mekanisme yang sama. Beberapa
parameter yang diuji memperlihatkan hasil akumulasi prolin yang lebih tinggi,
kandungan K, Mg dan Ca pada daun yang cenderung tetap dan kandungan Na
yang lebih rendah, kerapatan stomata yang lebih renggang dan perbandingan
panjang dan lebar stomata lebih besar. Uraian diatas menunjukkan putatif mutan
somaklon padi yang dihasilkan memiliki mekanisme toleransi ekslusi.
Kata Kunci : Oryza sativa. NaCl, regenerasi kalus, LD50, LC50 NaCl, stomata
SUMMARY
ROSSA YUNITA. Salinity Tolerant Rice Development Through In Vitro
Mutation and Selection: Mechanism of Tolerance Physiology. Supervised by
NURUL KHUMAIDA, DIDY SOPANDIE and IKA MARISKA.
To meet the demand for rice in Indonesia, is necessary to improve the
productivity of rice plants through the expansion of harvest area to use marginal
land such as saline soils. The problem is the availability of very limited adaptive
varieties. The use of saline-tolerant varieties are more profitable because it will
reduce production costs. It is necessary for new varieties to be able adapt in saline
soil
The main objective of this study was to obtain numbers of salinity tolerant
mutants somaclone. This study consists of six main experiment. The first
experiment is a study of adventitious shoot regeneration from callus several rice
varieties. The second experiment is the effect of gamma irradiation on the growth
of callus and regeneration of rice var. Ciherang, Inpari 13 and Inpara 3. The third
experiment is to determine the LC50 value of NaCl on some varieties of rice
callus. Results of these experiments are used as the basis for implementing the
fourth experiment was the formation of salinity tolerant rice genotypes of
Ciherang, Inpari 13 and Inpara 3. The numbers putative mutants generated is then
used as plant material for experiment study of salinity tolerance mechanisms of
rice in vitro conditions and greenhouse and selection of putative mutants
somaclone in vitro conditions and greenhouse
Experiment study of regeneration of adventitious buds of using 5 rice
varieties callus. This study consists of four activities; they are embryogenic callus
induction, regeneration of adventitious buds, shoots multiplication and root
induction. Embryogenic callus induction was treated MS + 2,4-D (0, 1, 3.5 and 7
mg/l) + Casein hydrolyzate 3 g/l. Regeneration of shoots was treated MS + BA (0,
1 and 5 mg/l) + Zeatin (0, 01 and 0.3 mg/l) Proline 100 mg/l. Shoot multiplication
was treated MS + Thidiazuron (0, 0.1 and 0.3 mg/l) and rooting was treated MS +
IBA (0, 1, 2 and 3 mg/l). Results of the study are embryogenic callus induction
media formulations of zygotic embryos Ciherang, Inpari 13 and Pokkali wasMS +
2,4-D 3mg/l + Chasein hydrolyzate 3 g/l, for a variety Inpara 3 and IR 29 was MS
+ 2.4 -D 5 mg/l Chasein hydrolyzate 3 g/l. Media regeneration of adventitious
buds in rice Ciherang, Inpari 13 and Pokkali was MS + BA 3 mg/l + Zeatin 0.3
mg/l + proline 100 mg/l, and for Inpari 3 and IR 29 is MS + BA 3 mg/l + Zeatin
0.1 mg/l. Media multiplication and rooting on all varieties consecutive
Thidiazuron is MS + 0.3 mg/l, MS + IBA 2 and 3 mg/l.
Experiment effect of gamma irradiation on the growth of callus and
regeneration of rice var. Ciherang, Inpari 13 and Inpara 3 aims to determine the
LD50 value of callus 5 rice varieties. The treatment in this experiment is a gammaray irradiation at a dose of 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 and 100 Gy. The
results obtained in this experiment in the LD50 value for callus Ciherang was
22.468 Gy, for Inpari 13 was 23.124 Gy and Inpara 3 was 21.0305 Gy.
In the experimental determination of the LC50 values of NaCl on some
varieties of rice callus aims to determine LC50 values NaCl. The treatments that
give the concentration of NaCl (0, 50, 100, 150 and 200 mM). The results
obtained are LC50 values of callus Ciherang NaCl is 85.79 mM, Inpari 13 is
90.91 mM, Inpara 3 is 91.77 mM and, IR29 is 70.67 mM.
The purpose of this experiment of studies the mechanism of salinity
tolerance of rice at in vitro conditions and greenhouse and selection of putative
mutants somaclone at in vitro conditions and greenhouse are get the numbers of
mutant somaclone tolerant salinity and to get information mechanisms of
tolerance salinity of rice at in vitro and greenhouse conditions . This experiment
consists of two activities, the selection of salinity tolerance putative mutant
somaclone based SES (Standard Evaluation Score) and the study of mechanisms
of salinity tolerance in vitro selection results. The research resulted in obtained
putative numbers salinity tolerant rice mutant somaclone selection results in vitro
and in the greenhouse is the CH-30 and CH-4-2 (Ciherang origin); II-13-42, II-137, II-13-10, II-II-13-2 13-13 (derivat from Inpari 13) and IA-3-21 (derivat from
Inpara 3). Salinity tolerance mechanism in numbers putative mutant somaclon
tolerant NaCl selected resulted in vitro and in greenhouses showed the same
mechanism. The resulted of parameters showed higher proline accumulation,
content of K, Mg and Ca in the leaves tend to remain and lower Na content,
stomatal density of the lighter and the length and width ratio greater stomata. The
Description above shows the putative mutant rice produced somaclone have
tolerance mechanisms of exclusion.
Key Word : Oryza sativa. NaCl, callus regeneration, LD50, LC50 NaCl, stomata
© 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
PENGEMBANGAN PADI TOLERAN SALINITAS
MELALUI MUTASI DAN SELEKSI IN VITRO :
MEKANISME FISIOLOGI TOLERANSI
ROSSA YUNITA
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
pada
Program Studi Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji pada Ujian Tertutup:
1.
Dr. Ir. Hajrial Aswidinoor. M.Sc.
Staf Pengajar Pada Departemen Agronomi dan Hortikultura,
Fakultas Pertanian, IPB
2.
Dr. Ir. Ali Jamil, M.P
Kepala Balai Besar Penelitian Tanaman Padi.
Badan Litbang Pertanian, Kementrian Pertanian
Penguji pada Ujian Terbuka:
1.
Dr. Ir. Ali Jamil, M.P.
Kepala Balai Besar Penelitian Tanaman Padi.
Badan Litbang Pertanian, Kementrian Pertanian
2.
Prof. Dr. Ir. Sudirman Yahya, M.Sc.
Staf Pengajar Pada Departemen Agronomi dan Hortikultura,
Fakultas Pertanian, IPB
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Penelitian
Nama
NRP
: Pengembangan Padi Toleran Salinitas Melalui Mutasi
dan Seleksi In Vitro : Mekanisme Fisiologi Toleransi
: Rossa Yunita
: A 263120051
Disetujui:
Ketua Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Nurul Khumaida, MSi
Ketua
Prof. Dr. Ir. Didy Sopandie, M.Agr
Anggota
Prof. (R). Dr. Ika Mariska
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi
Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
Dr. Ir. Yudiwanti Wahyu E K, MS
Tanggal Ujian Tertutup : 30 Juli 2015
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Dr. Ir. DahruI Syah, MSc, Agr.
Tanggal Lulus: 19 Oktober 2015
Tanggal Sidang Promosi : 7 September 2015
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian ini ialah Salinitas, dengan judul : Pengembangan Padi
Toleran Salinitas Melalui Mutasi dan Seleksi In Vitro : Mekanisme Fisiologi
Toleransi
Penelitian dan penulisan disertasi ini dibimbing oleh Dr. Nurul Khumaida,
MS. selaku ketua komisi pembimbing dan dua Angota Komisi Pembimbing yaitu
Prof. Dr. Ir. Didy Sopandie, M.Agr dan Prof (R). Dr. Ika Mariska. Pada
kesempatan ini penulis menyampaikan terimakasih dan penghargaan yang tulus
atas waktu dan kesempatan yang telah diluangkan dalam mengarahkan dan
membimbing penulis.
Bagian dari disertasi ini telah dipublikasikan pada Jurnal Research
Bioscience vol: 11 no1 halaman 04-09 tahun 2014 dengan judul “Growth and
regeneration of rice (Oryza sativa L.) callus in salt medium” dan Jurnal
Agrobiogen vol: 28 no: 3 halaman 101-108 dengan judul “Pengaruh Iradiasi sinar
gamma terhadap pertumbuhan dan regenerasi kalus padi varietas Ciherang dan
Inpari 13”.
Penelitian dan penyelesaian disertasi ini didanai oleh Program Dana
Bantuan Penelitian Petugas Belajar Badan Litbang Pertanian, karena itu penulis
menyampaikan banyak terimakasih kepada Badan Litbang Pertanian, Kementrian
Pertanian. Ucapan terimakasih Penulis sampaikan kepada Kepala Balai Besar BBBiogen yang telah memberikan fasilitas untuk penelitian.
Terimakasih penulis ucapkan kepada teman–teman Peneliti di BB-Biogen
pada umum dan khusunya di Kelti Biologi Sel dan Jaringan. Ungkapan terima
kasih juga disampaikan setinggi-tingginya kepada Ayahanda H. Asri Harun,
Ibunda Hj. Rosliani, Suami tercinta Abdul Aziz, SSos, MSi, serta seluruh
keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Oktober 2015
Rossa Yunita
DAFTAR ISI
RINGKASAN
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
1. PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
2. TINJAUAN PUSTAKA
Pengaruh Kondisi Salin Terhadap Proses Fisiologi Tanaman
Mekanisme Fisiologi Toleransi Salinitas Pada Tanaman
Mutasi Induksi
Seleksi In vitro
3. REGENERASI TUNAS ADVENTIF DARI KALUS
BEBERAPA VARIETAS PADI
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
4. PENGARUH IRADIASI SINAR GAMMA TERHADAP
PERTUMBUHAN KALUS DAN REGENERASINYA PADI
VAR. CIHERANG, INPARI 13 DAN INPARA 3
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
5. PENENTUAN NILAI LC50 NaCl PADA KALUS
BEBERAPA VARIETAS PADI
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
6. PEMBENTUKAN GENOTIPE PADI TOLERAN SALINITAS
PADI VARIETAS CIHERANG, INPARI 13 DAN INPARA 3
Abstrak
Abstract
1
1
3
3
4
5
5
6
6
7
9
9
9
10
11
12
17
18
18
18
19
20
21
28
29
20
29
29
31
31
35
36
36
36
36
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Kesimpulan
7. STUDI MEKANISME TOLERANSI SALINITAS PADI PADA
KONDISI IN VITRO
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
8. SELEKSI PUTATIF MUTAN SOMAKLON PADI DI RUMAH
KACA DAN MEKANISME TOLERANSI SALINITAS
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
9. PEMBAHASAN UMUM
10. SIMPULAN DAN SARAN
DAFTAR PUSTAKA
37
38
42
43
43
43
43
44
47
66
67
67
67
67
68
69
92
93
97
98
DAFTAR TABEL
Nomor
Halaman
1
Pengaruh konsentrai 2,4-D terhadap pembentukan kalus pada
beberapa varietas padi, umur 8 minggu setelah kultur.....................
12
2.
Regenerasi kalus embriogenik membentuk tunas adventif
beberapa varietas padi (Ciherang, Inpari 13, Inpara 3, Pokkali
dan IR 29), umur 8 minggu setelah kultur......................................
14
3.
Rerata jumlah tunas yang terbentuk pada media yang
mengandung Thidiazuron dari bebera varietas padi, umur 2
minggu setelah kultur .. ..................................................................
16
4.
Rerata jumlah dan panjang akar yang terbentuk pada media
yang mengandung IBA dari berberapa varietas padi, umur 2
minggu...........................................................................................
17
5.
Regenerasi kalus padi membentuk tunas adventif dari kalus
padi varietas Ciherang setelah perlakuan iradiasi sinar gamma
25
6.
Regenerasi kalus padi membentuk tunas adventif varietas
Inpari 13 setelah perlakuan iradiasi sinar gamma.......................
26
7.
Regenerasi tunas dari kalus padi varietas Inpara 3 yang telah
diberi perlakuan iradiasi sinar gamma ........................................
27
8.
Persentase kalus padi mencoklat pada media yang mengandung
NaCl dengan konsentrasi berbeda ...............................................
31
9.
Nilai lethal konsentrasi 50 (LC50) beberapa kalus varietas padi..
32
10.
Persentase jumlah kalus membentuk tunas dan jumlah tunas per
kalus padi
................................................................................
34
11.
Persen kalus dan kalus embriogenik padi yang terbentuk dari
eksplan embrio zigotik dewasa.............................................
39
12.
Seleksi in vitro kalus mutan pada media yang mengandung
NaCl dengan konsentrasi LC50 padi .............................................
40
13.
Regenerasi kalus hasil seleksi membentuk spot hijau dan tunas
adventif padi .................................................................................
41
14.
Aklimatisasi planlet padi putatif mutan somaklon hasil seleksi
in vitro padi ..................................................................................
41
15.
Kriteria skoring berdasarkan Modifikasi SES (IRRI 1997) ......
45
16.
Hasil skoring beberapa varietas padi dan nomor-nomor putatif
mutan somaklon yang di seleksi secara in vitro...........................
46
17.
Kandungan Kalium pada daun tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya yang diseleksi secara in vitro..........................
50
18.
Kandungan Kalium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya.........................................................................
51
19.
Kandungan Natrium (%) pada daun tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya .....................................................................
53
20.
Kandungan Natrium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya ....................................................................
54
21.
Nilai rasio K/Na pada daun tiga varietas padi dan putatif mutan
somaklonnya ................................................................................
56
22.
Kandungan kalsium (%) pada daun dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya .............................................................
58
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35
36
37
38
39
40
Kandungan Kalsium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya .....................................................................
Kandungan Magnesium (%) pada daun dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya .........................................................
Kandungan Magnesium (%) pada akar dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya .........................................................
Kerapatan stomata pada tiga varietas padi dan putatif mutan
somaklonnya pada pembesaran 40 x 10 kali ................................
Perbandingan panjang dan lebar stomata pada tiga varietas padi
dan putatif mutan somaklonnya pada pembesaran 40 x 10 kali......
Hasil skoring beberapa varietas padi dan nomor-nomor putatif
mutan somaklon hasil seleksi di rumah kaca.......................
Kandung prolin (mg/g) pada daun dari ketiga varietas padi
(Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3) dan putatif mutan somaklon....
Kandungan Kalium (%) pada daun tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya .........................................................................
Kandungan Kalium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya .........................................................................
Kandungan Natrium (%) pada daun tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya.......................................................................
Kandungan Natrium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya......................................................................
Nilai rasio K/Na pada daun tiga varietas padi dan putatif mutan
somaklonnya hasil seleksi di rumah kaca...................................
Kandungan Kalsium (%) pada daun dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya..............................................................
Kandungan Kalsium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya ...................................................................
Kandungan Magnesium (%) pada daun dari tiga varietas padi
dan putatif mutan somaklonnya.......................................................
Kandungan Magnesium (%) pada akar dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya............................................................
Kerapatan stomata pada tiga varietas padi dan putatif mutan
somaklonnya pada pembesaran 40 x 10 kali...........................
Perbandingan panjang dan lebar stomata pada tiga varietas padi
dan putatif mutan somaklonnya pada pembesaran 40 x 10 kali..
59
61
62
64
65
70
72
74
75
77
78
81
83
84
86
87
89
90
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
1.
Bagan alur penelitian
4
2.
Kalus embriogenik padi Varietas Ciherang (a) Inpari 13 (b)
dan Inpara 3 (c) ......................................................................
13
3.
Regenerasi kalus embriogenik membentuk kalus nodular
dan tunas beberapa varietas padi (a) Ciherang (b) Inpari
13 (c) Inpara 3 (d) Pokkali (e) IR 29 ......................
13
4.
Grafik persentase kalus mati padi varietas (a) Ciherang
(b) Inpari 13 dan (c) Inpara 3 hasil iradiasi sinar gamma
pada umur 4 minggu...........................................................
21
5.
Perubahan bobot basah kalus padi pada varietas (a)
Ciherang dan (b) Inpari 13 dan (c) Inpara 3 akibat
perlakuan iradiasi sinar gamma .........................................
23
6.
Penampilan kalus padi Inpari 13 setelah diberi perlakuan
iradiasi sinar gama (a) 0 Gy, (b) 20 Gy dan (c) 100 Gy ...
24
7.
Perubahan berat basah kalus padi akibat perlakuan NaCl
pada padi varietas (a) Ciherang, (b) Inpari 13, (c)
Inpara 3, (d) Pokkali dan (e) IR 29 .................................
33
8.
Kalus embriogenik dari embrio zigotik padi varietas (a)
Ciherang, (b) Inpari 13 dan (c) Inpara 3 ..........................
39
9.
Respon kalus akibat pemberian Iradiasi sinar gamma dan
seleksi pada media NaCl . (a) Ciherang, (b) Inpari 13, (c)
Inpara 3 ...........................................................................
40
10.
Proses aklimatisasi nomor-nomor putatif mutan
somaklon. (a) Planlet di kultur pada media aquades, (b)
Planlet di kultur pada media yosida, (c) Planlet di kultur
pada media lumpur .............................................................
42
11.
Keragaan tanaman tetua yang di kulturkan pada media
mengandung NaCl. (a) 0 mM NaCl, (b) 75 mM NaCl dan
(c) 150 mM NaCl ...............................................................
47
12.
Kandung prolin (mg/g) pada daun padi varietas Ciherang,
dan putatif mutan somaklon .................................
48
13.
Kandung prolin (mg/g) pada daun padi varietas Inpari 13
dan putatif mutan somaklon.................................
48
14.
Kandung prolin (mg/g) pada daun padi varietas Inpara 3
dan putatif mutan somaklon.................................
49
15.
Keragaan putatif mutan somaklon yang bersifat peka
(CH-13-2, II-13-17, IA-3-1) dan yang bersifat toleran
(CH-4-2, II-13-42, IA-3-21) ...............................................
69
16.
Kandungan Kalium (K) pada daun pada varietas padi dan
putatif mutan somaklonya (A) Ciherang, (B) Inpari 13,
(C)Inpara 3 .......................................................................
76
17.
Kandungan Natrium pada daun beberapa varietas padi dan
nomor putatif mutan somaklon (A) Ciherang, (B) Inpari
13, (C) Inpara 3 ......................................................................
79
18.
Kandungan Kalsium (Ca) pada daun beberapa varietas
19.
20
21
padi dan nomor putatif mutan samaklonya (A) Ciherang
(B) Inpari 13, (C) Inpara 3 ..................................................
Kandungan Magnesium pada daun beberapa varietas padi,
dan nomor putatif mutan samaklonya (A) Ciherang, (B)
Inpari 13, (C) Inpara 3 ..........................................................
Keragaan stomata daun padi putatif mutan somaklon yang
bersifat peka yaitu (a) CH-13-2, (b) II-13-17, (c) IA-3-1
dan yang bersifat toleran yaitu (d) CH-4-2, (e) II-13-42,
(f) IA-3-21...........................................................................
Kandungan prolin pada daun padi varietas (A) IR 29 dan
(B)Pokkali yang diseleksi dengan NaCl di rumah kaca
dan secara in vitro .............................................................
82
85
91
96
I PENDAHULUAN
Latar Belakang
Padi (Oryza sativa L) merupakan komoditas yang penting bagi rakyat
Indonesia karena berperan sebagai sumber bahan pangan utama (Staple food).
Kebutuhan akan beras sebagai bahan pangan pokok terus meningkat sejalan
dengan meningkatnya jumlah penduduk dan kesejahteraan masyarakat. Pada
tahun 2014 kebutuhan masyarakat Indonesia akan komoditas ini sebesar 124
kg/orang/tahun dan produksi padi nasional hanya mencapai 70,8 juta ton (Badan
Pusat Statistik Republik Indonesia 2015). Untuk memenuhi kebutuhan masyarakat
Indonesia akan komoditas ini perlu upaya peningkatan produksi beras nasional
yang dinamis.
Pada kondisi seperti itu, peluang yang dapat dilakukan untuk
meningkatkan produksi padi di Indonesia adalah
dengan meningkatkan
pemanfaatan lahan sub optimal seperti lahan sawah tadah hujan, lahan kering,
dan lahan salin. Lahan salin di Indonesia cukup luas sehingga berpotensi
dikembangkan sebagai sarana perluasan areal panen padi, dengan luas lahan salin
bertipe gambut sekitar 0,44 juta ha (Alihamsyah et al. 2002). Total luas tanah salin
di Indonesia belum diketahui secara tepat karena Indonesia terdiri dari pulaupulau. Luas lahan salin diperkirakan akan terus bertambah terutama di daerah
pesisir pantai karena terjadinya perubahan iklim global dan naiknya permukaan
air laut (Ismail 2007).
Data dari FAO menunjukan hampir 50% lahan irigasi mengalami
masalah salinitas dan akibatnya setiap tahun beberapa ratus hektar sawah
ditinggalkan. Di Indonesia saat ini salinitas tanah telah menjadi suatu masalah
serius terutama di daerah sentra produksi padi, yang terletak di pinggir laut
seperti daerah pantai utara Jawa, Sulawesi Selatan dan pantai Sumatra, khususnya
pantai Timur dan Barat Nanggroe Aceh Darussalam dimana masalah salinitas
ditimbulkan karena bencana tsunami (FAO 2005).
Salinitas tinggi mempengaruhi tanaman dalam dua hal, yaitu efek osmotik
dan efek cekaman ion (Munns 2002). Cekaman
osmotik, yaitu terjadinya
penurunan potensial osmotik larutan tanah sehingga mengurangi ketersediaan air
(Sopandie 2014). Konsentrasi garam yang tinggi di dalam tanah mengganggu
kapasitas akar untuk mengambil air, kondisi tersebut menyebabkan dehidrasi
parsial sel dan hilangnya turgor sel karena berkurangnya potensial air di dalam sel
(Yuniati 2004). Efek selanjutnya toksisitas dimana terjadi peningkatan
konsentrasi ion yang bersifat racun bagi tanaman. Efek cekaman ion ini yang
merupakan faktor utama yang dapat menghambat pertumbuhan padi (Yang et al.
2008). Akumulasi Na+ dan Cl+ yang berlebihan dalam sitoplasma menyebabkan
perubahan metabolisme dalam sel mengakibatkan penghambatan proses fisiologis
dan biokimia, sehingga pertumbuhan dan perkembangan tanaman akan terhambat
(Munns & Tester 2008). Pada tanaman padi keracunan garam dapat ditandai
dengan terhambatnya pertumbuhan, berkurangnya anakan, hingga akhirnya akan
menurunkan produksi gabah mencapai 50%. (Hakim et al. 2012, Aref & Rad
2012 , Rad et al. 2012).
Teknik kultur in vitro dikombinasikan dengan induksi mutasi merupakan
salah satu metode alternatif untuk memperoleh karakter baru, yang tidak tersedia
pada sumber plasma nutfah yang ada (Sutrisno 2001). Kombinasi induksi mutasi
dan kultur in vitro dapat meningkatkan toleransi tanaman terhadap salinitas dan
kekeringan dalam waktu relatif lebih cepat dibandingkan menggunakan pemuliaan
konvensional. Metode ini juga sudah dicobakan untuk merakit tanaman toleran
pada kondisi salin, seperti pada kentang (Sabbah & Tal 1990), gandum (Barakat
& Abdel-latif 1996), dan bunga matahari (Alvares et al. 2003).
Margava (1986) menyatakan bahwa mekanisme fisiologi toleransi
populasi sel dan plantlet terhadap cekaman pada kondisi in vitro merupakan
interaksi dari karakter biokimia, fisiologi dan morfologi. Untuk mengetahui
mekanisme adaptasi fisiologi kondisi in vitro dapat dilakukan dengan melakukan
analisis rasio K+/Na+, kandungan ABA maupun senyawa osmotik yang
kompatibel seperi gula, prolin, poliol dan glisin betain.
Teknik seleksi in vitro telah banyak dimanfaatkan untuk mengembangkan
tanaman toleran salinitas, akan tetapi belum banyak dipelajari tentang mekanisme
toleransi salinitas tanaman padi pada kultur in vitro. Pada penelitian ini dipelajari
mekanisme toleransi tanaman padi pada kultur in vitro, khususnya pada fase
plantlet. Dengan diketahuinya mekanisme fisiologis yang terjadi pada kondisi
cekaman in vitro maka dapat dilakukan penapisan dini pada populasi sel somatik
dan plantlet sehingga akan mempercepat perolehan galur-galur harapan baru yang
toleran salinitas.
Studi mengenai mekanisme tolerasi terhadap cekaman dalam kondisi in
vitro belum banyak dilakukan. Penelitian ini merupakan suatu inovasi yang dapat
memberikan kontribusi dalam pembangunan pertanian khususnya untuk
pengembangan tanaman pangan di sub optimal.
Mekanisme toleransi tanaman di lapang pada kondisi salin sangat
bervariasi. Sebelum melakukan kegiatan pemulian untuk menghasilkan varietasvarietas yang toleran salinitas, perlu dipahami dahulu tentang mekanisme
toleransi salinitas pada tanaman tersebut. Hal ini penting untuk menetapkan
metode untuk merakit varietas dan menentukan karakter seleksi yang akan di
gunakan dalam kegiatan pemuliaan.
Mekanisme toleransi tanaman terhadap kondisi
salinitas meliputi
mekanisme ekslusi dan inklusi (Marscher 2012). Mekanisme ekslusi adalah
mekanisme toleransi untuk mencegah defisit air secara internal dengan cara
mensintesis solut organik dan meningkatkan sukulensi pada daun. Mekanisme
inklusi merupakan mekanisme toleransi salinitas dengan mencegah toksisitas ionion melalui jaringan yang mempunyai toleransi tinggi terhadap salinitas (Sopandie
2014). Mekanisme ini diantaranya dengan cara kompartementasi garam, sintesis
solut kompatibel, ekskresi garam. Respon mekanisme toleransi salinitas pada
tanaman padi sangat bervariasi dapat inklusi atau ekslusi ( Hu et al. 2012).
Varietas padi yang dig unakan pada penelitian ini adalah varietas
Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3. Varietas Ciherang merupakan varietas yang
umum digunakan oleh masyarakat pada sentra-sentra produksi padi khususnya di
pulau Jawa. Varietas ini memiliki potensi hasil yang tinggi (6-8 ton/ha) juga
relatif tahan terhadap hama wereng coklat biotipe 2 dan 3 dan penyakit hawar
daun bakteri ras tertentu, disamping itu varietas tersebut tetap disenangi oleh
masyarakat meskipun sudah lama dilepas pada tahun 2000 (Balai Besar
Penelitian Tanaman Padi, 2009). sampai saat ini varietas tersebut masih
digunakan oleh petani walaupun telah dihasilkan varietas-varietas baru yang
memiliki keunggulan masing-masing. Inpari 13 merupakan varietas unggul baru
yang dilepas tahun 2009. Varietas ini memiliki keunggulan di samping
produktivitas tanaman yang tinggi dengan rata-rata hasil panen sebesar 6,59 t/ha
atau setara dengan potensi hasil 8,0 t/ha, varietas ini juga mempunyai umur
yang sangat genjah (sekitar 103 hari) (Balai Besar Penelitian Tanaman Padi,
2009). Inpara 3 merupakan padi rawa yang mempunyai keungulan toleran
rendaman selama 6 hari dan toleran terhadap Fe dan Al. Tanaman ini memiliki
fenotipe yang lebih baik dari pada varietas yang telah dilepas sebelumnya.
Verietas Pokkali merupakan varietas yang toleran pada kondisi salin sehingga
dimanfaatkan sebagai kontrol toleran, sedangkan untuk kontrol peka umumnya
digunakan IR 29.
Perumusan Masalah
Peningkatan produktivitas tanaman dapat ditempuh antara lain melalui
perluasan areal panen antara lain pada lahan marginal, sehingga untuk mencapai
tujuan tersebut diperlukan teknologi budidaya dan varietas yang adaptif. Masalah
yang dihadapi saat ini antara lain ketersediaan varietas yang adaptif sangat
terbatas. Pengunaan varietas yang toleran terhadap tanah salin akan lebih
menguntungkan untuk jangka panjang. Di samping itu dengan tersedianya varietas
yang adaptif tidak memerlukan biaya yang tinggi untuk pengelolaan tanah salin.
Dengan demikian perlu teknologi terobosan untuk menghasilkan varietas baru
yang dapat beradaptasi di tanah salin.
Mutasi induksi yang dikombinasi dengan teknik seleksi in vitro
merupakan salah metode alternatif untuk merakit varietas yang toleran pada
kondisi salin. Dengan mengunakan teknik tersebut pada penelitian ini dihasilkan
nomor nomor putatif mutan somaklon toleran salinitas.
Pada penelitian ini juga akan dipelajari bagaimana mekanisme toleransi
tanaman mutan padi
yang dihasilkan, pada kondisi pertumbuhan di lapangan
(setelah diaklimatisasi). Serta akan dilakukan perbandingan, apakah mekanisme
toleransi yang terjadi pada kondisi lingkungan in vitro akan sama dengan
mekanisme toleransi yang terjadi pada lingkungan ex vitro setelah aklimatisasi.
Tujuan Penelitian
Tujuan umum penelitian ini adalah untuk mendapatkan nomor-nomor mutan
somaklon padi toleran salinitas dan secara khusus penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mendapatkan metode regenerasi kalus membentuk plantlet beberapa varietas
padi yaitu Ciherang, Inpari 13, Inpara 3, Pokkali dan IR 29.
2. Mendapatkan Nilai LD50 iradiasi sinar gamma dari kalus padi varietas
Ciherang, Inapari 13 dan Inpara 3
3. Mendapatkan nilai LC50 NaCl dari kalus padi varietas Ciherang, Inpari 13 dan
Inpara 3
4. Mendapatkan informasi mekanisme toleransi salinitas tanaman padi pada
kondisi in vitro
5. Mendapatkan informasi mekanisme toleransi salinitas tanaman padi pada
kondisi di rumah kaca
Manfaat Penelitian
1.
Diperoleh nomor-nomor putatif mutan somaklon padi toleran salinitas yang
berasal dari padi varietas Ciherang, Inapri 13 dan Inpara 3.
2.
Diperoleh informasi mekanisme toleransi salinitas tanaman padi pada kondisi
in vitro dan di rumah kaca.
Kebaruan
1.
Metode kombinasi mutagen fisik dan seleksi in vitro untuk menghasilkan
putatif mutan somaklon padi yang toleran salinitas dengan mengunakan LD50
radiasi sinar gamma dan LC 50 NaCl.
2.
Keeratan hubungan mekanisme toleransi cekaman salinitas yang diuji pada
kondisi in vitro dan di rumah kaca.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini terdiri atas 6 percobaan yaitu: (1) studi regenerasi tunas
adventif dari kalus beberapa varietas padi, (2) Pengaruh irradiasi sinar gamma
terhadap pertumbuhan dan regenerasi kalus padi varietas Ciherang, Inpari 13 dan
Inpara 3, (3) Penentuan nilai LC50 NaCl pada kalus beberapa varietas padi, (4)
pembentukan fenotipe padi toleran salinitas padi varietas Ciherang, Inpari 13 dan
Inpara 3, (5) studi mekanisme toleransi salinitas padi pada kondisi in vitro dan (6)
seleksi putatif mutan somaklon padi di rumah kaca dan mekanisme toleransi
salinitas. Secara jelas ruang lingkup penelitian disampaikan pada Gambar1.
Gambar 1. Bagan alur penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
Pengaruh Kondisi Salin Terhadap Proses Fisiologi Tanaman
Salinitas dapat didefinisikan sebagai adanya kandungan garam yang
terlarut dalam konsentrasi berlebih pada larutan tanah, sehingga dapat
mengganggu pertumbuhan dan perkembangan tanaman ( Munns & Tester, 2008).
Pengaruh salinitas pada tanaman mencakup tiga aspek, yaitu: (1) keracunan yang
disebabkan kandungan garam yang berlebih, dimana konsentrasi NaCl yang tinggi
dapat merusak permeabilitas membran sel (Carden et al. 2003, (2) peningkatan
potensial osmotik pada larutan tanah karena bertambahnya konsentrasi garam
didalam larutan tanah dapat meningkatkan potensial osmotik larutan tanah. Oleh
sebab itu salinitas dapat menyebabkan tanaman sulit menyerap air sehingga terjadi
kekeringan fisiologis (Munns & Tester 2008); (3) Penurunan dalam penyerapan
unsur-unsur hara penting bagi tanaman (FAO 2005). Kondisi salinitas akan
mengurangi ketersediaan K+ dan Ca++ dalam larutan tanah dan menghambat
proses transportasi kedua unsur hara tersebut kedaerah pertumbuhan tanaman
sehingga akan mengurangi kualitas pertumbuhan baik organ vegetatif maupun
reproduktif (Carden et al. 2003).
Pengaruh salinitas pada tanaman padi memberikan pengaruh yang berbeda
pada setiap fase pertumbuhan. Pada fase perkecambahan, kondisi cekaman
salinitas dapat menurukan kemampuan benih untuk berkecambah sehingga
persentase bibit yang dihasilkan berkurang serta pertumbuhan bibit juga
terhambat (Hakim et al. 2012). Kondisi salin pada fase tillering dan fase inisiasi
malai menunjukkan penurunan pada jumlah gabah permalai. Sedangkan pada
pada fase generatif, salinitas dapat mempengaruhi proses pengisian malai
sehingga jumlah gabah hampa meningkat. Secara umum kondisi salin dapat
menurunkan produksi padi (Rad et al. 2012).
Mekanisme Fisiologi Toleransi Salinitas pada Tanaman
Toleransi salinitas untuk tanaman yang dibudidayakan ditanah salin
mengacu pada bagaimana tanaman tersebut memiliki kemampuan untuk bertahan
dan berproduksi dengan baik bila ditanam pada lahan dengan kondisi
salin. Menurut Marschner (2012) mekanisme toleransi salinitas pada tanaman
meliputi mekanisme inklusi dan ekslusi.
Mekanisme inklusi, yaitu suatu mekanisme yang dialami oleh tanaman
dimana tanaman tersebut mencegah terjadinya keracunan ion-ion garam dengan
cara sintesis solut kompatibel, kompertementasi garam dalam vakuola serta
retranslokasi garam melalui floem, eksresi garam dengan menggugurkan daun
daun tua (Marschner 2012).
Tanaman yang toleran pada kondisi salin dapat menahan atau mengurangi
kerusakan yang ditimbulkan oleh cekaman melalui mengatur penyerapan ion dan
kompartmentasi. Ion-ion Na+ terakumulasi dalam tanaman dalam jumlah yang
relatif banyak akan merusak protein dan fungsi
enzim, sehingga akan
mengakibatkan terganggunya sistem metabolisme didalam sel. Tanaman toleran
pada kondisi ini akan mengangkut dan menyimpan Na+ dalam vakuola, sehingga
tanaman dapat mempertahankan pertumbuhan normal. Hal ini disebut dengan
kompartamentasi ionik. Dari studi yang pernah dilakukan kemampuan ini
umumnya terdapat pada hampir semua tanaman tergantung pada pompa proton
yang terletak di membran vakuola, H + akan ditransport ke luar dari dalam
vakuola sementara Na + diangkut ke dalam vakuola. Cara ini akan menyebabkan
Na + terakumulasi dalam vakuola. Kekuatan transfer berasal dari gradien
konsentrasi proton dan potensial elektrokimia ( Bing et al. 2008, Ren et al.
2005).
Pada kondisi cekaman salinitas, tanaman mudah kehilangan air dan pada
kondisi ekstrim dapat menyebabkan kematian. Tekanan osmotik dilingkungan
bercekaman salinitas lebih tinggi dari pada tekanan osmatik dalam sel tanaman,
hal ini akan mengakibatkan tanaman sulit menyerap air, sehingga mengakibatkan
fenomena defisit air. Untuk menghindari dehidrasi dan menjaga keseimbangan
potesnial air, sel tanaman akan meningkatkan konsentrasi zat terlarut intraseluler
dan mengurangi potensi osmotik intraseluler untuk mengatur beda potensial
osmotik antara sel. Untuk mempertahankan lingkungan sitoplasma yang stabil,
tanaman mengatur konsentrasi relatif dari ion anorganik (terutama K + dan
Na +) untuk menyesuaikan turgor sel, volume sel, nilai pH intraseluler, dan
parameter fisiologis penting lainnya (Demidchik et al. 2002). Tanaman juga
menghasilkan senyawa osmotik kompatibel sitoplasma seperti prolin, glisin, gula
alkohol dan lain-lain untuk menjaga tekanan osmotik tinggi dalam sel (Hu et al.
2000).
Mekanisme ekslusi adalah mekanisme untuk mencegah masuknya Na
kedalam jaringan tanaman dan mencegah terjadinya defisit air secara internal
dengan cara sintesis solut organik dan meningkatkan sukulensi (Sopandie 2014).
Untuk mempertahankan stabilitas lingkungan mikro di dalam sitoplasma,
tanaman mengatur konsentrasi relatif dari ion anorganik (terutama K + dan
Na +) untuk mempertahankan turgor sel, volume sel, nilai pH intraseluler dan
parameter fisiologis penting lainnya. Pada proses fisiologis, sel-sel tumbuhan
mengakumulasi K+ dan mengarahkan Na+ keluar sel, yang mengarah kepada
peningkatan ratio nilai K+ /Na (Bing et al. 2008).
Banyak penelitian
menunjukan bahwa dengan adanya kondisi garam yang tinggi kebanyakan
tanaman mulai mengakumulasikan beberapa metabolit dengan berat molekul
yang rendah dalam sitoplasma seperti prolin, glisin, gula alkohol dan lain-lain
untuk menjaga tekanan osmotik tinggi dalam sel, sehingga memungkinkan bagi
tanaman untuk menyerap air di bawah kondisi garam yang tinggi ( Hu et al.
2012).
Cekaman garam pada kondisi in vitro akan menghambat pertumbuhan
tanaman padi, baik pada kalus maupun tunas hal ini karena konsentrasi garam
yang tidak seimbang di dalam media (Htwe et al. 2011). Tanaman yang toleran
pada kondisi ini akan melakukan mekanisme tertentu untuk bertahan pada kondisi
salin. Mekanisme toleransi pada kalus yaitu dengan meningkatnya akumulasi
prolin dalam sel (Htwe et al. 2011). Pada fase bibit akumulasi prolin lebih rendah
Adanya akumulasi prolin pada kalus dan plantlet menunjukan adanya potensi
genetik untuk mendapatkan tanaman yang toleran salinitas.
Mutasi Induksi
Mutasi adalah perubahan materi genetik pada tingkat genom, kromosom
DNA atau gen sehingga menyebabkan terjadinya keragamman genetik. Mutasi
dapat terjadi secara tiba-tiba dan acak yang merupakan sumber keragamman bagi
tanaman serta bersifat terwariskan (heritance). Mutasi dapat terjadi secara spontan
di alam (spontaneous mutation) dan dapat terjadi melalui induksi. Keduanya
dapat menimbulkan variasi genetik untuk dijadikan dasar seleksi tanaman
(Soeranto, 2003).
Mutasi induksi merupakan salah satu metode untuk meningkatkan
keragamman yang dapat diterapkan dalam pemuliaan tanaman. Mutasi induksi
dapat dilakukan dengan perlakuan bahan mutagen tertentu. Mutagen yang sering
digunakan dalam pemuliaan tanaman yaitu mutagen fisik (radiasi sinar X, sinar
gamma) dan mutagen kimia. Penggunaan mutagen dapat mengganggu sistem
pembelahan sel, sehingga dapat merubah aktivitas gen, bahkan dapat terbentuk
protein baru. Teknik tersebut dapat mempercepat diperolehnya varietas baru
dengan berbagai sifat atau karakter yang diinginkan. Sifat-sifat baru yang
terbentuk pada mutan akan beragam karena mutasi yang terbentuk bersifat acak.
Mutasi induksi menggunakan radiasi sinar-X dan sinar gamma merupakan
metode yang paling banyak digunakan untuk merakit varietas unggul baru, dalam
kurun waktu 70 tahun terakhir telah dilepas 2250 varietas mutan diseluruh dunia.
(Maluszynki et al. 2000). Iradiasi dapat menyebabkan perubahan genetik dalam
sel somatik (mutasi somatik), dapat diturunkan dan dapat menyebabkan terjadinya
perubahan fenotipe. Iradiasi sinar gamma sering digunakan dalam usaha
pemuliaan tanaman karena dapat meningkatkan variasi – variasi genetik sehingga
dapat menghasilkan mutan-mutan baru.
Respon tanaman terhadap efek iradiasi sinar gamma, selain dipengaruhi
oleh jenis kultur yang digunakan, juga tergantung dari laju dosis iradiasi yang
digunakan (Soeranto 2003). Dosis rendah dapat menyebabkan perubahan abnormal
pada fenotipe tanaman dan bersifat dapat balik sedangkan pemberian iradiasi pada
dosis yang tinggi dapat mengakibatkan kematian pada jaringan yang diradiasi.
Sensitivitas terhadap radiasi dapat diukur berdasarkan nilai LD (lethal dose). LD
(lethal dose) adalah dosis yang dapat menyebabkan kematian dari tanaman yang
diradiasi. Tingkat sensitivitas tanaman dipengaruhi oleh jenis tanaman, fase tumbuh,
ukuran, bahan yang akan dimutasi, serta sangat bervariasi antar jenis tanaman dan
antar genotipe (Banerji & Datta 1992). Dari beberapa hasil penelitian menunjukkan
bahwa dosis optimum dalam induksi mutasi yang dapat menghasilkan mutan
terbanyak diperoleh pada LD50 (Datta 2001). Variabilitas mutan tertinggi terdapat
pada mutan hasil iradiasi sinar gamma sekitar LD20 dan LD50 (Soeranto 2012).
Pengunaan iradiasi sinar gamma telah digunakan untuk merakit galur-galur
padi yang toleran pada kondisi stress abiotik dan telah banyak dilakukan untuk
mendapatkan galur-galur yang toleran salinitas. Perlakuan mutagen fisik dapat
merubah karakter fisiologis tanaman sehingga tanaman padi relatif toleran
terhadap kondisi salin. (Saleem et al. 2005, Song et al. 2012).
Seleksi In vitro
Keragamman genetik yang ditimbulkan oleh variasi somaklonal dan
induksi mutasi bersifat acak. Untuk mengidentifikasi keragamman somaklonal
maupun induksi mutasi kearah perubahan yang diinginkan, dapat digunakan
metode seleksi in vitro. Melalui metode tersebut, seleksi ketahanan terhadap
cekaman abiotik seperti salinitas dapat digabungkan dalam media kultur in vitro
dan digunakan untuk menumbuhkan varian somaklonal yang diperoleh. Tanaman
hasil regenerasi populasi sel somatik pada seleksi in vitro pada tanaman tertentu,
toleran pula terhadap kondisi stres abiotik di lapang.
Seleksi in vitro merupakan metode yang lebih efektif dan efisien karena
kondisi seleksi dapat dibuat homogen, tempat yang dibutuhkan relatif sedikit, dan
efektivitas seleksi tinggi. Intensitas seleksi dapat diperkuat dan dibuat lebih
homogen. Penggunaan teknik kultur in vitro akan menghasilkan variasi dari
populasi sel somatik melalui seleksi pada media yang sesuai. Populasi sel
somatik dapat diseleksi dalam media yang mengandung komponen seleksi
sehingga akan meningkatkan frekuensi varian dengan sifat yang diinginkan
(Biswan et al. 2002).
Seleksi in vitro untuk toleransi terhadap salinitas menggunakan
komponen seleksi NaCl. Basu, (2002) melaporkan bahwa respon pertumbuhan
kalus padi menurun tajam dengan meningkatnya konsentrasi NaCl dalam media
kultur kalus padi. Pushpam and Rangaswamy (2000) menjelaskan bahwa kalus
padi yang dikulturkan pada medium yang mengandung konsentrasi NaCl yang
tinggi pertumbuhannya akan terhambat dari pada kalus yang dikulturkan pada
media dengan konsentrasi NaCl yang lebih rendah. Penurunan pertumbuhan
kalus dalam media yang mengandung NaCl disebabkan pengalihan beberapa
kuantum energi untuk pertumbuhan dan metabolisme. Mereka juga melaporkan
bahwa kalus padi yang dikulturkan pada media tanpa cekaman dapat tumbuh
lebih cepat dibandingkan kalus yang dikulturkan pada media yang diberi
cekaman. Basu et al. (2002) melaporkan bahwa retensi K+ pada kalus padi
merupakan faktor penting pada mekanisme toleransi garam dimana ion tersebut
akan berkolerasi positif dengan pertumbuhan.
Sankar et al. (2009)
memanfaatkan metode seleksi in vitro ini untuk menyeleksi cekaman garam
terhadap 40 varietas hibrida. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Hibrida GD
98029/CSSRI 13 menempati urutan pertama diikuti oleh hibrida GD 98028/CO
43, GD 98028/CSR 23, GD 98029/CSR 10, GD 98029/Nona Bokra dan Nona
Bokra pada media MS yang mengandung 2,4-D 2 mg/l, kinetin 0.25 mg/l dan
kasein hidrolisat 1 g/l dengan komponen seleksi NaCl konsentrasi 1,6 %.
Peningkatan keragamman genetik melalui variasi somaklonal dan induksi
mutasi dan perubahannya diarahkan melalui seleksi in vitro merupakan metode
yang efektif untuk merakit genotip baru yang memiliki sifat tertentu tanpa
merubah terlalu banyak sifat agronomi yang baik dari tanaman induknya. Oleh
karena itu, kombinasi antara induksi variasi somaklonal dan seleksi in vitro
merupakan alternatif teknologi yang efektif dalam menghasilkan individu dengan
karakter yang spesifik. Metode ini telah diterapkan oleh Salaem et al. (2005)
pada tanaman padi. Kalus embriogenik padi yang telah diradiasi sinar gamma
mampu beregenerasi membentuk tunas pada media seleksi yang mengandung
NaCl konsentrasi tinggi.
3 REGENERASI TUNAS ADVENTIF DARI KALUS BEBERAPA
VARIETAS PADI
Adventive Shoots Regeneration of Callus Some Rice Varieties
Abstrak
Regenerasi tunas dari kalus merupakan tahapan yang sangat penting untuk
merakit varietas baru melalui jalur non konvensional antara lain kultur in vitro.
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan formulasi media untuk induksi kalus
embriogenik, regenerasi dan multiplikasi tunas adventif serta induksi akar padi
varieta
MELALUI MUTASI DAN SELEKSI IN VITRO :
MEKANISME FISIOLOGI TOLERANSI
ROSSA YUNITA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK
CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertas berjudul Pengembangan
Padi Toleran Salinitas Melalui Mutasi dan Seleksi In Vitro : Mekanisme
Fisiologi Toleransi adalah benar 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, Oktober 2015
ROSSA YUNITA
A263120051
RINGKASAN
ROSSA YUNITA. Pengembangan Padi Toleran Salinitas Melalui Mutasi dan
Seleksi In Vitro : Mekanisme Fisiologi Toleransi. Dibimbing oleh NURUL
KHUMAIDA, DIDY SOPANDIE dan IKA MARISKA.
Untuk memenuhi kebutuhan
beras di Indonesia, perlu dilakukan
peningkatan produktivitas tanaman padi melalui perluasan areal tanam dengan
pemanfaatan lahan marginal seperti tanah salin. Masalah yang dihadapi adalah
ketersediaan varietas yang adaptif sangat terbatas. Penggunaan varietas toleran
salinitas lebih menguntungkan karena akan menurunkan biaya produksi. Untuk
itu diperlukan varietas baru yang beradaptasi di tanah salin.
Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan nomor-nomor
mutan somaklon padi toleran salinitas. Penelitian ini terdiri atas enam percobaan
utama. Percobaan pertama adalah studi regenerasi tunas adventif dari kalus
beberapa varietas padi. Percobaan kedua adalah pengaruh iradiasi sinar gamma
terhadap pertumbuhan kalus dan regenerasinya padi var. Ciherang, Inpari 13 dan
Inpara 3. Percobaan ketiga adalah penentuan nilai LC50 NaCl
pada kalus
beberapa varietas padi. Hasil dari percobaan tersebut digunakan sebagai dasar
untuk melaksanakan percobaan keempat adalah pembentukan genotipe padi
toleran salinitas dari varietas Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3. Nomor-nomor
putatif mutan somaklon yang dihasilkan selanjutnya digunakan sebagai bahan
tanaman untuk percobaan studi mekanisme toleransi salinitas padi pada kondisi
in vitro dan rumah kaca dan seleksi putatif mutan somaklon pada kondisi in vitro
dan rumah kaca.
Percobaan studi regenerasi tunas adventif dari menggunakan kalus 5
varietas padi. Penelitian ini terdiri dari 4 kegiatan yaitu induksi kalus embriogenik,
regenerasi tunas adventif, multiplikasi tunas, induksi akar. Perlakuan untuk induksi
kalus embriogenik adalah MS + 2,4-D (0, 1, 3,5 dan 7 mg/l) + Casein hidrolisat 3
g/l. Perlakuan untuk regenerasi tunas adalah perlakuan MS + BA (0, 1 dan 5 mg/l) +
Zeatin (0, 01 dan 0,3 mg/l) prolin 100 mg/l. Perlakuan untuk multiplikasi tunas
adalah MS + Thidiazuron (0, 0,1 dan 0,3 mg/l) dan perlakuan untuk perakaran
adalah MS + IBA (0, 1, 2 dan 3 mg/l). Hasil penelitian adalah formulasi media
induksi kalus embriogenik dari embrio zigotik varietas Ciherang, Inpari 13 dan
Pokkali adalah MS + 2,4-D 3mg/l + Chasein Hidrolisat 3 g/l, untuk varietas Inpara
3 dan IR 29 adalah MS + 2,4-D 5 mg/l Chasein Hidrolisat 3 g/l. Media regenerasi
tunas adventif pada padi varietas Ciherang, Inpari 13 dan Pokkali adalah MS + BA
3 mg/l + Zeatin 0,3 mg/l + prolin 100 mg/l, dan untuk varietas Inpari 3 dan IR 29
adalah MS + BA 3 mg/l + Zeatin 0,1 mg/l. Media multiplikasi dan perakaran pada
semua varietas berturut turut adalah MS + Thidiazuron 0,3 mg/l, MS +IBA 2 dan 3
mg/l.
Percobaan pengaruh iradiasi sinar gamma terhadap pertumbuhan kalus
dan regenerasinya padi var. Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3 bertujuan untuk
menentuan nilai LD50. Perlakuan pada percobaan ini adalah iradiasi sinar gamma
pada dosis 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 , 80, 90 dan 100 Gy. Hasil yang diperoleh
pada percobaan ini adalah nilai LD50 untuk kalus varietas Ciherang adalah 22,468
Gy, untuk varietas Inpari 13 adalah 23,124 Gy dan Inpara 3 adalah 21.0305 Gy.
Pada percobaan penentuan nilai LC50 NaCl pada kalus beberapa varietas
padi bertujuan untuk mengetahui nilai LC50 NaCl. Perlakuannya yang diberikan
yaitu konsentrasi NaCl (0, 50, 100, 150 dan 200 mM). Hasil yang peroleh adalah
nilai LC50 NaCl dari kalus Ciherang adalah 85,79 mM, Inpari 13 adalah 90,91
mM, Inpara 3 adalah 91,77 mM dan, IR29 adalah 70,67 mM.
Tujuan percobaan pembentukan genotipe padi toleran salinitas dari
varietas Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3 adalah mendapatkan nomor-nomor
mutan somaklon padi toleran salinitas hasil mutasi induksi dan seleksi in vitro.
Varietas yang digunakan adalah Ciherang, Inpari 13, Inpara 3. Penelitian ini
terdiri 4 kegiatan utama yaitu induksi kalus embriogenik, induksi mutasi dan
seleksi in vitro, regenerasi tunas, aklimatisasi. Hasil dari penelitian adalah
diperoleh 29 nomor putatif mutan somaklon yang berasal dari padi varietas
Ciherang. 39 nomor yang berasal dari padi varietas Inpari 13 dan 42 nomor
yang berasal dari padi varietas Inpari 13.
Tujuan dari percobaan studi mekanisme toleransi salinitas padi pada
kondisi in vitro dan rumah kaca dan seleksi putatif mutan somaklon pada kondisi
in vitro dan
rumah kaca adalah untuk mendapatkan nomor-nomor mutan
somaklon padi toleran salinitas yang telah diseleksi secara in vitro dan rumah
kaca dan mendapatkan informasi mekanisme toleransi salinitas tanaman padi pada
kondisi in vitro dan rumah kaca. Percobaan ini terdiri dari dua kegiatan yaitu
seleksi toleransi cekaman salinitas putatif mutan somaklon berdasarkan SES
(Standard Evaluation Score) dan studi mekanisme toleransi salinitas hasil seleksi
in vitro. Hasil penelitian adalah diperoleh nomor-nomor putatif mutan somaklon
padi toleran salinitas hasil seleksi in vitro dan di rumah kaca yaitu CH-30 dan
CH-4-2 (asal Ciherang); II-13-42, II-13-7, II-13-10, II-13-13 II-13-2 (asal Inpari
13) dan IA-3-21 (asal Inpara 3). Mekanisme toleransi salinitas pada nomornomor putatif mutan somaklonal yang toleran terhadap NaCl hasil diseleksi secara
in vitro maupun di rumah kaca menunjukkan mekanisme yang sama. Beberapa
parameter yang diuji memperlihatkan hasil akumulasi prolin yang lebih tinggi,
kandungan K, Mg dan Ca pada daun yang cenderung tetap dan kandungan Na
yang lebih rendah, kerapatan stomata yang lebih renggang dan perbandingan
panjang dan lebar stomata lebih besar. Uraian diatas menunjukkan putatif mutan
somaklon padi yang dihasilkan memiliki mekanisme toleransi ekslusi.
Kata Kunci : Oryza sativa. NaCl, regenerasi kalus, LD50, LC50 NaCl, stomata
SUMMARY
ROSSA YUNITA. Salinity Tolerant Rice Development Through In Vitro
Mutation and Selection: Mechanism of Tolerance Physiology. Supervised by
NURUL KHUMAIDA, DIDY SOPANDIE and IKA MARISKA.
To meet the demand for rice in Indonesia, is necessary to improve the
productivity of rice plants through the expansion of harvest area to use marginal
land such as saline soils. The problem is the availability of very limited adaptive
varieties. The use of saline-tolerant varieties are more profitable because it will
reduce production costs. It is necessary for new varieties to be able adapt in saline
soil
The main objective of this study was to obtain numbers of salinity tolerant
mutants somaclone. This study consists of six main experiment. The first
experiment is a study of adventitious shoot regeneration from callus several rice
varieties. The second experiment is the effect of gamma irradiation on the growth
of callus and regeneration of rice var. Ciherang, Inpari 13 and Inpara 3. The third
experiment is to determine the LC50 value of NaCl on some varieties of rice
callus. Results of these experiments are used as the basis for implementing the
fourth experiment was the formation of salinity tolerant rice genotypes of
Ciherang, Inpari 13 and Inpara 3. The numbers putative mutants generated is then
used as plant material for experiment study of salinity tolerance mechanisms of
rice in vitro conditions and greenhouse and selection of putative mutants
somaclone in vitro conditions and greenhouse
Experiment study of regeneration of adventitious buds of using 5 rice
varieties callus. This study consists of four activities; they are embryogenic callus
induction, regeneration of adventitious buds, shoots multiplication and root
induction. Embryogenic callus induction was treated MS + 2,4-D (0, 1, 3.5 and 7
mg/l) + Casein hydrolyzate 3 g/l. Regeneration of shoots was treated MS + BA (0,
1 and 5 mg/l) + Zeatin (0, 01 and 0.3 mg/l) Proline 100 mg/l. Shoot multiplication
was treated MS + Thidiazuron (0, 0.1 and 0.3 mg/l) and rooting was treated MS +
IBA (0, 1, 2 and 3 mg/l). Results of the study are embryogenic callus induction
media formulations of zygotic embryos Ciherang, Inpari 13 and Pokkali wasMS +
2,4-D 3mg/l + Chasein hydrolyzate 3 g/l, for a variety Inpara 3 and IR 29 was MS
+ 2.4 -D 5 mg/l Chasein hydrolyzate 3 g/l. Media regeneration of adventitious
buds in rice Ciherang, Inpari 13 and Pokkali was MS + BA 3 mg/l + Zeatin 0.3
mg/l + proline 100 mg/l, and for Inpari 3 and IR 29 is MS + BA 3 mg/l + Zeatin
0.1 mg/l. Media multiplication and rooting on all varieties consecutive
Thidiazuron is MS + 0.3 mg/l, MS + IBA 2 and 3 mg/l.
Experiment effect of gamma irradiation on the growth of callus and
regeneration of rice var. Ciherang, Inpari 13 and Inpara 3 aims to determine the
LD50 value of callus 5 rice varieties. The treatment in this experiment is a gammaray irradiation at a dose of 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 and 100 Gy. The
results obtained in this experiment in the LD50 value for callus Ciherang was
22.468 Gy, for Inpari 13 was 23.124 Gy and Inpara 3 was 21.0305 Gy.
In the experimental determination of the LC50 values of NaCl on some
varieties of rice callus aims to determine LC50 values NaCl. The treatments that
give the concentration of NaCl (0, 50, 100, 150 and 200 mM). The results
obtained are LC50 values of callus Ciherang NaCl is 85.79 mM, Inpari 13 is
90.91 mM, Inpara 3 is 91.77 mM and, IR29 is 70.67 mM.
The purpose of this experiment of studies the mechanism of salinity
tolerance of rice at in vitro conditions and greenhouse and selection of putative
mutants somaclone at in vitro conditions and greenhouse are get the numbers of
mutant somaclone tolerant salinity and to get information mechanisms of
tolerance salinity of rice at in vitro and greenhouse conditions . This experiment
consists of two activities, the selection of salinity tolerance putative mutant
somaclone based SES (Standard Evaluation Score) and the study of mechanisms
of salinity tolerance in vitro selection results. The research resulted in obtained
putative numbers salinity tolerant rice mutant somaclone selection results in vitro
and in the greenhouse is the CH-30 and CH-4-2 (Ciherang origin); II-13-42, II-137, II-13-10, II-II-13-2 13-13 (derivat from Inpari 13) and IA-3-21 (derivat from
Inpara 3). Salinity tolerance mechanism in numbers putative mutant somaclon
tolerant NaCl selected resulted in vitro and in greenhouses showed the same
mechanism. The resulted of parameters showed higher proline accumulation,
content of K, Mg and Ca in the leaves tend to remain and lower Na content,
stomatal density of the lighter and the length and width ratio greater stomata. The
Description above shows the putative mutant rice produced somaclone have
tolerance mechanisms of exclusion.
Key Word : Oryza sativa. NaCl, callus regeneration, LD50, LC50 NaCl, stomata
© 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
PENGEMBANGAN PADI TOLERAN SALINITAS
MELALUI MUTASI DAN SELEKSI IN VITRO :
MEKANISME FISIOLOGI TOLERANSI
ROSSA YUNITA
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
pada
Program Studi Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji pada Ujian Tertutup:
1.
Dr. Ir. Hajrial Aswidinoor. M.Sc.
Staf Pengajar Pada Departemen Agronomi dan Hortikultura,
Fakultas Pertanian, IPB
2.
Dr. Ir. Ali Jamil, M.P
Kepala Balai Besar Penelitian Tanaman Padi.
Badan Litbang Pertanian, Kementrian Pertanian
Penguji pada Ujian Terbuka:
1.
Dr. Ir. Ali Jamil, M.P.
Kepala Balai Besar Penelitian Tanaman Padi.
Badan Litbang Pertanian, Kementrian Pertanian
2.
Prof. Dr. Ir. Sudirman Yahya, M.Sc.
Staf Pengajar Pada Departemen Agronomi dan Hortikultura,
Fakultas Pertanian, IPB
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Penelitian
Nama
NRP
: Pengembangan Padi Toleran Salinitas Melalui Mutasi
dan Seleksi In Vitro : Mekanisme Fisiologi Toleransi
: Rossa Yunita
: A 263120051
Disetujui:
Ketua Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Nurul Khumaida, MSi
Ketua
Prof. Dr. Ir. Didy Sopandie, M.Agr
Anggota
Prof. (R). Dr. Ika Mariska
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi
Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
Dr. Ir. Yudiwanti Wahyu E K, MS
Tanggal Ujian Tertutup : 30 Juli 2015
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Dr. Ir. DahruI Syah, MSc, Agr.
Tanggal Lulus: 19 Oktober 2015
Tanggal Sidang Promosi : 7 September 2015
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian ini ialah Salinitas, dengan judul : Pengembangan Padi
Toleran Salinitas Melalui Mutasi dan Seleksi In Vitro : Mekanisme Fisiologi
Toleransi
Penelitian dan penulisan disertasi ini dibimbing oleh Dr. Nurul Khumaida,
MS. selaku ketua komisi pembimbing dan dua Angota Komisi Pembimbing yaitu
Prof. Dr. Ir. Didy Sopandie, M.Agr dan Prof (R). Dr. Ika Mariska. Pada
kesempatan ini penulis menyampaikan terimakasih dan penghargaan yang tulus
atas waktu dan kesempatan yang telah diluangkan dalam mengarahkan dan
membimbing penulis.
Bagian dari disertasi ini telah dipublikasikan pada Jurnal Research
Bioscience vol: 11 no1 halaman 04-09 tahun 2014 dengan judul “Growth and
regeneration of rice (Oryza sativa L.) callus in salt medium” dan Jurnal
Agrobiogen vol: 28 no: 3 halaman 101-108 dengan judul “Pengaruh Iradiasi sinar
gamma terhadap pertumbuhan dan regenerasi kalus padi varietas Ciherang dan
Inpari 13”.
Penelitian dan penyelesaian disertasi ini didanai oleh Program Dana
Bantuan Penelitian Petugas Belajar Badan Litbang Pertanian, karena itu penulis
menyampaikan banyak terimakasih kepada Badan Litbang Pertanian, Kementrian
Pertanian. Ucapan terimakasih Penulis sampaikan kepada Kepala Balai Besar BBBiogen yang telah memberikan fasilitas untuk penelitian.
Terimakasih penulis ucapkan kepada teman–teman Peneliti di BB-Biogen
pada umum dan khusunya di Kelti Biologi Sel dan Jaringan. Ungkapan terima
kasih juga disampaikan setinggi-tingginya kepada Ayahanda H. Asri Harun,
Ibunda Hj. Rosliani, Suami tercinta Abdul Aziz, SSos, MSi, serta seluruh
keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Oktober 2015
Rossa Yunita
DAFTAR ISI
RINGKASAN
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
1. PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
2. TINJAUAN PUSTAKA
Pengaruh Kondisi Salin Terhadap Proses Fisiologi Tanaman
Mekanisme Fisiologi Toleransi Salinitas Pada Tanaman
Mutasi Induksi
Seleksi In vitro
3. REGENERASI TUNAS ADVENTIF DARI KALUS
BEBERAPA VARIETAS PADI
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
4. PENGARUH IRADIASI SINAR GAMMA TERHADAP
PERTUMBUHAN KALUS DAN REGENERASINYA PADI
VAR. CIHERANG, INPARI 13 DAN INPARA 3
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
5. PENENTUAN NILAI LC50 NaCl PADA KALUS
BEBERAPA VARIETAS PADI
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
6. PEMBENTUKAN GENOTIPE PADI TOLERAN SALINITAS
PADI VARIETAS CIHERANG, INPARI 13 DAN INPARA 3
Abstrak
Abstract
1
1
3
3
4
5
5
6
6
7
9
9
9
10
11
12
17
18
18
18
19
20
21
28
29
20
29
29
31
31
35
36
36
36
36
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Kesimpulan
7. STUDI MEKANISME TOLERANSI SALINITAS PADI PADA
KONDISI IN VITRO
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
8. SELEKSI PUTATIF MUTAN SOMAKLON PADI DI RUMAH
KACA DAN MEKANISME TOLERANSI SALINITAS
Abstrak
Abstract
Pendahuluan
Metode Penelitian
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
9. PEMBAHASAN UMUM
10. SIMPULAN DAN SARAN
DAFTAR PUSTAKA
37
38
42
43
43
43
43
44
47
66
67
67
67
67
68
69
92
93
97
98
DAFTAR TABEL
Nomor
Halaman
1
Pengaruh konsentrai 2,4-D terhadap pembentukan kalus pada
beberapa varietas padi, umur 8 minggu setelah kultur.....................
12
2.
Regenerasi kalus embriogenik membentuk tunas adventif
beberapa varietas padi (Ciherang, Inpari 13, Inpara 3, Pokkali
dan IR 29), umur 8 minggu setelah kultur......................................
14
3.
Rerata jumlah tunas yang terbentuk pada media yang
mengandung Thidiazuron dari bebera varietas padi, umur 2
minggu setelah kultur .. ..................................................................
16
4.
Rerata jumlah dan panjang akar yang terbentuk pada media
yang mengandung IBA dari berberapa varietas padi, umur 2
minggu...........................................................................................
17
5.
Regenerasi kalus padi membentuk tunas adventif dari kalus
padi varietas Ciherang setelah perlakuan iradiasi sinar gamma
25
6.
Regenerasi kalus padi membentuk tunas adventif varietas
Inpari 13 setelah perlakuan iradiasi sinar gamma.......................
26
7.
Regenerasi tunas dari kalus padi varietas Inpara 3 yang telah
diberi perlakuan iradiasi sinar gamma ........................................
27
8.
Persentase kalus padi mencoklat pada media yang mengandung
NaCl dengan konsentrasi berbeda ...............................................
31
9.
Nilai lethal konsentrasi 50 (LC50) beberapa kalus varietas padi..
32
10.
Persentase jumlah kalus membentuk tunas dan jumlah tunas per
kalus padi
................................................................................
34
11.
Persen kalus dan kalus embriogenik padi yang terbentuk dari
eksplan embrio zigotik dewasa.............................................
39
12.
Seleksi in vitro kalus mutan pada media yang mengandung
NaCl dengan konsentrasi LC50 padi .............................................
40
13.
Regenerasi kalus hasil seleksi membentuk spot hijau dan tunas
adventif padi .................................................................................
41
14.
Aklimatisasi planlet padi putatif mutan somaklon hasil seleksi
in vitro padi ..................................................................................
41
15.
Kriteria skoring berdasarkan Modifikasi SES (IRRI 1997) ......
45
16.
Hasil skoring beberapa varietas padi dan nomor-nomor putatif
mutan somaklon yang di seleksi secara in vitro...........................
46
17.
Kandungan Kalium pada daun tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya yang diseleksi secara in vitro..........................
50
18.
Kandungan Kalium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya.........................................................................
51
19.
Kandungan Natrium (%) pada daun tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya .....................................................................
53
20.
Kandungan Natrium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya ....................................................................
54
21.
Nilai rasio K/Na pada daun tiga varietas padi dan putatif mutan
somaklonnya ................................................................................
56
22.
Kandungan kalsium (%) pada daun dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya .............................................................
58
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35
36
37
38
39
40
Kandungan Kalsium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya .....................................................................
Kandungan Magnesium (%) pada daun dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya .........................................................
Kandungan Magnesium (%) pada akar dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya .........................................................
Kerapatan stomata pada tiga varietas padi dan putatif mutan
somaklonnya pada pembesaran 40 x 10 kali ................................
Perbandingan panjang dan lebar stomata pada tiga varietas padi
dan putatif mutan somaklonnya pada pembesaran 40 x 10 kali......
Hasil skoring beberapa varietas padi dan nomor-nomor putatif
mutan somaklon hasil seleksi di rumah kaca.......................
Kandung prolin (mg/g) pada daun dari ketiga varietas padi
(Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3) dan putatif mutan somaklon....
Kandungan Kalium (%) pada daun tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya .........................................................................
Kandungan Kalium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya .........................................................................
Kandungan Natrium (%) pada daun tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya.......................................................................
Kandungan Natrium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya......................................................................
Nilai rasio K/Na pada daun tiga varietas padi dan putatif mutan
somaklonnya hasil seleksi di rumah kaca...................................
Kandungan Kalsium (%) pada daun dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya..............................................................
Kandungan Kalsium (%) pada akar tiga varietas padi dan putatif
mutan somaklonnya ...................................................................
Kandungan Magnesium (%) pada daun dari tiga varietas padi
dan putatif mutan somaklonnya.......................................................
Kandungan Magnesium (%) pada akar dari tiga varietas padi dan
putatif mutan somaklonnya............................................................
Kerapatan stomata pada tiga varietas padi dan putatif mutan
somaklonnya pada pembesaran 40 x 10 kali...........................
Perbandingan panjang dan lebar stomata pada tiga varietas padi
dan putatif mutan somaklonnya pada pembesaran 40 x 10 kali..
59
61
62
64
65
70
72
74
75
77
78
81
83
84
86
87
89
90
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
1.
Bagan alur penelitian
4
2.
Kalus embriogenik padi Varietas Ciherang (a) Inpari 13 (b)
dan Inpara 3 (c) ......................................................................
13
3.
Regenerasi kalus embriogenik membentuk kalus nodular
dan tunas beberapa varietas padi (a) Ciherang (b) Inpari
13 (c) Inpara 3 (d) Pokkali (e) IR 29 ......................
13
4.
Grafik persentase kalus mati padi varietas (a) Ciherang
(b) Inpari 13 dan (c) Inpara 3 hasil iradiasi sinar gamma
pada umur 4 minggu...........................................................
21
5.
Perubahan bobot basah kalus padi pada varietas (a)
Ciherang dan (b) Inpari 13 dan (c) Inpara 3 akibat
perlakuan iradiasi sinar gamma .........................................
23
6.
Penampilan kalus padi Inpari 13 setelah diberi perlakuan
iradiasi sinar gama (a) 0 Gy, (b) 20 Gy dan (c) 100 Gy ...
24
7.
Perubahan berat basah kalus padi akibat perlakuan NaCl
pada padi varietas (a) Ciherang, (b) Inpari 13, (c)
Inpara 3, (d) Pokkali dan (e) IR 29 .................................
33
8.
Kalus embriogenik dari embrio zigotik padi varietas (a)
Ciherang, (b) Inpari 13 dan (c) Inpara 3 ..........................
39
9.
Respon kalus akibat pemberian Iradiasi sinar gamma dan
seleksi pada media NaCl . (a) Ciherang, (b) Inpari 13, (c)
Inpara 3 ...........................................................................
40
10.
Proses aklimatisasi nomor-nomor putatif mutan
somaklon. (a) Planlet di kultur pada media aquades, (b)
Planlet di kultur pada media yosida, (c) Planlet di kultur
pada media lumpur .............................................................
42
11.
Keragaan tanaman tetua yang di kulturkan pada media
mengandung NaCl. (a) 0 mM NaCl, (b) 75 mM NaCl dan
(c) 150 mM NaCl ...............................................................
47
12.
Kandung prolin (mg/g) pada daun padi varietas Ciherang,
dan putatif mutan somaklon .................................
48
13.
Kandung prolin (mg/g) pada daun padi varietas Inpari 13
dan putatif mutan somaklon.................................
48
14.
Kandung prolin (mg/g) pada daun padi varietas Inpara 3
dan putatif mutan somaklon.................................
49
15.
Keragaan putatif mutan somaklon yang bersifat peka
(CH-13-2, II-13-17, IA-3-1) dan yang bersifat toleran
(CH-4-2, II-13-42, IA-3-21) ...............................................
69
16.
Kandungan Kalium (K) pada daun pada varietas padi dan
putatif mutan somaklonya (A) Ciherang, (B) Inpari 13,
(C)Inpara 3 .......................................................................
76
17.
Kandungan Natrium pada daun beberapa varietas padi dan
nomor putatif mutan somaklon (A) Ciherang, (B) Inpari
13, (C) Inpara 3 ......................................................................
79
18.
Kandungan Kalsium (Ca) pada daun beberapa varietas
19.
20
21
padi dan nomor putatif mutan samaklonya (A) Ciherang
(B) Inpari 13, (C) Inpara 3 ..................................................
Kandungan Magnesium pada daun beberapa varietas padi,
dan nomor putatif mutan samaklonya (A) Ciherang, (B)
Inpari 13, (C) Inpara 3 ..........................................................
Keragaan stomata daun padi putatif mutan somaklon yang
bersifat peka yaitu (a) CH-13-2, (b) II-13-17, (c) IA-3-1
dan yang bersifat toleran yaitu (d) CH-4-2, (e) II-13-42,
(f) IA-3-21...........................................................................
Kandungan prolin pada daun padi varietas (A) IR 29 dan
(B)Pokkali yang diseleksi dengan NaCl di rumah kaca
dan secara in vitro .............................................................
82
85
91
96
I PENDAHULUAN
Latar Belakang
Padi (Oryza sativa L) merupakan komoditas yang penting bagi rakyat
Indonesia karena berperan sebagai sumber bahan pangan utama (Staple food).
Kebutuhan akan beras sebagai bahan pangan pokok terus meningkat sejalan
dengan meningkatnya jumlah penduduk dan kesejahteraan masyarakat. Pada
tahun 2014 kebutuhan masyarakat Indonesia akan komoditas ini sebesar 124
kg/orang/tahun dan produksi padi nasional hanya mencapai 70,8 juta ton (Badan
Pusat Statistik Republik Indonesia 2015). Untuk memenuhi kebutuhan masyarakat
Indonesia akan komoditas ini perlu upaya peningkatan produksi beras nasional
yang dinamis.
Pada kondisi seperti itu, peluang yang dapat dilakukan untuk
meningkatkan produksi padi di Indonesia adalah
dengan meningkatkan
pemanfaatan lahan sub optimal seperti lahan sawah tadah hujan, lahan kering,
dan lahan salin. Lahan salin di Indonesia cukup luas sehingga berpotensi
dikembangkan sebagai sarana perluasan areal panen padi, dengan luas lahan salin
bertipe gambut sekitar 0,44 juta ha (Alihamsyah et al. 2002). Total luas tanah salin
di Indonesia belum diketahui secara tepat karena Indonesia terdiri dari pulaupulau. Luas lahan salin diperkirakan akan terus bertambah terutama di daerah
pesisir pantai karena terjadinya perubahan iklim global dan naiknya permukaan
air laut (Ismail 2007).
Data dari FAO menunjukan hampir 50% lahan irigasi mengalami
masalah salinitas dan akibatnya setiap tahun beberapa ratus hektar sawah
ditinggalkan. Di Indonesia saat ini salinitas tanah telah menjadi suatu masalah
serius terutama di daerah sentra produksi padi, yang terletak di pinggir laut
seperti daerah pantai utara Jawa, Sulawesi Selatan dan pantai Sumatra, khususnya
pantai Timur dan Barat Nanggroe Aceh Darussalam dimana masalah salinitas
ditimbulkan karena bencana tsunami (FAO 2005).
Salinitas tinggi mempengaruhi tanaman dalam dua hal, yaitu efek osmotik
dan efek cekaman ion (Munns 2002). Cekaman
osmotik, yaitu terjadinya
penurunan potensial osmotik larutan tanah sehingga mengurangi ketersediaan air
(Sopandie 2014). Konsentrasi garam yang tinggi di dalam tanah mengganggu
kapasitas akar untuk mengambil air, kondisi tersebut menyebabkan dehidrasi
parsial sel dan hilangnya turgor sel karena berkurangnya potensial air di dalam sel
(Yuniati 2004). Efek selanjutnya toksisitas dimana terjadi peningkatan
konsentrasi ion yang bersifat racun bagi tanaman. Efek cekaman ion ini yang
merupakan faktor utama yang dapat menghambat pertumbuhan padi (Yang et al.
2008). Akumulasi Na+ dan Cl+ yang berlebihan dalam sitoplasma menyebabkan
perubahan metabolisme dalam sel mengakibatkan penghambatan proses fisiologis
dan biokimia, sehingga pertumbuhan dan perkembangan tanaman akan terhambat
(Munns & Tester 2008). Pada tanaman padi keracunan garam dapat ditandai
dengan terhambatnya pertumbuhan, berkurangnya anakan, hingga akhirnya akan
menurunkan produksi gabah mencapai 50%. (Hakim et al. 2012, Aref & Rad
2012 , Rad et al. 2012).
Teknik kultur in vitro dikombinasikan dengan induksi mutasi merupakan
salah satu metode alternatif untuk memperoleh karakter baru, yang tidak tersedia
pada sumber plasma nutfah yang ada (Sutrisno 2001). Kombinasi induksi mutasi
dan kultur in vitro dapat meningkatkan toleransi tanaman terhadap salinitas dan
kekeringan dalam waktu relatif lebih cepat dibandingkan menggunakan pemuliaan
konvensional. Metode ini juga sudah dicobakan untuk merakit tanaman toleran
pada kondisi salin, seperti pada kentang (Sabbah & Tal 1990), gandum (Barakat
& Abdel-latif 1996), dan bunga matahari (Alvares et al. 2003).
Margava (1986) menyatakan bahwa mekanisme fisiologi toleransi
populasi sel dan plantlet terhadap cekaman pada kondisi in vitro merupakan
interaksi dari karakter biokimia, fisiologi dan morfologi. Untuk mengetahui
mekanisme adaptasi fisiologi kondisi in vitro dapat dilakukan dengan melakukan
analisis rasio K+/Na+, kandungan ABA maupun senyawa osmotik yang
kompatibel seperi gula, prolin, poliol dan glisin betain.
Teknik seleksi in vitro telah banyak dimanfaatkan untuk mengembangkan
tanaman toleran salinitas, akan tetapi belum banyak dipelajari tentang mekanisme
toleransi salinitas tanaman padi pada kultur in vitro. Pada penelitian ini dipelajari
mekanisme toleransi tanaman padi pada kultur in vitro, khususnya pada fase
plantlet. Dengan diketahuinya mekanisme fisiologis yang terjadi pada kondisi
cekaman in vitro maka dapat dilakukan penapisan dini pada populasi sel somatik
dan plantlet sehingga akan mempercepat perolehan galur-galur harapan baru yang
toleran salinitas.
Studi mengenai mekanisme tolerasi terhadap cekaman dalam kondisi in
vitro belum banyak dilakukan. Penelitian ini merupakan suatu inovasi yang dapat
memberikan kontribusi dalam pembangunan pertanian khususnya untuk
pengembangan tanaman pangan di sub optimal.
Mekanisme toleransi tanaman di lapang pada kondisi salin sangat
bervariasi. Sebelum melakukan kegiatan pemulian untuk menghasilkan varietasvarietas yang toleran salinitas, perlu dipahami dahulu tentang mekanisme
toleransi salinitas pada tanaman tersebut. Hal ini penting untuk menetapkan
metode untuk merakit varietas dan menentukan karakter seleksi yang akan di
gunakan dalam kegiatan pemuliaan.
Mekanisme toleransi tanaman terhadap kondisi
salinitas meliputi
mekanisme ekslusi dan inklusi (Marscher 2012). Mekanisme ekslusi adalah
mekanisme toleransi untuk mencegah defisit air secara internal dengan cara
mensintesis solut organik dan meningkatkan sukulensi pada daun. Mekanisme
inklusi merupakan mekanisme toleransi salinitas dengan mencegah toksisitas ionion melalui jaringan yang mempunyai toleransi tinggi terhadap salinitas (Sopandie
2014). Mekanisme ini diantaranya dengan cara kompartementasi garam, sintesis
solut kompatibel, ekskresi garam. Respon mekanisme toleransi salinitas pada
tanaman padi sangat bervariasi dapat inklusi atau ekslusi ( Hu et al. 2012).
Varietas padi yang dig unakan pada penelitian ini adalah varietas
Ciherang, Inpari 13 dan Inpara 3. Varietas Ciherang merupakan varietas yang
umum digunakan oleh masyarakat pada sentra-sentra produksi padi khususnya di
pulau Jawa. Varietas ini memiliki potensi hasil yang tinggi (6-8 ton/ha) juga
relatif tahan terhadap hama wereng coklat biotipe 2 dan 3 dan penyakit hawar
daun bakteri ras tertentu, disamping itu varietas tersebut tetap disenangi oleh
masyarakat meskipun sudah lama dilepas pada tahun 2000 (Balai Besar
Penelitian Tanaman Padi, 2009). sampai saat ini varietas tersebut masih
digunakan oleh petani walaupun telah dihasilkan varietas-varietas baru yang
memiliki keunggulan masing-masing. Inpari 13 merupakan varietas unggul baru
yang dilepas tahun 2009. Varietas ini memiliki keunggulan di samping
produktivitas tanaman yang tinggi dengan rata-rata hasil panen sebesar 6,59 t/ha
atau setara dengan potensi hasil 8,0 t/ha, varietas ini juga mempunyai umur
yang sangat genjah (sekitar 103 hari) (Balai Besar Penelitian Tanaman Padi,
2009). Inpara 3 merupakan padi rawa yang mempunyai keungulan toleran
rendaman selama 6 hari dan toleran terhadap Fe dan Al. Tanaman ini memiliki
fenotipe yang lebih baik dari pada varietas yang telah dilepas sebelumnya.
Verietas Pokkali merupakan varietas yang toleran pada kondisi salin sehingga
dimanfaatkan sebagai kontrol toleran, sedangkan untuk kontrol peka umumnya
digunakan IR 29.
Perumusan Masalah
Peningkatan produktivitas tanaman dapat ditempuh antara lain melalui
perluasan areal panen antara lain pada lahan marginal, sehingga untuk mencapai
tujuan tersebut diperlukan teknologi budidaya dan varietas yang adaptif. Masalah
yang dihadapi saat ini antara lain ketersediaan varietas yang adaptif sangat
terbatas. Pengunaan varietas yang toleran terhadap tanah salin akan lebih
menguntungkan untuk jangka panjang. Di samping itu dengan tersedianya varietas
yang adaptif tidak memerlukan biaya yang tinggi untuk pengelolaan tanah salin.
Dengan demikian perlu teknologi terobosan untuk menghasilkan varietas baru
yang dapat beradaptasi di tanah salin.
Mutasi induksi yang dikombinasi dengan teknik seleksi in vitro
merupakan salah metode alternatif untuk merakit varietas yang toleran pada
kondisi salin. Dengan mengunakan teknik tersebut pada penelitian ini dihasilkan
nomor nomor putatif mutan somaklon toleran salinitas.
Pada penelitian ini juga akan dipelajari bagaimana mekanisme toleransi
tanaman mutan padi
yang dihasilkan, pada kondisi pertumbuhan di lapangan
(setelah diaklimatisasi). Serta akan dilakukan perbandingan, apakah mekanisme
toleransi yang terjadi pada kondisi lingkungan in vitro akan sama dengan
mekanisme toleransi yang terjadi pada lingkungan ex vitro setelah aklimatisasi.
Tujuan Penelitian
Tujuan umum penelitian ini adalah untuk mendapatkan nomor-nomor mutan
somaklon padi toleran salinitas dan secara khusus penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mendapatkan metode regenerasi kalus membentuk plantlet beberapa varietas
padi yaitu Ciherang, Inpari 13, Inpara 3, Pokkali dan IR 29.
2. Mendapatkan Nilai LD50 iradiasi sinar gamma dari kalus padi varietas
Ciherang, Inapari 13 dan Inpara 3
3. Mendapatkan nilai LC50 NaCl dari kalus padi varietas Ciherang, Inpari 13 dan
Inpara 3
4. Mendapatkan informasi mekanisme toleransi salinitas tanaman padi pada
kondisi in vitro
5. Mendapatkan informasi mekanisme toleransi salinitas tanaman padi pada
kondisi di rumah kaca
Manfaat Penelitian
1.
Diperoleh nomor-nomor putatif mutan somaklon padi toleran salinitas yang
berasal dari padi varietas Ciherang, Inapri 13 dan Inpara 3.
2.
Diperoleh informasi mekanisme toleransi salinitas tanaman padi pada kondisi
in vitro dan di rumah kaca.
Kebaruan
1.
Metode kombinasi mutagen fisik dan seleksi in vitro untuk menghasilkan
putatif mutan somaklon padi yang toleran salinitas dengan mengunakan LD50
radiasi sinar gamma dan LC 50 NaCl.
2.
Keeratan hubungan mekanisme toleransi cekaman salinitas yang diuji pada
kondisi in vitro dan di rumah kaca.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini terdiri atas 6 percobaan yaitu: (1) studi regenerasi tunas
adventif dari kalus beberapa varietas padi, (2) Pengaruh irradiasi sinar gamma
terhadap pertumbuhan dan regenerasi kalus padi varietas Ciherang, Inpari 13 dan
Inpara 3, (3) Penentuan nilai LC50 NaCl pada kalus beberapa varietas padi, (4)
pembentukan fenotipe padi toleran salinitas padi varietas Ciherang, Inpari 13 dan
Inpara 3, (5) studi mekanisme toleransi salinitas padi pada kondisi in vitro dan (6)
seleksi putatif mutan somaklon padi di rumah kaca dan mekanisme toleransi
salinitas. Secara jelas ruang lingkup penelitian disampaikan pada Gambar1.
Gambar 1. Bagan alur penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
Pengaruh Kondisi Salin Terhadap Proses Fisiologi Tanaman
Salinitas dapat didefinisikan sebagai adanya kandungan garam yang
terlarut dalam konsentrasi berlebih pada larutan tanah, sehingga dapat
mengganggu pertumbuhan dan perkembangan tanaman ( Munns & Tester, 2008).
Pengaruh salinitas pada tanaman mencakup tiga aspek, yaitu: (1) keracunan yang
disebabkan kandungan garam yang berlebih, dimana konsentrasi NaCl yang tinggi
dapat merusak permeabilitas membran sel (Carden et al. 2003, (2) peningkatan
potensial osmotik pada larutan tanah karena bertambahnya konsentrasi garam
didalam larutan tanah dapat meningkatkan potensial osmotik larutan tanah. Oleh
sebab itu salinitas dapat menyebabkan tanaman sulit menyerap air sehingga terjadi
kekeringan fisiologis (Munns & Tester 2008); (3) Penurunan dalam penyerapan
unsur-unsur hara penting bagi tanaman (FAO 2005). Kondisi salinitas akan
mengurangi ketersediaan K+ dan Ca++ dalam larutan tanah dan menghambat
proses transportasi kedua unsur hara tersebut kedaerah pertumbuhan tanaman
sehingga akan mengurangi kualitas pertumbuhan baik organ vegetatif maupun
reproduktif (Carden et al. 2003).
Pengaruh salinitas pada tanaman padi memberikan pengaruh yang berbeda
pada setiap fase pertumbuhan. Pada fase perkecambahan, kondisi cekaman
salinitas dapat menurukan kemampuan benih untuk berkecambah sehingga
persentase bibit yang dihasilkan berkurang serta pertumbuhan bibit juga
terhambat (Hakim et al. 2012). Kondisi salin pada fase tillering dan fase inisiasi
malai menunjukkan penurunan pada jumlah gabah permalai. Sedangkan pada
pada fase generatif, salinitas dapat mempengaruhi proses pengisian malai
sehingga jumlah gabah hampa meningkat. Secara umum kondisi salin dapat
menurunkan produksi padi (Rad et al. 2012).
Mekanisme Fisiologi Toleransi Salinitas pada Tanaman
Toleransi salinitas untuk tanaman yang dibudidayakan ditanah salin
mengacu pada bagaimana tanaman tersebut memiliki kemampuan untuk bertahan
dan berproduksi dengan baik bila ditanam pada lahan dengan kondisi
salin. Menurut Marschner (2012) mekanisme toleransi salinitas pada tanaman
meliputi mekanisme inklusi dan ekslusi.
Mekanisme inklusi, yaitu suatu mekanisme yang dialami oleh tanaman
dimana tanaman tersebut mencegah terjadinya keracunan ion-ion garam dengan
cara sintesis solut kompatibel, kompertementasi garam dalam vakuola serta
retranslokasi garam melalui floem, eksresi garam dengan menggugurkan daun
daun tua (Marschner 2012).
Tanaman yang toleran pada kondisi salin dapat menahan atau mengurangi
kerusakan yang ditimbulkan oleh cekaman melalui mengatur penyerapan ion dan
kompartmentasi. Ion-ion Na+ terakumulasi dalam tanaman dalam jumlah yang
relatif banyak akan merusak protein dan fungsi
enzim, sehingga akan
mengakibatkan terganggunya sistem metabolisme didalam sel. Tanaman toleran
pada kondisi ini akan mengangkut dan menyimpan Na+ dalam vakuola, sehingga
tanaman dapat mempertahankan pertumbuhan normal. Hal ini disebut dengan
kompartamentasi ionik. Dari studi yang pernah dilakukan kemampuan ini
umumnya terdapat pada hampir semua tanaman tergantung pada pompa proton
yang terletak di membran vakuola, H + akan ditransport ke luar dari dalam
vakuola sementara Na + diangkut ke dalam vakuola. Cara ini akan menyebabkan
Na + terakumulasi dalam vakuola. Kekuatan transfer berasal dari gradien
konsentrasi proton dan potensial elektrokimia ( Bing et al. 2008, Ren et al.
2005).
Pada kondisi cekaman salinitas, tanaman mudah kehilangan air dan pada
kondisi ekstrim dapat menyebabkan kematian. Tekanan osmotik dilingkungan
bercekaman salinitas lebih tinggi dari pada tekanan osmatik dalam sel tanaman,
hal ini akan mengakibatkan tanaman sulit menyerap air, sehingga mengakibatkan
fenomena defisit air. Untuk menghindari dehidrasi dan menjaga keseimbangan
potesnial air, sel tanaman akan meningkatkan konsentrasi zat terlarut intraseluler
dan mengurangi potensi osmotik intraseluler untuk mengatur beda potensial
osmotik antara sel. Untuk mempertahankan lingkungan sitoplasma yang stabil,
tanaman mengatur konsentrasi relatif dari ion anorganik (terutama K + dan
Na +) untuk menyesuaikan turgor sel, volume sel, nilai pH intraseluler, dan
parameter fisiologis penting lainnya (Demidchik et al. 2002). Tanaman juga
menghasilkan senyawa osmotik kompatibel sitoplasma seperti prolin, glisin, gula
alkohol dan lain-lain untuk menjaga tekanan osmotik tinggi dalam sel (Hu et al.
2000).
Mekanisme ekslusi adalah mekanisme untuk mencegah masuknya Na
kedalam jaringan tanaman dan mencegah terjadinya defisit air secara internal
dengan cara sintesis solut organik dan meningkatkan sukulensi (Sopandie 2014).
Untuk mempertahankan stabilitas lingkungan mikro di dalam sitoplasma,
tanaman mengatur konsentrasi relatif dari ion anorganik (terutama K + dan
Na +) untuk mempertahankan turgor sel, volume sel, nilai pH intraseluler dan
parameter fisiologis penting lainnya. Pada proses fisiologis, sel-sel tumbuhan
mengakumulasi K+ dan mengarahkan Na+ keluar sel, yang mengarah kepada
peningkatan ratio nilai K+ /Na (Bing et al. 2008).
Banyak penelitian
menunjukan bahwa dengan adanya kondisi garam yang tinggi kebanyakan
tanaman mulai mengakumulasikan beberapa metabolit dengan berat molekul
yang rendah dalam sitoplasma seperti prolin, glisin, gula alkohol dan lain-lain
untuk menjaga tekanan osmotik tinggi dalam sel, sehingga memungkinkan bagi
tanaman untuk menyerap air di bawah kondisi garam yang tinggi ( Hu et al.
2012).
Cekaman garam pada kondisi in vitro akan menghambat pertumbuhan
tanaman padi, baik pada kalus maupun tunas hal ini karena konsentrasi garam
yang tidak seimbang di dalam media (Htwe et al. 2011). Tanaman yang toleran
pada kondisi ini akan melakukan mekanisme tertentu untuk bertahan pada kondisi
salin. Mekanisme toleransi pada kalus yaitu dengan meningkatnya akumulasi
prolin dalam sel (Htwe et al. 2011). Pada fase bibit akumulasi prolin lebih rendah
Adanya akumulasi prolin pada kalus dan plantlet menunjukan adanya potensi
genetik untuk mendapatkan tanaman yang toleran salinitas.
Mutasi Induksi
Mutasi adalah perubahan materi genetik pada tingkat genom, kromosom
DNA atau gen sehingga menyebabkan terjadinya keragamman genetik. Mutasi
dapat terjadi secara tiba-tiba dan acak yang merupakan sumber keragamman bagi
tanaman serta bersifat terwariskan (heritance). Mutasi dapat terjadi secara spontan
di alam (spontaneous mutation) dan dapat terjadi melalui induksi. Keduanya
dapat menimbulkan variasi genetik untuk dijadikan dasar seleksi tanaman
(Soeranto, 2003).
Mutasi induksi merupakan salah satu metode untuk meningkatkan
keragamman yang dapat diterapkan dalam pemuliaan tanaman. Mutasi induksi
dapat dilakukan dengan perlakuan bahan mutagen tertentu. Mutagen yang sering
digunakan dalam pemuliaan tanaman yaitu mutagen fisik (radiasi sinar X, sinar
gamma) dan mutagen kimia. Penggunaan mutagen dapat mengganggu sistem
pembelahan sel, sehingga dapat merubah aktivitas gen, bahkan dapat terbentuk
protein baru. Teknik tersebut dapat mempercepat diperolehnya varietas baru
dengan berbagai sifat atau karakter yang diinginkan. Sifat-sifat baru yang
terbentuk pada mutan akan beragam karena mutasi yang terbentuk bersifat acak.
Mutasi induksi menggunakan radiasi sinar-X dan sinar gamma merupakan
metode yang paling banyak digunakan untuk merakit varietas unggul baru, dalam
kurun waktu 70 tahun terakhir telah dilepas 2250 varietas mutan diseluruh dunia.
(Maluszynki et al. 2000). Iradiasi dapat menyebabkan perubahan genetik dalam
sel somatik (mutasi somatik), dapat diturunkan dan dapat menyebabkan terjadinya
perubahan fenotipe. Iradiasi sinar gamma sering digunakan dalam usaha
pemuliaan tanaman karena dapat meningkatkan variasi – variasi genetik sehingga
dapat menghasilkan mutan-mutan baru.
Respon tanaman terhadap efek iradiasi sinar gamma, selain dipengaruhi
oleh jenis kultur yang digunakan, juga tergantung dari laju dosis iradiasi yang
digunakan (Soeranto 2003). Dosis rendah dapat menyebabkan perubahan abnormal
pada fenotipe tanaman dan bersifat dapat balik sedangkan pemberian iradiasi pada
dosis yang tinggi dapat mengakibatkan kematian pada jaringan yang diradiasi.
Sensitivitas terhadap radiasi dapat diukur berdasarkan nilai LD (lethal dose). LD
(lethal dose) adalah dosis yang dapat menyebabkan kematian dari tanaman yang
diradiasi. Tingkat sensitivitas tanaman dipengaruhi oleh jenis tanaman, fase tumbuh,
ukuran, bahan yang akan dimutasi, serta sangat bervariasi antar jenis tanaman dan
antar genotipe (Banerji & Datta 1992). Dari beberapa hasil penelitian menunjukkan
bahwa dosis optimum dalam induksi mutasi yang dapat menghasilkan mutan
terbanyak diperoleh pada LD50 (Datta 2001). Variabilitas mutan tertinggi terdapat
pada mutan hasil iradiasi sinar gamma sekitar LD20 dan LD50 (Soeranto 2012).
Pengunaan iradiasi sinar gamma telah digunakan untuk merakit galur-galur
padi yang toleran pada kondisi stress abiotik dan telah banyak dilakukan untuk
mendapatkan galur-galur yang toleran salinitas. Perlakuan mutagen fisik dapat
merubah karakter fisiologis tanaman sehingga tanaman padi relatif toleran
terhadap kondisi salin. (Saleem et al. 2005, Song et al. 2012).
Seleksi In vitro
Keragamman genetik yang ditimbulkan oleh variasi somaklonal dan
induksi mutasi bersifat acak. Untuk mengidentifikasi keragamman somaklonal
maupun induksi mutasi kearah perubahan yang diinginkan, dapat digunakan
metode seleksi in vitro. Melalui metode tersebut, seleksi ketahanan terhadap
cekaman abiotik seperti salinitas dapat digabungkan dalam media kultur in vitro
dan digunakan untuk menumbuhkan varian somaklonal yang diperoleh. Tanaman
hasil regenerasi populasi sel somatik pada seleksi in vitro pada tanaman tertentu,
toleran pula terhadap kondisi stres abiotik di lapang.
Seleksi in vitro merupakan metode yang lebih efektif dan efisien karena
kondisi seleksi dapat dibuat homogen, tempat yang dibutuhkan relatif sedikit, dan
efektivitas seleksi tinggi. Intensitas seleksi dapat diperkuat dan dibuat lebih
homogen. Penggunaan teknik kultur in vitro akan menghasilkan variasi dari
populasi sel somatik melalui seleksi pada media yang sesuai. Populasi sel
somatik dapat diseleksi dalam media yang mengandung komponen seleksi
sehingga akan meningkatkan frekuensi varian dengan sifat yang diinginkan
(Biswan et al. 2002).
Seleksi in vitro untuk toleransi terhadap salinitas menggunakan
komponen seleksi NaCl. Basu, (2002) melaporkan bahwa respon pertumbuhan
kalus padi menurun tajam dengan meningkatnya konsentrasi NaCl dalam media
kultur kalus padi. Pushpam and Rangaswamy (2000) menjelaskan bahwa kalus
padi yang dikulturkan pada medium yang mengandung konsentrasi NaCl yang
tinggi pertumbuhannya akan terhambat dari pada kalus yang dikulturkan pada
media dengan konsentrasi NaCl yang lebih rendah. Penurunan pertumbuhan
kalus dalam media yang mengandung NaCl disebabkan pengalihan beberapa
kuantum energi untuk pertumbuhan dan metabolisme. Mereka juga melaporkan
bahwa kalus padi yang dikulturkan pada media tanpa cekaman dapat tumbuh
lebih cepat dibandingkan kalus yang dikulturkan pada media yang diberi
cekaman. Basu et al. (2002) melaporkan bahwa retensi K+ pada kalus padi
merupakan faktor penting pada mekanisme toleransi garam dimana ion tersebut
akan berkolerasi positif dengan pertumbuhan.
Sankar et al. (2009)
memanfaatkan metode seleksi in vitro ini untuk menyeleksi cekaman garam
terhadap 40 varietas hibrida. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Hibrida GD
98029/CSSRI 13 menempati urutan pertama diikuti oleh hibrida GD 98028/CO
43, GD 98028/CSR 23, GD 98029/CSR 10, GD 98029/Nona Bokra dan Nona
Bokra pada media MS yang mengandung 2,4-D 2 mg/l, kinetin 0.25 mg/l dan
kasein hidrolisat 1 g/l dengan komponen seleksi NaCl konsentrasi 1,6 %.
Peningkatan keragamman genetik melalui variasi somaklonal dan induksi
mutasi dan perubahannya diarahkan melalui seleksi in vitro merupakan metode
yang efektif untuk merakit genotip baru yang memiliki sifat tertentu tanpa
merubah terlalu banyak sifat agronomi yang baik dari tanaman induknya. Oleh
karena itu, kombinasi antara induksi variasi somaklonal dan seleksi in vitro
merupakan alternatif teknologi yang efektif dalam menghasilkan individu dengan
karakter yang spesifik. Metode ini telah diterapkan oleh Salaem et al. (2005)
pada tanaman padi. Kalus embriogenik padi yang telah diradiasi sinar gamma
mampu beregenerasi membentuk tunas pada media seleksi yang mengandung
NaCl konsentrasi tinggi.
3 REGENERASI TUNAS ADVENTIF DARI KALUS BEBERAPA
VARIETAS PADI
Adventive Shoots Regeneration of Callus Some Rice Varieties
Abstrak
Regenerasi tunas dari kalus merupakan tahapan yang sangat penting untuk
merakit varietas baru melalui jalur non konvensional antara lain kultur in vitro.
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan formulasi media untuk induksi kalus
embriogenik, regenerasi dan multiplikasi tunas adventif serta induksi akar padi
varieta