Development of cytoplasmic male sterile lines derived from three cytoplasm sources and its use on hybrid rice breeding
PENGEMBANGAN GALUR MANDUL JANTAN
DENGAN TIGA SUMBER SITOPLASMA
UNTUK PERAKITAN PADI HIBRIDA
INDRASTUTI APRI RUMANTI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Pengembangan Galur
Mandul Jantan dengan Tiga Sumber Sitoplasma untuk Perakitan Padi Hibrida
adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi
yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan
dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar
Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Januari 2012
Indrastuti Apri Rumanti
NIM A263074011
ABSTRACT
INDRASTUTI APRI RUMANTI. Development of Cytoplasmic Male Sterile Lines
Derived from Three Cytoplasm Sources and Its Use on Hybrid Rice Breeding.
Under direction of BAMBANG S. PURWOKO as chairman, HAJRIAL
ASWIDINNOOR and ISWARI S. DEWI as members of the advisory committee.
Hybrid rice is an alternative technology to increase lowland rice productivity.
In Indonesia, hybrid rice was developed through three line system that involved
three parental lines i.e. cytoplasmic male sterile lines (CMS), maintainer (B) and
Restorer (R). CMS as seed parent should have high pollen sterility, be stable,
easy to restore, good in agro-morphology and flower behavior, high in combining
ability and resistant to pest and diseases.
Intensive use of single source of male sterile cytoplasm (i.e. wild abortive or
WA) in developing rice hybrids might lead to genetic vulnerability associated with
susceptibility to pests and diseases.A series of experiments were conducted to
identify new CMS from three cytoplasm sources (WA, Gambiaca and Kalinga)
with high pollen sterility, stable and easy to restore. CMS efectivity on seed
production and hybrid rice breeding were studied.
The results showed that among doubled haploid population,panicle weight
had thelargest contribution to grain weight per hill, as shown by high and positive
direct effect value (0.7739) and indirect effect value through number of filled grain
per panicle (0.6556), therefore the characters could be usedfor selection of good
maintainer lines. H36-3-Mb, H36-3-Mc, H36-4-M, H45-3-Da, B1-2-Pb and B2-2Pb were suitable to be used as new maintainer candidates related to their high
number of filled grain and yield. Doubled haploid of B1-1-Mb, B2-1-Db and B2-1M were resistant to Bacterial Leaf Blight (BLB) strain III. B4-1-Dc line was very
resistant (score 0) to BLB strain IV and VIII.
Six CMS of wild abortive types, one CMS of Gambiaca and three Kalinga
types were bred through successive backcrosses. The three types of CMS lines
were semi dwarf and having better flowering characters than the check line. The
good flowering behavior of the new CMS lines improved seed set up to 25.90%
compared to 2.98% of seed set in IR58025A. The new CMS were more effective
and easier in its seed production. Phenotype obstacles such as low panicle
exertion and short panicle length were improved through GA3 spraying. It
increased the yield of seed.
The three types of CMS had spesific combining ability to many restorers
and yielded high yielding hybrid combination with good heterosis. The results
indicated that the yield of hybrids were controlled by overdominant, dominant x
dominantor epistasis gene activity. The best hybrid was derived from WA
cytoplasm i.e. BI485A/IR53942 (10.21 t/ha), while the best hybrid derived from
Gambiaca cytoplasm was BI625A/SMD11 (9.88 t/ha). BI665A/IR53942 was the
best hybrid derived from Kalinga cytoplasm, yielded up to 9.15 t/ha.
It can be concluded that new CMS derived from WA, Gambiaca and
Kalinga cytoplasm were more efective on seed production and hybrid rice
development because of their good flower behaviour, resistance to BLB and
good specific combiner with restorers.
Keywords: cytoplasmic male sterile lines, wild abortive, gambiaca, kalinga, seed
production, hybrid rice
RINGKASAN
INDRASTUTI APRI RUMANTI. Pengembangan Galur Mandul Jantan dengan
Tiga Sumber Sitoplasma untuk Perakitan Padi Hibrida.Dibimbing oleh
BAMBANG S. PURWOKO sebagai ketua, HAJRIAL ASWIDINNOOR dan
ISWARI S. DEWI sebagai anggota komisi pembimbing.
Teknologi padi hibrida merupakan salah satu alternatif dalam usaha
peningkatan produktivitas padi sawah.Perakitan padi hibrida di Indonesia
menggunakan sistem tiga galur yang melibatkan tiga galur tetua yaitu galur
mandul jantan (GMJ), galur pelestari (B) dan galur pemulih kesuburan (R).GMJ
merupakan kunci utama dalam pengembangan padi hibrida sistem tiga galur,
karena berfungsi sebagai seed parent. GMJ yang baik harus memiliki sterilitas
polen sempurna, stabil, mudah dipulihkan fertilitasnya, memiliki karakter
agromorfologi dan bunga baik, memiliki daya gabung baik dan tahan terhadap
satu atau lebih hama penyakit tropis.
GMJ yang digunakan di Indonesia masih didominasi oleh GMJ dengan latar
belakang sitoplasma wild abortive (WA). Penggunaan satu tipe GMJ dalam area
luas dikhawatirkan dapat menimbulkan kerapuhan genetik, sehingga hibrida
menjadi lebih rentan terhadap hama, penyakit maupun perubahan lingkungan
yang ekstrim. Serangkaian penelitian dilakukan untuk memperoleh GMJ baru
dengan tiga sitoplasma berbeda (WA, Gambiaca dan Kalinga) yang memiliki
sterilitas polen sempurna, stabil dan mudah dipulihkan. Efektivitas GMJ dalam
produksi benih dan perakitan padi hibrida menjadi target berikutnya dalam
penelitian ini.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada populasi galur dihaploid calon
pelestari, bobot malai mempunyai kontribusi terbesar terhadap hasil biji per
rumpun, terlihat dari nilai pengaruh langsungnya yang positif dan besar (0,7399)
dan pengaruh tidak langsungnya melalui jumlah gabah isi per malai yang juga
tinggi dan positif (0,6556), sehingga dua karakter ini dapat digunakan sebagai
karakter seleksi galur pelestari yang baik. Galur haploid ganda H36-3-Mb, H36-3Mc, H36-4-M, H45-3-Da, B1-2-Pb dan B2-2-Pb sesuai untuk digunakan sebagai
calon galur pelestari karena mempunyai jumlah gabah isi per malai dan bobot
hasil yang tinggi.Galur DH B1-1-Mb, B2-1-Db dan B2-1-M bereaksi tahan
terhadap Hawar Daun Bakteri (HDB) strain III. Galur B4-1-Dc merupakan galur
DH pelestari sangat tahan (skor 0) terhadap HDB strain IV dan VIII.
Transfer sifat mandul jantan dan silang balik berkelanjutan telah berhasil
mengidentifikasi 10 GMJ baru dengan tiga latar belakang sitoplasma berbeda
(WA, Gambiaca dan Kalinga). Sepuluh GMJ baru tersebut memiliki sterilitas
polen yang sempurna dan stabil.GMJ tipe Gambiaca dan Kalinga lebih cepat
mencapai 100% steril dibandingkan GMJ tipe WA.GMJ baru tersebut memiliki
tinggi tanaman antara 66 – 107 cm, jumlah anakan kategori sedang dan umur
genjah, serta didukung oleh persentase eksersi stigma yang baik. Satu GMJ tipe
WA, Gambiaca dan Kalinga bereaksi tahan terhadap HDB strain III, berturut-turut
yaitu BI703A, BI855A dan BI669A. Galur BI543A dan BI571A (WA) teridentifikasi
tahan terhadap HDB strain VIII. BI665A (Kalinga) memberikan reaksi tahan
terhadap dua strain sekaligus, yaitu IV dan VIII, yang merupakan strain paling
virulen di Indonesia.
GMJ baru tipe WA, Gambiaca dan Kalinga memiliki karakter bunga yang
lebih baik dibandingkan IR58025A, seperti stigma besar, persentase eksersi
stigma yang tinggi, sudut pembukaan bunga yang lebar dan durasi pembukaan
bunga yang lama. Akumulasi perilaku bunga demikian mendukung kemampuan
menyerbuk silang, sehingga seed set GMJ baru dapat mencapai 4,75 – 25,9%,
sedangkan IR58025A hanya mencapai 2,98%. Hal tersebut dibuktikan dengan
nilai korelasi positif dan nyata yang ditunjukkan antara seed set dengan lebar
stigma (r = 0,44*), eksersi stigma (r = 0,54*) dan sudut membuka lemma dan
palea galur mandul jantan (r = 0,42*). Seed set GMJ juga berkorelasi positif
dengan panjang filamen (r = 0,47*) dan sudut pembukaan bunga galur pelestari
(r = 0,57**).
Studi terhadap potensi produksi benih GMJ baru, menunjukkan bahwa GMJ
baru tipe WA, Gambiaca dan Kalinga mampu menghasilkan bobot panen benih
yang lebih tinggi dibandingkan IR58025A. Kelemahan GMJ baru berupa
rendahnya persentase eksersi malai dan malai pendek dapat diatasi dengan
penyemprotan 200 ppm GA3. Aplikasi GA3 meningkatkan hasil benih GMJ baru
yaitu mencapai 1031,90 kg/ha (WA), 763,34 kg/ha (Kalinga) dan 457,45 kg/ha
(Gambiaca).
Tiga tipe GMJ baru teridentifikasi memiliki daya gabung khusus dengan
berbagai galur pemulih kesuburan, sehingga menghasilkan kombinasi hibrida
dengan potensi hasil dan heterosis tinggi baik terhadap tetua terbaik, rata-rata
tetua maupun varietas pembanding. Hal ini menunjukkan bahwa bobot hasil padi
hibrida dikendalikan oleh aksi gen overdominan, dominan x dominan atau
epistasis. Kombinasi hibrida turunan GMJ tipe WA terbaik adalah
BI485A/IR53942 (10,21 t/ha), sedangkan hibrida turunan GMJ tipe Gambiaca
terbaik adalah BI625A/SMD11 (9,88 t/ha). Hibrida turunan GMJ tipe Kalinga
terbaik ditunjukkan oleh BI665A/IR53942 (9,15 t/ha)
Dari rangkaian penelitian ini dapat disimpulkan bahwa GMJ baru tipe WA,
Gambiaca maupun Kalinga efektif digunakan dalam produksi benih dan perakitan
padi hibrida karena memiliki biologi dan perilaku bunga baik, tahan terhadap
HDB dan memiliki daya gabung baik terhadap galur pemulih kesuburan yang
ada. Diperoleh kombinasi hibrida dengan hasil dan heterosis tinggi dari ketiga
latar belakang genetik GMJ.
Kata Kunci: galur mandul jantan, wild abortive, gambiaca, kalinga, produksi
benih, padi hibrida
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2012
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
yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.
PENGEMBANGAN GALUR MANDUL JANTAN
DENGAN TIGA SUMBER SITOPLASMA
UNTUK PERAKITAN PADI HIBRIDA
INDRASTUTI APRI RUMANTI
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
Penguji pada Ujian Tertutup:
Dr. Ir. Satoto, MS
Dr. M Syukur, SP., M.Si.
Penguji pada Ujian Terbuka:
Dr. Ir. Trikoesoemaningtyas, M.Sc.
Dr. Ir. Suwarno, MS
Judul Disertasi
: Pengembangan Galur Mandul Jantan dengan Tiga
Sumber Sitoplasma untuk Perakitan Padi Hibrida
Nama
: Indrastuti Apri Rumanti
NIM
: A263074011
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir.Bambang S. Purwoko, M.Sc.
Ketua
Dr. Ir.Hajrial Aswidinnoor, M.Sc.
Anggota
Dr.Ir. Iswari S. Dewi
Anggota
Mengetahui
Ketua Program Studi
Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir.Trikoesoemaningtyas, M.Sc.
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc. Agr.
Tanggal Ujian: 15 September 2011
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Alhamdulillaahirabbil’aalamiin.Atas rahmat dan karunia Allah SWT,
disertasi ini berhasil diselesaikan dengan baik. Adanya dominasi
sitoplasma secara luas di Indonesia menyebabkan kualitas dan hasil padi
hibrida hampir sama antar varietas. Terlebih lagi, kekhawatiran terjadinya
kerapuhan genetik pada GMJ seperti yang terjadi pada jagung Texas,
maka penulis memilih tema Pengembangan Galur Mandul Jantan
dengan Tiga Sumber Sitoplasma untuk Perakitan Padi Hibrida.
Terimakasih penulis sampaikan kepada Prof. Dr. Bambang S.
Purwoko MSc., Dr. Ir. Hajrial Aswidinnoor MSc. dan Dr. Ir. Iswari S. Dewi
selaku komisi pembimbing yang dengan ikhlas memberikan masukan,
arahan, bimbingan, dorongan dan motivasi dalam penulisan disertasi ini.
Penulis sampaikan penghargaan sebesar-besarnya kepada Dr. Satoto
dan Dr. M Syukur selaku penguji luar komisi dalam ujian tertutup, serta Dr.
Trikoesoemaningtyas dan Dr. Suwarno yang telah berkenan menjadi
penguji luar komisi dalam ujian terbuka.
Penulis juga menyampaikan terimakasih kepada Badan Litbang
Pertanian atas dukungan dana beasiswa dan dana penelitian melalui
kerjasama Badan Litbang Pertanian& IPB dalam program KKP3T 2007 –
2011 a.n. Prof. Bambang S. Purwoko dkk. Penulis juga menyampaikan
terimakasih kepada BB Biogen atas pemberian materi hasil kultur antera
dan fasilitas melalui Dr. Iswari S. Dewi sebagai bahan penelitian, serta
Pak Iman dan Mbak Yeni yang dengan ikhlas telah membantu penulis
selama bekerja di laboratorium dan Rumah Kaca. Penghargaan dan
terimakasih, penulis sampaikan kepada Kepala Balai Besar Penelitian
Padi (BB Padi) dan ketuatim penelitian padi hibrida BB Padi, Dr. Satoto,
atas pemberian materi penelitian, ijin, dukungan dan masukannya. Juga
teman-teman peneliti dan teknisi: Murdani, Yuni Widyastuti, Sudibyo,
Suwarto, Wasidi, Cecep, Sarmadi, Suardi, Firman, Dede, Nita, Bayu dan
Bowo untuk dukungan doa dan tenaganya. Teman-teman seperjuangan di
PBT 2007, 2008, 2009 dan 2010 untuk persahabatannya.Terimakasih
khusus penulis ucapkan untuk Indria Mulsanti dan keluarga, semoga
silaturahmi terus terjaga.
Kepada suami tercinta, Didik Ariyanto, Bapak Ibu Wahyuno, Ibu
Siswantinah dan ananda terkasih Zaki dan Kayla, juga kakak dan adik
tersayang, disampaikan terimakasih atas cinta, doa, dorongan dan kasih
sayang yang telah menguatkan penulis dalam melaksanakan semua
penelitian dan penulisan disertasi ini.
Tiada yang sempurna pada karya manusia, tetapi besar harapan
penulis, karya ini dapat bermanfaat dalam pengembangan padi,
khususnya padi hibrida di Indonesia.
Bogor, Januari 2012
Indrastuti Apri Rumanti
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Banyumas pada tanggal 27 April 1977 dari
Bapak Wahyuno dan Ibu Ambarwati, sebagai anak pertama dari dua
bersaudara.Penulis memiliki satu orang adik laki-laki bernama Prastoto
Indratmoko. Pada tahun 2000, penulis menikah dengan Didik Ariyanto,
S.Pi, M.Si dan dikaruniai dua putra putri, yang diberi nama Zaki Najmudin
Furqon Ariyanto dan Kayla Putri Ariyanto.
Penulis lulus dari Fakultas Pertanian, Universitas Jendral Soedirman,
Program Studi Pemuliaan Tanaman pada tahun 1999. Selanjutnya tahun
2000 penulis mulai bekerja di Balai Besar Penelitian Tanaman Padi pada
Kelompok Peneliti Pemuliaan Padi dan sejak saat itu penulis intensif
melakukan penelitian bersama tim padi hibrida. Penulis turut aktif dalam
pelepasan varietas padi hibrida sejak tahun 2002 hingga 2011. Sejumlah
artikel ilmiah sebagai wujud penyebaran informasi juga telah penulis
publikasikan di jurnal maupun prosiding bersama tim peneliti padi hibrida
BB Padi.
Setelah enam tahun mengabdi di BB Padi, pada tahun 2006 penulis
memperoleh kesempatan tugas belajar di Sekolah Pascasarjana IPB
program Magister dengan sponsor utama Badan Litbang Pertanian.Pada
tahun 2008 penulis berkesempatan untuk mengikuti program alih jenjang,
sehingga langsung melanjutkan pendidikan Doktor di IPB.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ...............................................................................
xv
DAFTAR GAMBAR ...........................................................................
xvi
PENDAHULUAN ...............................................................................
1
Latar Belakang............................................................................
1
Tujuan Penelitian ........................................................................
4
Hipotesis ......................................................................................
4
Diagram Alur Penelitian ...............................................................
5
TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................
7
Asal dan Taksonomi Padi ............................................................
7
Padi Hibrida .................................................................................
9
Sistem Mandul Jantan pada Padi ................................................
12
Uji Daya Gabung .........................................................................
14
EVALUASI GALUR-GALUR DIHAPLOID UNTUK DIGUNAKAN
SEBAGAI CALON GALUR PELESTARI ………………………………
17
Abstrak ........................................................................................
17
Abstract.......................................................................................
18
Pendahuluan ...............................................................................
19
Bahan dan Metode ......................................................................
21
Hasil dan Pembahasan...............................................................
26
Kesimpulan ................................................................................
38
TRANSFER SIFAT MANDUL JANTAN DAN PEMBENTUKAN
GALUR MANDUL JANTAN MELALUI SILANG BALIK ...................
39
Abstrak .......................................................................................
39
Abstract.......................................................................................
40
Pendahuluan ..............................................................................
41
Bahan dan Metode ......................................................................
42
Hasil dan Pembahasan.............................................................
44
Kesimpulan ..................................................................................
52
KARAKTER BUNGA YANG MENDUKUNG KEMAMPUAN
MENYERBUK SILANG GALUR MANDUL JANTAN
53
Abstrak .......................................................................................
53
Abstract.......................................................................................
54
Halaman
Pendahuluan ...............................................................................
55
Bahan dan Metode ......................................................................
56
Hasildan Pembahasan..............................................................
58
Kesimpulan .................................................................................
72
POTENSI PRODUKSI BENIH GALUR MANDUL JANTAN BARU
TIPE WILD ABORTIVE, GAMBIACA DAN KALINGA ......................
73
Abstrak .......................................................................................
73
Abstract.......................................................................................
74
Pendahuluan ...............................................................................
75
Bahan dan Metode ......................................................................
76
Hasil dan Pembahasan ...............................................................
80
Kesimpulan .................................................................................
85
EVALUASI DAYA GABUNG DAN HETEROSIS HIBRIDA
TURUNAN GMJ TIPE WILD ABORTIVE, GAMBIACA DAN
KALINGA MENGGUNAKAN ANALISIS LINI X TESTER ..................
87
Abstrak .......................................................................................
87
Abstract.......................................................................................
88
Pendahuluan ...............................................................................
89
Bahan dan Metode ......................................................................
90
Hasil dan Pembahasan ...............................................................
92
Kesimpulan .................................................................................
114
PEMBAHASAN UMUM ....................................................................
117
KESIMPULAN DAN SARAN ...........................................................
127
Kesimpulan ..................................................................................
127
Saran ..........................................................................................
128
DAFTAR PUSTAKA
129
DAFTAR TABEL
Halaman
1
Klasifikasi padi menurut Khush (2000) .....................................
8
2
Galur calon pelestari DH2 hasil kultur antera dari 6 kombinasi
persilangan B x B ………………………………………………….
21
3
Skor warna daun berdasarkan SES (IRRI 2002) ……..……….
22
4
Skala sudut daun bendera berdasarkan SES (IRRI 2002) …...
22
5
Skala eksersi malai berdasarkan SES (IRRI 2002) ……………
22
6
Skor keberadaan bulu pada gabah ……………………………..
23
7
Kriteria penilaian ketahanan terhadap hawar daun bakteri
(HDB) ……………………………………………….………………
24
8
Analisis ragam (anova) rancangan acak kelompok ……………
25
9
Karakter morfologi dan karakter bunga 19 calon galur
pelestari ………………………………………….………………...
27
Nilai rata-rata dan parameter genetik dari delapan karakter
pada 19 galur dihaploid calon galur pelestari …………………..
28
Koefisien korelasi pearson antar 7 karakter pada galur-galur
dihaploid padi ...........................................................................
30
Pengaruh langsung dan tidak langsung karakter vegetatif dan
komponen hasil terhadap hasil biji per rumpun pada galurgalur dihaploid padi ………….……………………………………
31
Nilai rata-rata karakter agronomis dan komponen hasil 19
calon galur pelestari ………………………………………………
34
Hasil uji ketahanan galur dihaploid calon pelestari terhadap
hawar daun bakteri ………………………………………………..
35
15
Skor eksersi malai berdasarkan SES (IRRI 2002) ..................
44
16
Skor eksersi stigma berdasarkan SES (IRRI 2002) .................
44
17
Sterilitas polen tanaman F1 hasil persilangan dari 5 GMJ
dengan 19 galur DH ………………………………………………
45
10
11
12
13
14
Halaman
18
Karakter sterilitas polen galur mandul jantan baru pada
generasi F1 - F1BC5 …………………………………………….
47
Keragaan karakter agronomis, eksersi malai dan eksersi
stigma tiga tipe galur mandul jantan baru ………………………
49
Ketahanan galur mandul jantan baru terhadap Hawar Daun
Bakteri ……………………………………………………………..
51
Eksersi malai, eksersi stigma, panjang dan lebar stigma,
panjang stilus dan warna putik dari tiga tipe galur mandul
jantan baru ..............................................................................
60
Panjang antera, filamen, skor anthesis dan warna antera
galur pelestari ……………………………………………………
64
Umur berbunga, durasi dan sudut pembukaan bunga serta
seed set yang terbentuk pada galur mandul jantan baru dan
pelestarinya ……………………………………………………….
68
Korelasi fenotipik sejumlah karakter dan perilaku bunga galur
mandul jantan terhadap persentase terbentuknya biji (seed
set) …………………………………………………………………
69
Korelasi fenotipik sejumlah karakter dan perilaku bunga galur
pelestari terhadap persentase terbentuknya biji (seed set) …..
70
Karakter agromorfologi dan umur berbunga 50% tiga galur
mandul jantan baru dan pembanding (IR58025A) pada dua
konsentrasi GA3 selama produksi benih galur mandul jantan
80
Sterilitas polen, eksersi stigma, eksersi malai, persentase
pengisian biji (seed set) dan produktivitas galur mandul jantan
baru dan pembanding (IR58025A) pada dua konsentrasi GA3
selama produksi benih galur mandul jantan ……………………
82
Daftar galur mandul jantan dan restorer yang digunakan
dalam pembentukan hibrida .....................................................
90
29
Struktur tabel analisis ragam untuk analisis lini × tester ………
92
30
Nilai kuadrat tengah hasil analisis varians daya gabung pada
beberapa karakter padi …………………………………………..
93
Proporsi kontribusi lini, tester dan interaksinya terhadap
varians total ……………………………………………………….
95
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
31
32
Efek daya gabung umum tetua hibrida baru pada berbagai
karakter …………………………………………………………….
33
Efek daya gabung khusus karakter agromorfologi, komponen
hasil dan hasil 75 hibrida baru ………………………………….
96
98
Halaman
34
35
36
37
38
Nilai rata-rata karakter agromorfologi, komponen hasil dan
hasil tetua jantan dan betina yang digunakan dalam perakitan
hibrida …………………………………………………………….
102
Heterobeltiosis karakter agromorfologi dan komponen hasil
75 hibrida baru …….……………………………………………
103
Heterosis mid parent karakter agromorfologi dan komponen
hasil 75 hibrida baru …………………………………………….
106
Heterobeltiosis, mid parent heterosis dan standar heterosis
karakter bobot hasil 75 hibrida baru ……………….…………..
111
Karakter agronomi dan standar heterosis karakter hasil
hibrida turunan GMJ tipe WA, Gambiaca dan Kalinga ……….
124
DAFTAR GAMBAR
1
Diagram alur penelitian ............................................................
Halaman
5
2
Lintasan evolusi dua species padi budidaya (Khush 2000) .....
9
3
Skema sistem galur mandul jantan pada padi .........................
13
4
Sidik lintas dan korelasi antar karakter pada galur-galur
dihaploid padi …………………………………………………….
32
Penampilan DH calon galur pelestari yang sangat tahan (kiri)
dan rentan (tengah) serta lesi yang diakibatkan HDB pada
tanaman rentan (kanan) …………………………………………
35
Ukuran polen steril (kiri atas), polen fertil yang terwarnai oleh
IKI 1% (kiri bawah) dan polen steril yang tidak terwarnai oleh
IKI 1% (kanan); pembesaran 40x pada mikroskup binokuler ..
48
Penampilan Galur Mandul Jantan Baru yang tahan terhadap
hawar daun bakteri, isolat terisolir pada ujung bekas
pengguntingan (lingkaran) ………………………………………
51
Eksersi malai galur pelestari (kiri) dan galur mandul jantan
(kanan) ……………………………………………………………
59
Eksersi stigma yang tinggi pada Galur Mandul Jantan Baru
(B) dibandingkan dengan eksersi stigma pada IR58025A (A)
63
Proses keluarnya polen dari antera saat antesis. (Sumber:
Matsui et al. 1999) ………………………………………………..
65
Kriteria ideal galur pelestari, meliputi filamen panjang, antera
kuning dan besar, antera menggugurkan sebagian besar
polennya setelah berada di luar bunga …………………………
67
12
Petak percobaan produksi benih 1 pasang GMJ ……………...
77
13
Morfologi stigma GMJ selama reseptif polen …………………..
83
14
Durasi reseptif putik tiga galur mandul jantan baru dan
pembanding (IR58025A) pada 0 ppm GA3 (A) dan 200 ppm
GA3 (B) selama produksi benih galur mandul jantan ………….
84
Bobot benih GMJ hasil produksi benih pada konsentrasi GA3
0 dan 200 ppm ……………………………………………………
84
5
6
7
8
9
10
11
15
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kebutuhan terhadap pangan khususnya beras, semakin meningkat
sejalan dengan pertambahan jumlah penduduk, sedangkan usaha diversifikasi
pangan berjalan lambat. Jumlah penduduk pada tahun 2010, 2015 dan 2020
diprediksikan akan mencapai 235 juta, 249 juta dan 263 juta jiwa. Oleh karena itu
laju produksi padi nasional harus terus ditingkatkan. Pada tahun 2009 produksi
padi nasional mencapai 64,4 juta ton gabah kering giling (GKG) atau meningkat
6,83% dibandingkan tahun 2008. Namun pada tahun 2010, peningkatan produksi
padi nasional lebih rendah, hanya mencapai 2,45% dibandingkan tahun 2009
(BPS 2010). Hal ini disebabkan banyaknya bencana kekeringan, banjir dan juga
tingkat serangan hama dan penyakit yang tinggi.
Teknologi padi hibrida yang memanfaatkan gejala heterosis merupakan
salah satu cara untuk meningkatkan produktivitas padi di Indonesia. Padi hibrida
menghasilkan pertambahan produktivitas mendekati 15-20% lebih tinggi
dibanding varietas padi komersial terbaik. China telah sukses mengaplikasikan
teknologi padi hibrida. Area yang ditanami padi hibrida di China saat ini terhitung
lebih dari 50% dari total area padi. Penggunaan padi hibrida di China mampu
meningkatkan produksi padi total dari 128 juta ton menjadi 189 juta ton,
walau terjadi penurunan luas lahan padi dari 36,5
juta ha pada 1975
menjadi 29,2 juta ha pada 2007. Peningkatan produktivitas pada periode
tersebut sangat besar yaitu dari 3,5 t/ha menjadi 6,35 t/ha (FAO 2008).
Budidaya padi hibrida juga mulai dilakukan pada skala luas di banyak negara
Asia, seperti India dan Vietnam (You et al. 2006).
Padi hibrida di Indonesia dikembangkan dengan sistem 3 galur, yang
melibatkan tiga galur tetua: galur mandul jantan sitoplasma (GMJ/CMS/A), galur
pelestari (Maintainer/B), dan galur pemulih kesuburan (Restorer/R). Padi hibrida
merupakan generasi F1 hasil persilangan antara galur mandul jantan sebagai
tetua betina dengan galur pemulih kesuburan sebagai tetua jantan, sehingga
sifat-sifat varietas padi hibrida ditentukan oleh sifat-sifat dari kedua tetuanya (You
et al. 2006). Untuk mendapatkan varietas padi hibrida yang baik dengan sifatsifat yang diinginkan seperti berdaya hasil tinggi dan tahan terhadap hama serta
penyakit utama, perlu dilakukan perbaikan terhadap galur-galur tetuanya,
2
terutama GMJ yang merupakan tetua betina (seed parent) dan menjadi kunci
dalam komersialisasi padi hibrida.
Galur mandul jantan (galur A/GMJ) dapat diperoleh secara spontan di
antara galur hasil pemuliaan yang berasal dari persilangan kerabat jauh
(interspesifik) atau melalui mutagenesis (Hanson & Bentolila 2004).
Ada
beberapa tipe galur mandul jantan sitoplasma, antara lain Wild-Abortive (WA),
Gambiaca, Kalinga, Dissy, Indonesian-type dan lain-lain. Galur mandul jantan
tipe WA merupakan galur yang banyak digunakan dalam pengembangan
varietas padi hibrida. Jing et al. (2001) menyebutkan bahwa 90% padi hibrida
yang ditanam di Cina menggunakan GMJ tipe WA sebagai tetua betinanya. GMJ
tipe WA merupakan GMJ yang dikembangkan pada padi indica dengan
sitoplasma yang berasal dari populasi padi liar Oryza rufipogon Griff. (Eckardt
2006).
Di Indonesia, GMJ tipe WA tersebut juga digunakan untuk merakit
beberapa F1 hibrida unggul (Suwarno et al. 2003). GMJ yang digunakan dalam
produksi benih padi hibrida tersebut berasal dari IRRI, seperti IR58025A,
IR62829A, IR68886A, IR68888A, dan IR68897A. Namun penggunaan satu tipe
sitoplasma
yang
sama
untuk
kepentingan
komersial
secara
intensif,
dikhawatirkan akan menimbulkan kerapuhan genetik, seperti kasus Texas
cytoplasm pada jagung. Kerapuhan genetik disebabkan oleh sempitnya latar
belakang genetik, sehingga tanaman menjadi rentan terhadap penyakit, hama
maupun faktor-faktor iklim yang tidak menguntungkan (Pradhan & Jachuck
1999).
Karakter yang diinginkan dalam perakitan GMJ adalah laju persilangan
alami tinggi, sterilitas tepung sari 100% dan stabil, kemandulannya mudah
dipulihkan (easy restorability), mampu menyesuaikan dengan lingkungannya,
tahan terhadap hama dan penyakit utama, mempunyai daya gabung yang baik
dengan berbagai galur pemulih kesuburan, tanaman sedang (semidwarf), malai
keluar sempurna, stigma keluar lebih dari 70%, dan kualitas biji baik. Namun
pembentukan GMJ masih banyak mengalami kendala. Sangat sulit mendapatkan
GMJ dengan tingkat sterilitas 100% dan stabil di daerah tropika. GMJ hasil
introduksi dari IRRI (IR58025A, IR62829A dan IR68897A) mempunyai laju
persilangan alami (outcrossing rate/OCR) yang rendah serta rentan terhadap
hama dan penyakit utama di Indonesia (Suwarno et al. 2003). BB Padi telah
mengembangkan GMJ baru tipe wild abortive yang telah memiliki ketahanan
terhadap hama atau penyakit. Diantaranya adalah GMJ3, GMJ4 dan GMJ5 yang
3
memiliki ketahanan terhadap hawar daun bakteri (HDB) dan wereng batang
coklat (WBC) (Satoto et al. 2008).
Peneliti di BB Padi melaporkan bahwa dari sekitar 1500 tanaman F1 (GMJ
x galur-galur elit) yang dievaluasi tingkat fertilitasnya di pertanaman testcross,
persentase tanaman dengan sterilitas 100% ternyata sangat kecil, yaitu hanya
sekitar 1%, 3% F1 mempunyai fertilitas tinggi, sedangkan 96% lainnya adalah
parsial fertil atau parsial steril (Rumanti et al. 2005). Hal ini menunjukkan bahwa
transfer sifat mandul jantan tidak mudah, karena sifat mandul jantan dikendalikan
oleh interaksi antara sitoplasma yang steril dengan gen-gen male sterile resesif
yang ada di dalam nukleus. Perakitan galur mandul jantan memerlukan galur
elite yang berpotensi untuk digunakan merakit GMJ. Galur tersebut adalah galur
pelestari (maintainer/galur B) yang efektif melestarikan sifat mandul jantan pada
GMJ dan sudah beradaptasi dengan lingkungan target. Menurut Virmani et al.
(1997), frekuensi ditemukannya galur pelestari diantara galur-galur elite indica
(galur indica mendominasi di Indonesia) sangat kecil, yaitu bervariasi antara 010%. Pembentukan dan perbaikan galur pelestari dapat dilakukan dengan
persilangan B x B yang keduanya mempunyai sifat baik, kemudian dilanjutkan
dengan seleksi terhadap rekombinan terbaik pada generasi F2 – F5.
Untuk
memperoleh mandul jantan baru dari pelestari perlu dilakukan silang balik
sebanyak minimal 5 generasi (Virmani et al. 1997). Teknik ini bila dilakukan
dengan program pemuliaan biasa, perlu waktu yang sangat lama untuk
mendapatkan calon galur pelestari dan galur mandul jantan. Oleh karena itu,
kultur antera telah diterapkan untuk pembentukan galur murni yang lebih cepat,
efektif dan akurat (Dewi & Purwoko 2011). Dewi et al. (2005) telah memperoleh
galur-galur dihaploid hasil kultur antera yang dapat diuji efektivitasnya dalam
melestarikan GMJ.
Berdasarkan berbagai permasalahan di atas, maka perlu dikaji lebih
lanjut mengenai pemanfaatan galur dihaploid calon pelestari hasil kultur antera
dalam perakitan galur mandul jantan dengan sitoplasma yang berbeda-beda
untuk mengantisipasi timbulnya kerapuhan genetik akibat komersialisasi padi
hibrida yang menggunakan hanya satu tipe sitoplasma (tipe WA). GMJ baru yang
dihasilkan perlu diuji efektivitasnya dalam produksi benih GMJ maupun perakitan
hibrida. Informasi nilai daya gabung, fenomena heterosis, dan heritabilitas hasil
dan komponen hasil serta beberapa karakter agronomis penting lainnya juga
perlu dipelajari. Daya gabung yang tinggi di antara kedua tetua dapat
4
mendukung perolehan nilai heterosis yang tinggi pada padi hibrida. Serangkaian
kegiatan penelitian tersebut disajikan pada Gambar 1.
Tujuan Penelitian
Tujuan Umum
Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh GMJ baru dengan tiga tipe
sitoplasma yang memiliki karakter bunga baik dan tahan terhadap penyakit
Hawar Daun Bakteri untuk pengembangan padi hibrida.
Tujuan Khusus
Penelitian ini bertujuan untuk :
(1) Mengevaluasi karakter agromorfologi, komponen hasil, hasil dan ketahanan
terhadap HDB pada galur dihaploid (DH2) calon galur pelestari
(2) Memperoleh Galur Mandul Jantan tipe WA, Gambiaca dan Kalinga beserta
pelestari pasangannya yang tahan terhadap hawar daun bakteri
(3) Mendapatkan GMJ baru yang memiliki morfologi dan perilaku bunga
mendukung kemampuan menyerbuk silang alami
(4) Memperoleh informasi potensi produksi benih galur mandul jantan tipe WA,
Kalinga dan Gambiaca
(5) Memperoleh informasi efektivitas tiga tipe galur mandul jantan sitoplasmik
baru untuk perakitan padi hibrida
(6) Mendapatkan hibrida baru dengan heterosis tinggi
Hipotesis
1. Galur mandul jantan baru dapat diperoleh dari populasi dihaploid turunan
kultur antera dari persilangan B x B dengan sumber sitoplasma yang berbeda
(WA, Kalinga atau Gambiaca)
2. Galur mandul jantan dengan karakter bunga tertentu, akan meningkatkan
potensi hasil pada produksi benih GMJ
3. Terdapat GMJ dengan sterilitas polen 100% dan stabil yang mempunyai daya
gabung umum dan khusus yang tinggi terhadap galur pemulih kesuburan,
sehingga mampu menghasilkan kombinasi hibrida berheterosis tinggi.
4. Kombinasi hibrida yang memiliki heterosis tinggi dapat dirakit dari GMJ baru.
5
Gambar 1. Diagram alur penelitian
TINJAUAN PUSTAKA
Asal dan Taksonomi Padi
Padi (Oryza sativa L.), seperti halnya gandum, jagung dan barley termasuk
dalam famili Graminae (Poaceae) atau rumput-rumputan. Genus Oryza terdiri
atas 23 spesies, 21 diantaranya adalah padi liar (wild relatives) yang memiliki
genom diploid atau tetraploid, sedangkan 2 lainnya merupakan padi budidaya.
Studi variasi karakter morfologi terhadap 16 spesies padi, telah dilaporkan oleh
Morishima dan Oka (1960) yang menyatakan bahwa spesies Oryza dapat dibagi
ke dalam tiga grup utama, yaitu (1) Oryza sativa dan kerabat dekatnya, (2) Oryza
officinalis dan kerabatnya serta (3) spesies kerabat jauh lainnya.
Kush
(2000)
melakukan
klasifikasi
ulang
terhadap
spesies
Oryza
berdasarkan jumlah kromosom, komposisi genom dan daerah penyebarannya
(Tabel 1). Spesies padi liar seperti O. nivara dan O. glaberrima dilaporkan
banyak mengandung gen-gen bermanfaat yang dapat ditransfer ke genom padi
budidaya (O. sativa). Introgresi gen-gen bermanfaat tersebut dapat dilakukan
melalui hibridisasi interspesifik (Brar et al. 1996). Menurut Kush (2000),
berdasarkan tingkat kemudahan transfer gen-gen dari spesies liar ke spesies
budidaya, spesies padi dapat diklasifikasikan ke dalam tiga gene pool. Gene pool
utama terdiri atas sejumlah spesies liar, yaitu O. rufipogon, O. nivara, O.
glumaepatula, O. meridionalis, O. breviligulata, O. longistaminata serta dua
spesies budidaya, yaitu O. sativa dan O. glaberrima. Kelompok ini memiliki
genom AA dan transfer gen antar spesies ini dapat dilakukan melalui persilangan
dan metode seleksi tertentu. Gene pool sekunder adalah spesies kelompok O.
officinalis komplek. Persilangan antara O. sativa dan spesies-spesies dalam
kelompok ini lebih sulit dilakukan dan harus menggunakan bantuan teknik
penyelamatan embrio (embryo rescue). Hal ini terjadi karena adanya
keterbatasan homologi antara genom AA (O. sativa) dengan genom BB, CC,
CCDD, EE dan FF (spesies padi liar), sehingga jumlah gen yang dapat ditransfer
terbatas. Gene pool tersier terdiri atas kelompok O. meyeriana, O. ridleyi dan O.
schlechteri. Persilangan antara O. sativa dengan kelompok ini sangat sulit
dilakukan dan transfer gen antar spesies ini jarang dilakukan.
8
Tabel 1 Klasifikasi Padi menurut Khush (2000)
9
Oryza sativa terdiri atas banyak subspesies dan telah terdistribusi ke seluruh
dunia. Dikenal dua grup varietas padi yaitu indica dan japonica, kedua grup ini
memiliki banyak perbedaan karakter dibandingkan antar varietas tipikalnya,
tetapi variasinya saling overlap. Kedua grup ini telah dikarakterisasi berdasarkan
resistensinya, panjang bulu di apikulus dan reaksinya terhadap phenol. Morinaga
(1954) dalam Kush (2000) mengusulkan adanya grup ketiga yang terdiri atas
varietas bulu dan gundil dari Indonesia. Grup ini disebut javanica, dan
Galszmann (1987) dalam Kush (2000) menyatakan bahwa javanica berada di
antara grup japonica berdasarkan analisis isozym. Saat ini javanica dikenal
sebagai tropical japonica, sedangkan typical japonica disebut sebagai temperate
japonica (Gambar 2).
Gambar 2 Lintasan evolusi dua species padi budidaya (Kush 2000)
Padi Hibrida
Padi hibrida di Indonesia dikembangkan dengan sistem 3 galur, yang
melibatkan tiga galur tetua meliputi galur mandul jantan sitoplasmik, galur
pelestari dan galur pemulih kesuburan. Padi hibrida merupakan generasi F1 hasil
persilangan antara galur mandul jantan sebagai tetua betina dengan galur
pemulih kesuburan sebagai tetua jantan, sehingga sifat-sifat varietas padi hibrida
ditentukan oleh sifat-sifat dari kedua tetuanya. Tetua-tetua yang superior dapat
meningkatkan penampilan agronomis dan bobot hasil hibrida turunan berbagai
kombinasi persilangan antara galur mandul jantan dan galur pemulih kesuburan
10
(You et al. 2006). Oleh karena itu, untuk mendapatkan varietas padi hibrida yang
baik dengan sifat-sifat yang diinginkan seperti daya hasil tinggi (ditunjukkan oleh
nilai heterosis yang tinggi), dan tahan terhadap hama dan penyakit utama, maka
penelitian padi hibrida diutamakan pada proses perbaikan galur-galur tetua padi
hibrida serta proses pembentukan kombinasi persilangan yang menghasilkan
produksi dan heterosis tinggi.
Padi hibrida dikembangkan dengan memanfaatkan adanya fenomena
heterosis yang menyebabkan produksi yang lebih tinggi dibanding galur murni.
Beberapa hipotesis telah diajukan untuk menjelaskan dasar genetis dari
heterosis. Hipotesis dominansi (Bruce 1910 diacu dalam You et al. 2006)
menjelaskan faktor dominan salah satu tetua menutupi gangguan mutasi resesif
tetua lain pada populasi F1 heterosigos.
Sebaliknya hipotesis overdominan
(Shull 1908 diacu dalam You et al. 2006) percaya bahwa heterosigositas pada
lokus tunggal lebih superior dibanding yang homosigos. Kedua hipotesis tersebut
telah diverifikasi melalui penelitian biologi molekuler (Stuber et al. 1992; Xiao et
al. 1995). Hipotesis ketiga menduga bahwa heterosis mungkin akibat terjadinya
epistasi antara alel-alel pada lokus yang berbeda (Yu et al. 1997; Goodnight
1999). Beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa epistasis merupakan
penyebab utama heterosis secara genetik (Li et al. 2001; Luo et al. 2001).
Penelitian dan pengembangan padi hibrida pertama dilakukan oleh peneliti
China pada tahun 1964. Galur mandul jantan pertama dikembangkan pada tahun
1972 yang ditemukan pada tanaman mandul jantan steril pada populasi padi liar.
Padi hibrida komersial pertama dikenalkan pada tahun 1976. Padi hibrida
tersebut memberikan kenaikan hasil sebesar 20% dibandingkan varietas unggul
yang ada. Penelitian padi hibrida di daerah tropis dimulai di IRRI, Philipina, pada
tahun 1978 dengan mengintroduksi beberapa padi hibrida komersial dari China
seperti Shan You 6, Wei You 6 dan Shen You 2. Namun tidak satupun yang
menunjukkan kelebihan hasil terhadap varietas pembanding, seperti IR36 dan
IR42. Hal ini disebabkan terutama karena varietas-varietas hibrida China tidak
mampu beradaptasi terhadap kondisi tropis dan rentan terhadap hama dan
penyakit yang ada di daerah tropis. Untuk mengatasi hal tersebut, IRRI
melakukan penelitian lebih intensif sehingga berhasil memperoleh galur-galur
restorer tropis, dan hibrida hasil persilangan GMJ asal China dengan restorerrestorer tersebut menunjukkan heterosis terhadap IR36 dan IR42. Namun
komersialisasi hibrida tersebut masih sulit dilakukan karena terkendala oleh
11
kerentanan GMJ China terhadap hama dan penyakit (Virmani & Kumar 2004).
Oleh karena itu IRRI menitikberatkan penelitian padi hibrida terutama pada
perakitan galur-galur tetua padi hibrida dan telah banyak menghasilkan
kombinasi hibrida unggul yang telah dilepas sebagai varietas di banyak negara,
termasuk Indonesia.
Suksesnya penelitian dan pengembangan padi hibrida di China dan IRRI,
mendorong Indonesia mulai mengintensifkan pemuliaan padi hibrida pada tahun
1998, dengan menguji bahan pemuliaan introduksi dan perakitan galur tetua
serta membentuk berbagai kombinasi hibrida sendiri (Badan Litbang 2007).
Indonesia, dalam hal ini Balai Besar Penelitian Tanaman Padi (BB Padi) berhasil
melepas varietas hibrida pertama pada tahun 2002, yaitu Maro dan Rokan.
Kedua varietas tersebut merupakan hasil introduksi dari IRRI. Varietas pertama
yang menggunakan tetua jantan lokal Indonesia pertama dilepas pada tahun
2007, yaitu Hipa6 Jete. Sampai tahun 2010, di Indonesia telah dilepas 69
varietas hibrida dan 17 diantaranya dilepas oleh BB Padi, sedangkan varietas
lainnya dilepas oleh perusahaan swasta nasional maupun multinasional yang
ada di Indonesia seperti PT BISI, Kondo, Bangun Pusaka, KNB Mandiri, Makmur
Sejahtera, Bayer, DuPont, Primasid, Tri Usaha Sari Tani, Sang Hyang Seri,
Sumber Alam Sutra, Biogene Plantation, Metahelix dan Advanta Indonesia.
Semua varietas hibrida yang telah dilepas menunjukkan heterosis pada karakter
hasil terhadap IR64 dan Ciherang, tetapi sebagian besar varietas tersebut tidak
memiliki ketahanan terhadap hama dan penyakit padi di negara tropis.
Selain sistem tiga galur, terdapat dua sistem yang dapat digunakan dalam
pengembangan padi hibrida, yaitu sistem dua galur dan sistem satu galur.
Sistem satu galur adalah penggunaan sistem apomiktik (tanpa pembuahan),
namun sampai saat ini masih dalam skala penelitian.
Sistem dua galur
melibatkan penggunaan galur mandul jantan TGMS/Temperature-sensitive Genic
Male Sterility dan galur fertil. Keuntungan sistem ini adalah (1) tidak memerlukan
galur pelestari dalam produksi benih TGMS, (2) semua galur fertil dengan sifatsifat yang baik dapat digunakan sebagai tetua jantan dalam produksi benih
hibrida, dan (3) potensi heterosisnya lebih besar dibanding sistem tiga galur
(Virmani et al. 2003).
Sistem dua galur sebenarnya cocok untuk digunakan di daerah tropis, tetapi
anomali iklim yang sering terjadi di daerah tropika seperti Indonesia menjadi
kendala. TGMS akan menjadi normal (fertil) ketika temperatur kurang dari 300C
12
(Liu et al. 1998), dan di Indonesia sering sekali terjadi pergantian temperatur
yang sangat ekstrim, karena itu sistem tiga galur masih merupakan sistem yang
dapat diterapkan.
Sistem Mandul Jantan pada Padi
Mandul jantan sitoplasmik adalah kondisi dimana tanaman tidak mampu
memproduksi polen/tepung sari fungsional. Mandul jantan merupakan karakter
yang diwariskan secara maternal, dan biasanya terkait dengan adanya gangguan
pada open reading frame (ORF) di genom mitokondria (Hanson & Bentotila
2004).
Pada banyak kasus, termasuk padi, kesuburan mandul jantan dapat
dipulihkan oleh gen-gen nukleus yang mengkode fertility restoration (gen Rf)
yang terdapat pada galur pemulih kesuburan (Restorer/galur R). Sistem mandul
jantan sitoplasmik terjadi karena adanya interaksi antara genom nukleus dan
mitokondria.
Dalam hal ini, sterilitas akibat gen mitokondrial menyebabkan
disfungsi sitoplasmik, sedangkan gen-gen nukleus akan menekan disfungsi
sitoplasmik tersebut (Ekcard 2006).
Penggunaan galur mandul jantan merupakan prasyarat untuk eksploitasi
heterosis pada padi. Cytoplasmic-genetic male sterility (CgMS/CMS) telah
digunakan secara luas untuk mengembangkan padi hibrida. Pistil galur mandul
jantan tumbuh normal dan dapat memproduksi biji bila diserbuki oleh polen
normal. Jika faktor genetik yang menginduksi kemandulan tersebut tidak ada
dalam sitoplasma maka tanaman menjadi normal (male fertile).
Jika terdapat tanaman normal (male fertile) yang memiliki faktor
pengendali kemandulan pada sitoplasma dan gen inti yang memulihkan
kesuburan bersifat resesif, maka tanaman tersebut dapat mempertahankan sifat
mandul jantan. Tanaman atau galur tersebut disebut galur pelestari (maintainer
line) yaitu suatu galur yang mempunyai sitoplasma normal tetapi gen inti yang
berkaitan dengan pemulihan kesuburan resesif, galur ini berfungsi untuk
melestarikan keberadaan galur mandul jantan pasangannya.
Adanya gen
restorer dominan di nukleus pada suatu galur mengakibatkan galur tersebut
mampu memulihkan kesuburan pada hibrida hasil persilangan antara galur
tersebut dan galur CMS. Galur ini disebut sebagai galur pemulih kesuburan atau
restorer.
Pada sistem tiga galur, galur mandul jantan selalu diperbanyak dengan
cara menyilangkannya dengan galur pelestari, baik secara manual (hand
13
crossing) untuk produksi benih skala kecil, maupun melalui persilangan alami
pada plot terisolasi untuk produksi benih dalam skala besar.
Galur mandul
jantan dan galur pelestari selalu sama secara morfologi, hanya galur mandul
jantan steril sedangkan galur pelestari fertil. Namun kadang-kadang, kedua galur
tersebut juga menunjukkan beberapa sifat morfologi dan agronomis yang
berbeda karena dipengaruhi oleh faktor-faktor yang ada di dalam sitoplasma
yang menginduksi mandul jantan (Virmani et al. 1997).
Restorer yang
mempunyai gen pemulih kesuburan (Rf) dominan, ketika disilangkan dengan
GMJ akan menghasilkan F1 hibrida yang fertil. Perbanyakan benih galur pelestari
dan pemulih kesuburan dilakukan seperti perbanyakan padi biasa, karena kedua
galur ini fertil dan mempunyai bunga sempurna.
Gambar 3 Skema sistem galur mandul jantan pada padi
Galur mandul jantan diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria,
antara lain (1) berdasarkan perilaku genetik dari gen ms, GMJ dibedakan
menjadi dua tipe yaitu GMJ sporofitik dan gametofitik.
Pada GMJ sporofitik,
sterilitas atau fertilitas polen ditentukan oleh genotipe dari sporofit sedangkan
genotipe gametofit (polen) tidak berpengaruh sama sekali. Beberapa GMJ yang
tergolong tipe ini antara lain wild-abortive (WA) dan Gambiaca (Gam). Pada
kedua GMJ tersebut, gugurnya polen terjadi pada fase awal perkembangan
mikrospora. Fertilitas GMJ gametofitik secara langsung ditentukan oleh genotipe
gametofit (polen) saja tanpa dipengaruhi oleh genotipe sporofit. Pengguguran
polen biasanya terjadi di fase akhir perkembangan mikrospora. GMJ dengan
14
sitoplasma Boro-type termasuk dalam tipe ini; (2) berdasarkan pola pelestarianpemulih kesuburan dari GMJ, terdapat tiga tipe galur mandul jantan yaitu WA,
Honglian dan Boro type (BT); dan (3) berdasarkan morfologi polen, GMJ
digolongkan ke dalam tipe typical abortion, spherical abortion, dan
stained
abortion. GMJ tipe typical abortion mempunyai bentuk polen tidak beraturan
dan pengguguran polen biasanya terjadi pada fase uninukleat, sedangkan tipe
spherical abortion mempunyai polen berbentuk agak lonjong dan polen gugur
kira-kira saat fase binukleat. Terakhir, bentuk polen tipe stained abortion juga
agak lonjong tetapi agak lebih kecil dibanding polen normal dan polen gugur saat
fase trinukleat (Yuan et al. 2003).
Galur mandul jantan yang berkembang di Indonesia hampir seluruhnya
mempunya
DENGAN TIGA SUMBER SITOPLASMA
UNTUK PERAKITAN PADI HIBRIDA
INDRASTUTI APRI RUMANTI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Pengembangan Galur
Mandul Jantan dengan Tiga Sumber Sitoplasma untuk Perakitan Padi Hibrida
adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi
yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan
dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar
Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Januari 2012
Indrastuti Apri Rumanti
NIM A263074011
ABSTRACT
INDRASTUTI APRI RUMANTI. Development of Cytoplasmic Male Sterile Lines
Derived from Three Cytoplasm Sources and Its Use on Hybrid Rice Breeding.
Under direction of BAMBANG S. PURWOKO as chairman, HAJRIAL
ASWIDINNOOR and ISWARI S. DEWI as members of the advisory committee.
Hybrid rice is an alternative technology to increase lowland rice productivity.
In Indonesia, hybrid rice was developed through three line system that involved
three parental lines i.e. cytoplasmic male sterile lines (CMS), maintainer (B) and
Restorer (R). CMS as seed parent should have high pollen sterility, be stable,
easy to restore, good in agro-morphology and flower behavior, high in combining
ability and resistant to pest and diseases.
Intensive use of single source of male sterile cytoplasm (i.e. wild abortive or
WA) in developing rice hybrids might lead to genetic vulnerability associated with
susceptibility to pests and diseases.A series of experiments were conducted to
identify new CMS from three cytoplasm sources (WA, Gambiaca and Kalinga)
with high pollen sterility, stable and easy to restore. CMS efectivity on seed
production and hybrid rice breeding were studied.
The results showed that among doubled haploid population,panicle weight
had thelargest contribution to grain weight per hill, as shown by high and positive
direct effect value (0.7739) and indirect effect value through number of filled grain
per panicle (0.6556), therefore the characters could be usedfor selection of good
maintainer lines. H36-3-Mb, H36-3-Mc, H36-4-M, H45-3-Da, B1-2-Pb and B2-2Pb were suitable to be used as new maintainer candidates related to their high
number of filled grain and yield. Doubled haploid of B1-1-Mb, B2-1-Db and B2-1M were resistant to Bacterial Leaf Blight (BLB) strain III. B4-1-Dc line was very
resistant (score 0) to BLB strain IV and VIII.
Six CMS of wild abortive types, one CMS of Gambiaca and three Kalinga
types were bred through successive backcrosses. The three types of CMS lines
were semi dwarf and having better flowering characters than the check line. The
good flowering behavior of the new CMS lines improved seed set up to 25.90%
compared to 2.98% of seed set in IR58025A. The new CMS were more effective
and easier in its seed production. Phenotype obstacles such as low panicle
exertion and short panicle length were improved through GA3 spraying. It
increased the yield of seed.
The three types of CMS had spesific combining ability to many restorers
and yielded high yielding hybrid combination with good heterosis. The results
indicated that the yield of hybrids were controlled by overdominant, dominant x
dominantor epistasis gene activity. The best hybrid was derived from WA
cytoplasm i.e. BI485A/IR53942 (10.21 t/ha), while the best hybrid derived from
Gambiaca cytoplasm was BI625A/SMD11 (9.88 t/ha). BI665A/IR53942 was the
best hybrid derived from Kalinga cytoplasm, yielded up to 9.15 t/ha.
It can be concluded that new CMS derived from WA, Gambiaca and
Kalinga cytoplasm were more efective on seed production and hybrid rice
development because of their good flower behaviour, resistance to BLB and
good specific combiner with restorers.
Keywords: cytoplasmic male sterile lines, wild abortive, gambiaca, kalinga, seed
production, hybrid rice
RINGKASAN
INDRASTUTI APRI RUMANTI. Pengembangan Galur Mandul Jantan dengan
Tiga Sumber Sitoplasma untuk Perakitan Padi Hibrida.Dibimbing oleh
BAMBANG S. PURWOKO sebagai ketua, HAJRIAL ASWIDINNOOR dan
ISWARI S. DEWI sebagai anggota komisi pembimbing.
Teknologi padi hibrida merupakan salah satu alternatif dalam usaha
peningkatan produktivitas padi sawah.Perakitan padi hibrida di Indonesia
menggunakan sistem tiga galur yang melibatkan tiga galur tetua yaitu galur
mandul jantan (GMJ), galur pelestari (B) dan galur pemulih kesuburan (R).GMJ
merupakan kunci utama dalam pengembangan padi hibrida sistem tiga galur,
karena berfungsi sebagai seed parent. GMJ yang baik harus memiliki sterilitas
polen sempurna, stabil, mudah dipulihkan fertilitasnya, memiliki karakter
agromorfologi dan bunga baik, memiliki daya gabung baik dan tahan terhadap
satu atau lebih hama penyakit tropis.
GMJ yang digunakan di Indonesia masih didominasi oleh GMJ dengan latar
belakang sitoplasma wild abortive (WA). Penggunaan satu tipe GMJ dalam area
luas dikhawatirkan dapat menimbulkan kerapuhan genetik, sehingga hibrida
menjadi lebih rentan terhadap hama, penyakit maupun perubahan lingkungan
yang ekstrim. Serangkaian penelitian dilakukan untuk memperoleh GMJ baru
dengan tiga sitoplasma berbeda (WA, Gambiaca dan Kalinga) yang memiliki
sterilitas polen sempurna, stabil dan mudah dipulihkan. Efektivitas GMJ dalam
produksi benih dan perakitan padi hibrida menjadi target berikutnya dalam
penelitian ini.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada populasi galur dihaploid calon
pelestari, bobot malai mempunyai kontribusi terbesar terhadap hasil biji per
rumpun, terlihat dari nilai pengaruh langsungnya yang positif dan besar (0,7399)
dan pengaruh tidak langsungnya melalui jumlah gabah isi per malai yang juga
tinggi dan positif (0,6556), sehingga dua karakter ini dapat digunakan sebagai
karakter seleksi galur pelestari yang baik. Galur haploid ganda H36-3-Mb, H36-3Mc, H36-4-M, H45-3-Da, B1-2-Pb dan B2-2-Pb sesuai untuk digunakan sebagai
calon galur pelestari karena mempunyai jumlah gabah isi per malai dan bobot
hasil yang tinggi.Galur DH B1-1-Mb, B2-1-Db dan B2-1-M bereaksi tahan
terhadap Hawar Daun Bakteri (HDB) strain III. Galur B4-1-Dc merupakan galur
DH pelestari sangat tahan (skor 0) terhadap HDB strain IV dan VIII.
Transfer sifat mandul jantan dan silang balik berkelanjutan telah berhasil
mengidentifikasi 10 GMJ baru dengan tiga latar belakang sitoplasma berbeda
(WA, Gambiaca dan Kalinga). Sepuluh GMJ baru tersebut memiliki sterilitas
polen yang sempurna dan stabil.GMJ tipe Gambiaca dan Kalinga lebih cepat
mencapai 100% steril dibandingkan GMJ tipe WA.GMJ baru tersebut memiliki
tinggi tanaman antara 66 – 107 cm, jumlah anakan kategori sedang dan umur
genjah, serta didukung oleh persentase eksersi stigma yang baik. Satu GMJ tipe
WA, Gambiaca dan Kalinga bereaksi tahan terhadap HDB strain III, berturut-turut
yaitu BI703A, BI855A dan BI669A. Galur BI543A dan BI571A (WA) teridentifikasi
tahan terhadap HDB strain VIII. BI665A (Kalinga) memberikan reaksi tahan
terhadap dua strain sekaligus, yaitu IV dan VIII, yang merupakan strain paling
virulen di Indonesia.
GMJ baru tipe WA, Gambiaca dan Kalinga memiliki karakter bunga yang
lebih baik dibandingkan IR58025A, seperti stigma besar, persentase eksersi
stigma yang tinggi, sudut pembukaan bunga yang lebar dan durasi pembukaan
bunga yang lama. Akumulasi perilaku bunga demikian mendukung kemampuan
menyerbuk silang, sehingga seed set GMJ baru dapat mencapai 4,75 – 25,9%,
sedangkan IR58025A hanya mencapai 2,98%. Hal tersebut dibuktikan dengan
nilai korelasi positif dan nyata yang ditunjukkan antara seed set dengan lebar
stigma (r = 0,44*), eksersi stigma (r = 0,54*) dan sudut membuka lemma dan
palea galur mandul jantan (r = 0,42*). Seed set GMJ juga berkorelasi positif
dengan panjang filamen (r = 0,47*) dan sudut pembukaan bunga galur pelestari
(r = 0,57**).
Studi terhadap potensi produksi benih GMJ baru, menunjukkan bahwa GMJ
baru tipe WA, Gambiaca dan Kalinga mampu menghasilkan bobot panen benih
yang lebih tinggi dibandingkan IR58025A. Kelemahan GMJ baru berupa
rendahnya persentase eksersi malai dan malai pendek dapat diatasi dengan
penyemprotan 200 ppm GA3. Aplikasi GA3 meningkatkan hasil benih GMJ baru
yaitu mencapai 1031,90 kg/ha (WA), 763,34 kg/ha (Kalinga) dan 457,45 kg/ha
(Gambiaca).
Tiga tipe GMJ baru teridentifikasi memiliki daya gabung khusus dengan
berbagai galur pemulih kesuburan, sehingga menghasilkan kombinasi hibrida
dengan potensi hasil dan heterosis tinggi baik terhadap tetua terbaik, rata-rata
tetua maupun varietas pembanding. Hal ini menunjukkan bahwa bobot hasil padi
hibrida dikendalikan oleh aksi gen overdominan, dominan x dominan atau
epistasis. Kombinasi hibrida turunan GMJ tipe WA terbaik adalah
BI485A/IR53942 (10,21 t/ha), sedangkan hibrida turunan GMJ tipe Gambiaca
terbaik adalah BI625A/SMD11 (9,88 t/ha). Hibrida turunan GMJ tipe Kalinga
terbaik ditunjukkan oleh BI665A/IR53942 (9,15 t/ha)
Dari rangkaian penelitian ini dapat disimpulkan bahwa GMJ baru tipe WA,
Gambiaca maupun Kalinga efektif digunakan dalam produksi benih dan perakitan
padi hibrida karena memiliki biologi dan perilaku bunga baik, tahan terhadap
HDB dan memiliki daya gabung baik terhadap galur pemulih kesuburan yang
ada. Diperoleh kombinasi hibrida dengan hasil dan heterosis tinggi dari ketiga
latar belakang genetik GMJ.
Kata Kunci: galur mandul jantan, wild abortive, gambiaca, kalinga, produksi
benih, padi hibrida
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2012
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
yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.
PENGEMBANGAN GALUR MANDUL JANTAN
DENGAN TIGA SUMBER SITOPLASMA
UNTUK PERAKITAN PADI HIBRIDA
INDRASTUTI APRI RUMANTI
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2012
Penguji pada Ujian Tertutup:
Dr. Ir. Satoto, MS
Dr. M Syukur, SP., M.Si.
Penguji pada Ujian Terbuka:
Dr. Ir. Trikoesoemaningtyas, M.Sc.
Dr. Ir. Suwarno, MS
Judul Disertasi
: Pengembangan Galur Mandul Jantan dengan Tiga
Sumber Sitoplasma untuk Perakitan Padi Hibrida
Nama
: Indrastuti Apri Rumanti
NIM
: A263074011
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir.Bambang S. Purwoko, M.Sc.
Ketua
Dr. Ir.Hajrial Aswidinnoor, M.Sc.
Anggota
Dr.Ir. Iswari S. Dewi
Anggota
Mengetahui
Ketua Program Studi
Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir.Trikoesoemaningtyas, M.Sc.
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc. Agr.
Tanggal Ujian: 15 September 2011
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Alhamdulillaahirabbil’aalamiin.Atas rahmat dan karunia Allah SWT,
disertasi ini berhasil diselesaikan dengan baik. Adanya dominasi
sitoplasma secara luas di Indonesia menyebabkan kualitas dan hasil padi
hibrida hampir sama antar varietas. Terlebih lagi, kekhawatiran terjadinya
kerapuhan genetik pada GMJ seperti yang terjadi pada jagung Texas,
maka penulis memilih tema Pengembangan Galur Mandul Jantan
dengan Tiga Sumber Sitoplasma untuk Perakitan Padi Hibrida.
Terimakasih penulis sampaikan kepada Prof. Dr. Bambang S.
Purwoko MSc., Dr. Ir. Hajrial Aswidinnoor MSc. dan Dr. Ir. Iswari S. Dewi
selaku komisi pembimbing yang dengan ikhlas memberikan masukan,
arahan, bimbingan, dorongan dan motivasi dalam penulisan disertasi ini.
Penulis sampaikan penghargaan sebesar-besarnya kepada Dr. Satoto
dan Dr. M Syukur selaku penguji luar komisi dalam ujian tertutup, serta Dr.
Trikoesoemaningtyas dan Dr. Suwarno yang telah berkenan menjadi
penguji luar komisi dalam ujian terbuka.
Penulis juga menyampaikan terimakasih kepada Badan Litbang
Pertanian atas dukungan dana beasiswa dan dana penelitian melalui
kerjasama Badan Litbang Pertanian& IPB dalam program KKP3T 2007 –
2011 a.n. Prof. Bambang S. Purwoko dkk. Penulis juga menyampaikan
terimakasih kepada BB Biogen atas pemberian materi hasil kultur antera
dan fasilitas melalui Dr. Iswari S. Dewi sebagai bahan penelitian, serta
Pak Iman dan Mbak Yeni yang dengan ikhlas telah membantu penulis
selama bekerja di laboratorium dan Rumah Kaca. Penghargaan dan
terimakasih, penulis sampaikan kepada Kepala Balai Besar Penelitian
Padi (BB Padi) dan ketuatim penelitian padi hibrida BB Padi, Dr. Satoto,
atas pemberian materi penelitian, ijin, dukungan dan masukannya. Juga
teman-teman peneliti dan teknisi: Murdani, Yuni Widyastuti, Sudibyo,
Suwarto, Wasidi, Cecep, Sarmadi, Suardi, Firman, Dede, Nita, Bayu dan
Bowo untuk dukungan doa dan tenaganya. Teman-teman seperjuangan di
PBT 2007, 2008, 2009 dan 2010 untuk persahabatannya.Terimakasih
khusus penulis ucapkan untuk Indria Mulsanti dan keluarga, semoga
silaturahmi terus terjaga.
Kepada suami tercinta, Didik Ariyanto, Bapak Ibu Wahyuno, Ibu
Siswantinah dan ananda terkasih Zaki dan Kayla, juga kakak dan adik
tersayang, disampaikan terimakasih atas cinta, doa, dorongan dan kasih
sayang yang telah menguatkan penulis dalam melaksanakan semua
penelitian dan penulisan disertasi ini.
Tiada yang sempurna pada karya manusia, tetapi besar harapan
penulis, karya ini dapat bermanfaat dalam pengembangan padi,
khususnya padi hibrida di Indonesia.
Bogor, Januari 2012
Indrastuti Apri Rumanti
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Banyumas pada tanggal 27 April 1977 dari
Bapak Wahyuno dan Ibu Ambarwati, sebagai anak pertama dari dua
bersaudara.Penulis memiliki satu orang adik laki-laki bernama Prastoto
Indratmoko. Pada tahun 2000, penulis menikah dengan Didik Ariyanto,
S.Pi, M.Si dan dikaruniai dua putra putri, yang diberi nama Zaki Najmudin
Furqon Ariyanto dan Kayla Putri Ariyanto.
Penulis lulus dari Fakultas Pertanian, Universitas Jendral Soedirman,
Program Studi Pemuliaan Tanaman pada tahun 1999. Selanjutnya tahun
2000 penulis mulai bekerja di Balai Besar Penelitian Tanaman Padi pada
Kelompok Peneliti Pemuliaan Padi dan sejak saat itu penulis intensif
melakukan penelitian bersama tim padi hibrida. Penulis turut aktif dalam
pelepasan varietas padi hibrida sejak tahun 2002 hingga 2011. Sejumlah
artikel ilmiah sebagai wujud penyebaran informasi juga telah penulis
publikasikan di jurnal maupun prosiding bersama tim peneliti padi hibrida
BB Padi.
Setelah enam tahun mengabdi di BB Padi, pada tahun 2006 penulis
memperoleh kesempatan tugas belajar di Sekolah Pascasarjana IPB
program Magister dengan sponsor utama Badan Litbang Pertanian.Pada
tahun 2008 penulis berkesempatan untuk mengikuti program alih jenjang,
sehingga langsung melanjutkan pendidikan Doktor di IPB.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ...............................................................................
xv
DAFTAR GAMBAR ...........................................................................
xvi
PENDAHULUAN ...............................................................................
1
Latar Belakang............................................................................
1
Tujuan Penelitian ........................................................................
4
Hipotesis ......................................................................................
4
Diagram Alur Penelitian ...............................................................
5
TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................
7
Asal dan Taksonomi Padi ............................................................
7
Padi Hibrida .................................................................................
9
Sistem Mandul Jantan pada Padi ................................................
12
Uji Daya Gabung .........................................................................
14
EVALUASI GALUR-GALUR DIHAPLOID UNTUK DIGUNAKAN
SEBAGAI CALON GALUR PELESTARI ………………………………
17
Abstrak ........................................................................................
17
Abstract.......................................................................................
18
Pendahuluan ...............................................................................
19
Bahan dan Metode ......................................................................
21
Hasil dan Pembahasan...............................................................
26
Kesimpulan ................................................................................
38
TRANSFER SIFAT MANDUL JANTAN DAN PEMBENTUKAN
GALUR MANDUL JANTAN MELALUI SILANG BALIK ...................
39
Abstrak .......................................................................................
39
Abstract.......................................................................................
40
Pendahuluan ..............................................................................
41
Bahan dan Metode ......................................................................
42
Hasil dan Pembahasan.............................................................
44
Kesimpulan ..................................................................................
52
KARAKTER BUNGA YANG MENDUKUNG KEMAMPUAN
MENYERBUK SILANG GALUR MANDUL JANTAN
53
Abstrak .......................................................................................
53
Abstract.......................................................................................
54
Halaman
Pendahuluan ...............................................................................
55
Bahan dan Metode ......................................................................
56
Hasildan Pembahasan..............................................................
58
Kesimpulan .................................................................................
72
POTENSI PRODUKSI BENIH GALUR MANDUL JANTAN BARU
TIPE WILD ABORTIVE, GAMBIACA DAN KALINGA ......................
73
Abstrak .......................................................................................
73
Abstract.......................................................................................
74
Pendahuluan ...............................................................................
75
Bahan dan Metode ......................................................................
76
Hasil dan Pembahasan ...............................................................
80
Kesimpulan .................................................................................
85
EVALUASI DAYA GABUNG DAN HETEROSIS HIBRIDA
TURUNAN GMJ TIPE WILD ABORTIVE, GAMBIACA DAN
KALINGA MENGGUNAKAN ANALISIS LINI X TESTER ..................
87
Abstrak .......................................................................................
87
Abstract.......................................................................................
88
Pendahuluan ...............................................................................
89
Bahan dan Metode ......................................................................
90
Hasil dan Pembahasan ...............................................................
92
Kesimpulan .................................................................................
114
PEMBAHASAN UMUM ....................................................................
117
KESIMPULAN DAN SARAN ...........................................................
127
Kesimpulan ..................................................................................
127
Saran ..........................................................................................
128
DAFTAR PUSTAKA
129
DAFTAR TABEL
Halaman
1
Klasifikasi padi menurut Khush (2000) .....................................
8
2
Galur calon pelestari DH2 hasil kultur antera dari 6 kombinasi
persilangan B x B ………………………………………………….
21
3
Skor warna daun berdasarkan SES (IRRI 2002) ……..……….
22
4
Skala sudut daun bendera berdasarkan SES (IRRI 2002) …...
22
5
Skala eksersi malai berdasarkan SES (IRRI 2002) ……………
22
6
Skor keberadaan bulu pada gabah ……………………………..
23
7
Kriteria penilaian ketahanan terhadap hawar daun bakteri
(HDB) ……………………………………………….………………
24
8
Analisis ragam (anova) rancangan acak kelompok ……………
25
9
Karakter morfologi dan karakter bunga 19 calon galur
pelestari ………………………………………….………………...
27
Nilai rata-rata dan parameter genetik dari delapan karakter
pada 19 galur dihaploid calon galur pelestari …………………..
28
Koefisien korelasi pearson antar 7 karakter pada galur-galur
dihaploid padi ...........................................................................
30
Pengaruh langsung dan tidak langsung karakter vegetatif dan
komponen hasil terhadap hasil biji per rumpun pada galurgalur dihaploid padi ………….……………………………………
31
Nilai rata-rata karakter agronomis dan komponen hasil 19
calon galur pelestari ………………………………………………
34
Hasil uji ketahanan galur dihaploid calon pelestari terhadap
hawar daun bakteri ………………………………………………..
35
15
Skor eksersi malai berdasarkan SES (IRRI 2002) ..................
44
16
Skor eksersi stigma berdasarkan SES (IRRI 2002) .................
44
17
Sterilitas polen tanaman F1 hasil persilangan dari 5 GMJ
dengan 19 galur DH ………………………………………………
45
10
11
12
13
14
Halaman
18
Karakter sterilitas polen galur mandul jantan baru pada
generasi F1 - F1BC5 …………………………………………….
47
Keragaan karakter agronomis, eksersi malai dan eksersi
stigma tiga tipe galur mandul jantan baru ………………………
49
Ketahanan galur mandul jantan baru terhadap Hawar Daun
Bakteri ……………………………………………………………..
51
Eksersi malai, eksersi stigma, panjang dan lebar stigma,
panjang stilus dan warna putik dari tiga tipe galur mandul
jantan baru ..............................................................................
60
Panjang antera, filamen, skor anthesis dan warna antera
galur pelestari ……………………………………………………
64
Umur berbunga, durasi dan sudut pembukaan bunga serta
seed set yang terbentuk pada galur mandul jantan baru dan
pelestarinya ……………………………………………………….
68
Korelasi fenotipik sejumlah karakter dan perilaku bunga galur
mandul jantan terhadap persentase terbentuknya biji (seed
set) …………………………………………………………………
69
Korelasi fenotipik sejumlah karakter dan perilaku bunga galur
pelestari terhadap persentase terbentuknya biji (seed set) …..
70
Karakter agromorfologi dan umur berbunga 50% tiga galur
mandul jantan baru dan pembanding (IR58025A) pada dua
konsentrasi GA3 selama produksi benih galur mandul jantan
80
Sterilitas polen, eksersi stigma, eksersi malai, persentase
pengisian biji (seed set) dan produktivitas galur mandul jantan
baru dan pembanding (IR58025A) pada dua konsentrasi GA3
selama produksi benih galur mandul jantan ……………………
82
Daftar galur mandul jantan dan restorer yang digunakan
dalam pembentukan hibrida .....................................................
90
29
Struktur tabel analisis ragam untuk analisis lini × tester ………
92
30
Nilai kuadrat tengah hasil analisis varians daya gabung pada
beberapa karakter padi …………………………………………..
93
Proporsi kontribusi lini, tester dan interaksinya terhadap
varians total ……………………………………………………….
95
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
31
32
Efek daya gabung umum tetua hibrida baru pada berbagai
karakter …………………………………………………………….
33
Efek daya gabung khusus karakter agromorfologi, komponen
hasil dan hasil 75 hibrida baru ………………………………….
96
98
Halaman
34
35
36
37
38
Nilai rata-rata karakter agromorfologi, komponen hasil dan
hasil tetua jantan dan betina yang digunakan dalam perakitan
hibrida …………………………………………………………….
102
Heterobeltiosis karakter agromorfologi dan komponen hasil
75 hibrida baru …….……………………………………………
103
Heterosis mid parent karakter agromorfologi dan komponen
hasil 75 hibrida baru …………………………………………….
106
Heterobeltiosis, mid parent heterosis dan standar heterosis
karakter bobot hasil 75 hibrida baru ……………….…………..
111
Karakter agronomi dan standar heterosis karakter hasil
hibrida turunan GMJ tipe WA, Gambiaca dan Kalinga ……….
124
DAFTAR GAMBAR
1
Diagram alur penelitian ............................................................
Halaman
5
2
Lintasan evolusi dua species padi budidaya (Khush 2000) .....
9
3
Skema sistem galur mandul jantan pada padi .........................
13
4
Sidik lintas dan korelasi antar karakter pada galur-galur
dihaploid padi …………………………………………………….
32
Penampilan DH calon galur pelestari yang sangat tahan (kiri)
dan rentan (tengah) serta lesi yang diakibatkan HDB pada
tanaman rentan (kanan) …………………………………………
35
Ukuran polen steril (kiri atas), polen fertil yang terwarnai oleh
IKI 1% (kiri bawah) dan polen steril yang tidak terwarnai oleh
IKI 1% (kanan); pembesaran 40x pada mikroskup binokuler ..
48
Penampilan Galur Mandul Jantan Baru yang tahan terhadap
hawar daun bakteri, isolat terisolir pada ujung bekas
pengguntingan (lingkaran) ………………………………………
51
Eksersi malai galur pelestari (kiri) dan galur mandul jantan
(kanan) ……………………………………………………………
59
Eksersi stigma yang tinggi pada Galur Mandul Jantan Baru
(B) dibandingkan dengan eksersi stigma pada IR58025A (A)
63
Proses keluarnya polen dari antera saat antesis. (Sumber:
Matsui et al. 1999) ………………………………………………..
65
Kriteria ideal galur pelestari, meliputi filamen panjang, antera
kuning dan besar, antera menggugurkan sebagian besar
polennya setelah berada di luar bunga …………………………
67
12
Petak percobaan produksi benih 1 pasang GMJ ……………...
77
13
Morfologi stigma GMJ selama reseptif polen …………………..
83
14
Durasi reseptif putik tiga galur mandul jantan baru dan
pembanding (IR58025A) pada 0 ppm GA3 (A) dan 200 ppm
GA3 (B) selama produksi benih galur mandul jantan ………….
84
Bobot benih GMJ hasil produksi benih pada konsentrasi GA3
0 dan 200 ppm ……………………………………………………
84
5
6
7
8
9
10
11
15
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kebutuhan terhadap pangan khususnya beras, semakin meningkat
sejalan dengan pertambahan jumlah penduduk, sedangkan usaha diversifikasi
pangan berjalan lambat. Jumlah penduduk pada tahun 2010, 2015 dan 2020
diprediksikan akan mencapai 235 juta, 249 juta dan 263 juta jiwa. Oleh karena itu
laju produksi padi nasional harus terus ditingkatkan. Pada tahun 2009 produksi
padi nasional mencapai 64,4 juta ton gabah kering giling (GKG) atau meningkat
6,83% dibandingkan tahun 2008. Namun pada tahun 2010, peningkatan produksi
padi nasional lebih rendah, hanya mencapai 2,45% dibandingkan tahun 2009
(BPS 2010). Hal ini disebabkan banyaknya bencana kekeringan, banjir dan juga
tingkat serangan hama dan penyakit yang tinggi.
Teknologi padi hibrida yang memanfaatkan gejala heterosis merupakan
salah satu cara untuk meningkatkan produktivitas padi di Indonesia. Padi hibrida
menghasilkan pertambahan produktivitas mendekati 15-20% lebih tinggi
dibanding varietas padi komersial terbaik. China telah sukses mengaplikasikan
teknologi padi hibrida. Area yang ditanami padi hibrida di China saat ini terhitung
lebih dari 50% dari total area padi. Penggunaan padi hibrida di China mampu
meningkatkan produksi padi total dari 128 juta ton menjadi 189 juta ton,
walau terjadi penurunan luas lahan padi dari 36,5
juta ha pada 1975
menjadi 29,2 juta ha pada 2007. Peningkatan produktivitas pada periode
tersebut sangat besar yaitu dari 3,5 t/ha menjadi 6,35 t/ha (FAO 2008).
Budidaya padi hibrida juga mulai dilakukan pada skala luas di banyak negara
Asia, seperti India dan Vietnam (You et al. 2006).
Padi hibrida di Indonesia dikembangkan dengan sistem 3 galur, yang
melibatkan tiga galur tetua: galur mandul jantan sitoplasma (GMJ/CMS/A), galur
pelestari (Maintainer/B), dan galur pemulih kesuburan (Restorer/R). Padi hibrida
merupakan generasi F1 hasil persilangan antara galur mandul jantan sebagai
tetua betina dengan galur pemulih kesuburan sebagai tetua jantan, sehingga
sifat-sifat varietas padi hibrida ditentukan oleh sifat-sifat dari kedua tetuanya (You
et al. 2006). Untuk mendapatkan varietas padi hibrida yang baik dengan sifatsifat yang diinginkan seperti berdaya hasil tinggi dan tahan terhadap hama serta
penyakit utama, perlu dilakukan perbaikan terhadap galur-galur tetuanya,
2
terutama GMJ yang merupakan tetua betina (seed parent) dan menjadi kunci
dalam komersialisasi padi hibrida.
Galur mandul jantan (galur A/GMJ) dapat diperoleh secara spontan di
antara galur hasil pemuliaan yang berasal dari persilangan kerabat jauh
(interspesifik) atau melalui mutagenesis (Hanson & Bentolila 2004).
Ada
beberapa tipe galur mandul jantan sitoplasma, antara lain Wild-Abortive (WA),
Gambiaca, Kalinga, Dissy, Indonesian-type dan lain-lain. Galur mandul jantan
tipe WA merupakan galur yang banyak digunakan dalam pengembangan
varietas padi hibrida. Jing et al. (2001) menyebutkan bahwa 90% padi hibrida
yang ditanam di Cina menggunakan GMJ tipe WA sebagai tetua betinanya. GMJ
tipe WA merupakan GMJ yang dikembangkan pada padi indica dengan
sitoplasma yang berasal dari populasi padi liar Oryza rufipogon Griff. (Eckardt
2006).
Di Indonesia, GMJ tipe WA tersebut juga digunakan untuk merakit
beberapa F1 hibrida unggul (Suwarno et al. 2003). GMJ yang digunakan dalam
produksi benih padi hibrida tersebut berasal dari IRRI, seperti IR58025A,
IR62829A, IR68886A, IR68888A, dan IR68897A. Namun penggunaan satu tipe
sitoplasma
yang
sama
untuk
kepentingan
komersial
secara
intensif,
dikhawatirkan akan menimbulkan kerapuhan genetik, seperti kasus Texas
cytoplasm pada jagung. Kerapuhan genetik disebabkan oleh sempitnya latar
belakang genetik, sehingga tanaman menjadi rentan terhadap penyakit, hama
maupun faktor-faktor iklim yang tidak menguntungkan (Pradhan & Jachuck
1999).
Karakter yang diinginkan dalam perakitan GMJ adalah laju persilangan
alami tinggi, sterilitas tepung sari 100% dan stabil, kemandulannya mudah
dipulihkan (easy restorability), mampu menyesuaikan dengan lingkungannya,
tahan terhadap hama dan penyakit utama, mempunyai daya gabung yang baik
dengan berbagai galur pemulih kesuburan, tanaman sedang (semidwarf), malai
keluar sempurna, stigma keluar lebih dari 70%, dan kualitas biji baik. Namun
pembentukan GMJ masih banyak mengalami kendala. Sangat sulit mendapatkan
GMJ dengan tingkat sterilitas 100% dan stabil di daerah tropika. GMJ hasil
introduksi dari IRRI (IR58025A, IR62829A dan IR68897A) mempunyai laju
persilangan alami (outcrossing rate/OCR) yang rendah serta rentan terhadap
hama dan penyakit utama di Indonesia (Suwarno et al. 2003). BB Padi telah
mengembangkan GMJ baru tipe wild abortive yang telah memiliki ketahanan
terhadap hama atau penyakit. Diantaranya adalah GMJ3, GMJ4 dan GMJ5 yang
3
memiliki ketahanan terhadap hawar daun bakteri (HDB) dan wereng batang
coklat (WBC) (Satoto et al. 2008).
Peneliti di BB Padi melaporkan bahwa dari sekitar 1500 tanaman F1 (GMJ
x galur-galur elit) yang dievaluasi tingkat fertilitasnya di pertanaman testcross,
persentase tanaman dengan sterilitas 100% ternyata sangat kecil, yaitu hanya
sekitar 1%, 3% F1 mempunyai fertilitas tinggi, sedangkan 96% lainnya adalah
parsial fertil atau parsial steril (Rumanti et al. 2005). Hal ini menunjukkan bahwa
transfer sifat mandul jantan tidak mudah, karena sifat mandul jantan dikendalikan
oleh interaksi antara sitoplasma yang steril dengan gen-gen male sterile resesif
yang ada di dalam nukleus. Perakitan galur mandul jantan memerlukan galur
elite yang berpotensi untuk digunakan merakit GMJ. Galur tersebut adalah galur
pelestari (maintainer/galur B) yang efektif melestarikan sifat mandul jantan pada
GMJ dan sudah beradaptasi dengan lingkungan target. Menurut Virmani et al.
(1997), frekuensi ditemukannya galur pelestari diantara galur-galur elite indica
(galur indica mendominasi di Indonesia) sangat kecil, yaitu bervariasi antara 010%. Pembentukan dan perbaikan galur pelestari dapat dilakukan dengan
persilangan B x B yang keduanya mempunyai sifat baik, kemudian dilanjutkan
dengan seleksi terhadap rekombinan terbaik pada generasi F2 – F5.
Untuk
memperoleh mandul jantan baru dari pelestari perlu dilakukan silang balik
sebanyak minimal 5 generasi (Virmani et al. 1997). Teknik ini bila dilakukan
dengan program pemuliaan biasa, perlu waktu yang sangat lama untuk
mendapatkan calon galur pelestari dan galur mandul jantan. Oleh karena itu,
kultur antera telah diterapkan untuk pembentukan galur murni yang lebih cepat,
efektif dan akurat (Dewi & Purwoko 2011). Dewi et al. (2005) telah memperoleh
galur-galur dihaploid hasil kultur antera yang dapat diuji efektivitasnya dalam
melestarikan GMJ.
Berdasarkan berbagai permasalahan di atas, maka perlu dikaji lebih
lanjut mengenai pemanfaatan galur dihaploid calon pelestari hasil kultur antera
dalam perakitan galur mandul jantan dengan sitoplasma yang berbeda-beda
untuk mengantisipasi timbulnya kerapuhan genetik akibat komersialisasi padi
hibrida yang menggunakan hanya satu tipe sitoplasma (tipe WA). GMJ baru yang
dihasilkan perlu diuji efektivitasnya dalam produksi benih GMJ maupun perakitan
hibrida. Informasi nilai daya gabung, fenomena heterosis, dan heritabilitas hasil
dan komponen hasil serta beberapa karakter agronomis penting lainnya juga
perlu dipelajari. Daya gabung yang tinggi di antara kedua tetua dapat
4
mendukung perolehan nilai heterosis yang tinggi pada padi hibrida. Serangkaian
kegiatan penelitian tersebut disajikan pada Gambar 1.
Tujuan Penelitian
Tujuan Umum
Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh GMJ baru dengan tiga tipe
sitoplasma yang memiliki karakter bunga baik dan tahan terhadap penyakit
Hawar Daun Bakteri untuk pengembangan padi hibrida.
Tujuan Khusus
Penelitian ini bertujuan untuk :
(1) Mengevaluasi karakter agromorfologi, komponen hasil, hasil dan ketahanan
terhadap HDB pada galur dihaploid (DH2) calon galur pelestari
(2) Memperoleh Galur Mandul Jantan tipe WA, Gambiaca dan Kalinga beserta
pelestari pasangannya yang tahan terhadap hawar daun bakteri
(3) Mendapatkan GMJ baru yang memiliki morfologi dan perilaku bunga
mendukung kemampuan menyerbuk silang alami
(4) Memperoleh informasi potensi produksi benih galur mandul jantan tipe WA,
Kalinga dan Gambiaca
(5) Memperoleh informasi efektivitas tiga tipe galur mandul jantan sitoplasmik
baru untuk perakitan padi hibrida
(6) Mendapatkan hibrida baru dengan heterosis tinggi
Hipotesis
1. Galur mandul jantan baru dapat diperoleh dari populasi dihaploid turunan
kultur antera dari persilangan B x B dengan sumber sitoplasma yang berbeda
(WA, Kalinga atau Gambiaca)
2. Galur mandul jantan dengan karakter bunga tertentu, akan meningkatkan
potensi hasil pada produksi benih GMJ
3. Terdapat GMJ dengan sterilitas polen 100% dan stabil yang mempunyai daya
gabung umum dan khusus yang tinggi terhadap galur pemulih kesuburan,
sehingga mampu menghasilkan kombinasi hibrida berheterosis tinggi.
4. Kombinasi hibrida yang memiliki heterosis tinggi dapat dirakit dari GMJ baru.
5
Gambar 1. Diagram alur penelitian
TINJAUAN PUSTAKA
Asal dan Taksonomi Padi
Padi (Oryza sativa L.), seperti halnya gandum, jagung dan barley termasuk
dalam famili Graminae (Poaceae) atau rumput-rumputan. Genus Oryza terdiri
atas 23 spesies, 21 diantaranya adalah padi liar (wild relatives) yang memiliki
genom diploid atau tetraploid, sedangkan 2 lainnya merupakan padi budidaya.
Studi variasi karakter morfologi terhadap 16 spesies padi, telah dilaporkan oleh
Morishima dan Oka (1960) yang menyatakan bahwa spesies Oryza dapat dibagi
ke dalam tiga grup utama, yaitu (1) Oryza sativa dan kerabat dekatnya, (2) Oryza
officinalis dan kerabatnya serta (3) spesies kerabat jauh lainnya.
Kush
(2000)
melakukan
klasifikasi
ulang
terhadap
spesies
Oryza
berdasarkan jumlah kromosom, komposisi genom dan daerah penyebarannya
(Tabel 1). Spesies padi liar seperti O. nivara dan O. glaberrima dilaporkan
banyak mengandung gen-gen bermanfaat yang dapat ditransfer ke genom padi
budidaya (O. sativa). Introgresi gen-gen bermanfaat tersebut dapat dilakukan
melalui hibridisasi interspesifik (Brar et al. 1996). Menurut Kush (2000),
berdasarkan tingkat kemudahan transfer gen-gen dari spesies liar ke spesies
budidaya, spesies padi dapat diklasifikasikan ke dalam tiga gene pool. Gene pool
utama terdiri atas sejumlah spesies liar, yaitu O. rufipogon, O. nivara, O.
glumaepatula, O. meridionalis, O. breviligulata, O. longistaminata serta dua
spesies budidaya, yaitu O. sativa dan O. glaberrima. Kelompok ini memiliki
genom AA dan transfer gen antar spesies ini dapat dilakukan melalui persilangan
dan metode seleksi tertentu. Gene pool sekunder adalah spesies kelompok O.
officinalis komplek. Persilangan antara O. sativa dan spesies-spesies dalam
kelompok ini lebih sulit dilakukan dan harus menggunakan bantuan teknik
penyelamatan embrio (embryo rescue). Hal ini terjadi karena adanya
keterbatasan homologi antara genom AA (O. sativa) dengan genom BB, CC,
CCDD, EE dan FF (spesies padi liar), sehingga jumlah gen yang dapat ditransfer
terbatas. Gene pool tersier terdiri atas kelompok O. meyeriana, O. ridleyi dan O.
schlechteri. Persilangan antara O. sativa dengan kelompok ini sangat sulit
dilakukan dan transfer gen antar spesies ini jarang dilakukan.
8
Tabel 1 Klasifikasi Padi menurut Khush (2000)
9
Oryza sativa terdiri atas banyak subspesies dan telah terdistribusi ke seluruh
dunia. Dikenal dua grup varietas padi yaitu indica dan japonica, kedua grup ini
memiliki banyak perbedaan karakter dibandingkan antar varietas tipikalnya,
tetapi variasinya saling overlap. Kedua grup ini telah dikarakterisasi berdasarkan
resistensinya, panjang bulu di apikulus dan reaksinya terhadap phenol. Morinaga
(1954) dalam Kush (2000) mengusulkan adanya grup ketiga yang terdiri atas
varietas bulu dan gundil dari Indonesia. Grup ini disebut javanica, dan
Galszmann (1987) dalam Kush (2000) menyatakan bahwa javanica berada di
antara grup japonica berdasarkan analisis isozym. Saat ini javanica dikenal
sebagai tropical japonica, sedangkan typical japonica disebut sebagai temperate
japonica (Gambar 2).
Gambar 2 Lintasan evolusi dua species padi budidaya (Kush 2000)
Padi Hibrida
Padi hibrida di Indonesia dikembangkan dengan sistem 3 galur, yang
melibatkan tiga galur tetua meliputi galur mandul jantan sitoplasmik, galur
pelestari dan galur pemulih kesuburan. Padi hibrida merupakan generasi F1 hasil
persilangan antara galur mandul jantan sebagai tetua betina dengan galur
pemulih kesuburan sebagai tetua jantan, sehingga sifat-sifat varietas padi hibrida
ditentukan oleh sifat-sifat dari kedua tetuanya. Tetua-tetua yang superior dapat
meningkatkan penampilan agronomis dan bobot hasil hibrida turunan berbagai
kombinasi persilangan antara galur mandul jantan dan galur pemulih kesuburan
10
(You et al. 2006). Oleh karena itu, untuk mendapatkan varietas padi hibrida yang
baik dengan sifat-sifat yang diinginkan seperti daya hasil tinggi (ditunjukkan oleh
nilai heterosis yang tinggi), dan tahan terhadap hama dan penyakit utama, maka
penelitian padi hibrida diutamakan pada proses perbaikan galur-galur tetua padi
hibrida serta proses pembentukan kombinasi persilangan yang menghasilkan
produksi dan heterosis tinggi.
Padi hibrida dikembangkan dengan memanfaatkan adanya fenomena
heterosis yang menyebabkan produksi yang lebih tinggi dibanding galur murni.
Beberapa hipotesis telah diajukan untuk menjelaskan dasar genetis dari
heterosis. Hipotesis dominansi (Bruce 1910 diacu dalam You et al. 2006)
menjelaskan faktor dominan salah satu tetua menutupi gangguan mutasi resesif
tetua lain pada populasi F1 heterosigos.
Sebaliknya hipotesis overdominan
(Shull 1908 diacu dalam You et al. 2006) percaya bahwa heterosigositas pada
lokus tunggal lebih superior dibanding yang homosigos. Kedua hipotesis tersebut
telah diverifikasi melalui penelitian biologi molekuler (Stuber et al. 1992; Xiao et
al. 1995). Hipotesis ketiga menduga bahwa heterosis mungkin akibat terjadinya
epistasi antara alel-alel pada lokus yang berbeda (Yu et al. 1997; Goodnight
1999). Beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa epistasis merupakan
penyebab utama heterosis secara genetik (Li et al. 2001; Luo et al. 2001).
Penelitian dan pengembangan padi hibrida pertama dilakukan oleh peneliti
China pada tahun 1964. Galur mandul jantan pertama dikembangkan pada tahun
1972 yang ditemukan pada tanaman mandul jantan steril pada populasi padi liar.
Padi hibrida komersial pertama dikenalkan pada tahun 1976. Padi hibrida
tersebut memberikan kenaikan hasil sebesar 20% dibandingkan varietas unggul
yang ada. Penelitian padi hibrida di daerah tropis dimulai di IRRI, Philipina, pada
tahun 1978 dengan mengintroduksi beberapa padi hibrida komersial dari China
seperti Shan You 6, Wei You 6 dan Shen You 2. Namun tidak satupun yang
menunjukkan kelebihan hasil terhadap varietas pembanding, seperti IR36 dan
IR42. Hal ini disebabkan terutama karena varietas-varietas hibrida China tidak
mampu beradaptasi terhadap kondisi tropis dan rentan terhadap hama dan
penyakit yang ada di daerah tropis. Untuk mengatasi hal tersebut, IRRI
melakukan penelitian lebih intensif sehingga berhasil memperoleh galur-galur
restorer tropis, dan hibrida hasil persilangan GMJ asal China dengan restorerrestorer tersebut menunjukkan heterosis terhadap IR36 dan IR42. Namun
komersialisasi hibrida tersebut masih sulit dilakukan karena terkendala oleh
11
kerentanan GMJ China terhadap hama dan penyakit (Virmani & Kumar 2004).
Oleh karena itu IRRI menitikberatkan penelitian padi hibrida terutama pada
perakitan galur-galur tetua padi hibrida dan telah banyak menghasilkan
kombinasi hibrida unggul yang telah dilepas sebagai varietas di banyak negara,
termasuk Indonesia.
Suksesnya penelitian dan pengembangan padi hibrida di China dan IRRI,
mendorong Indonesia mulai mengintensifkan pemuliaan padi hibrida pada tahun
1998, dengan menguji bahan pemuliaan introduksi dan perakitan galur tetua
serta membentuk berbagai kombinasi hibrida sendiri (Badan Litbang 2007).
Indonesia, dalam hal ini Balai Besar Penelitian Tanaman Padi (BB Padi) berhasil
melepas varietas hibrida pertama pada tahun 2002, yaitu Maro dan Rokan.
Kedua varietas tersebut merupakan hasil introduksi dari IRRI. Varietas pertama
yang menggunakan tetua jantan lokal Indonesia pertama dilepas pada tahun
2007, yaitu Hipa6 Jete. Sampai tahun 2010, di Indonesia telah dilepas 69
varietas hibrida dan 17 diantaranya dilepas oleh BB Padi, sedangkan varietas
lainnya dilepas oleh perusahaan swasta nasional maupun multinasional yang
ada di Indonesia seperti PT BISI, Kondo, Bangun Pusaka, KNB Mandiri, Makmur
Sejahtera, Bayer, DuPont, Primasid, Tri Usaha Sari Tani, Sang Hyang Seri,
Sumber Alam Sutra, Biogene Plantation, Metahelix dan Advanta Indonesia.
Semua varietas hibrida yang telah dilepas menunjukkan heterosis pada karakter
hasil terhadap IR64 dan Ciherang, tetapi sebagian besar varietas tersebut tidak
memiliki ketahanan terhadap hama dan penyakit padi di negara tropis.
Selain sistem tiga galur, terdapat dua sistem yang dapat digunakan dalam
pengembangan padi hibrida, yaitu sistem dua galur dan sistem satu galur.
Sistem satu galur adalah penggunaan sistem apomiktik (tanpa pembuahan),
namun sampai saat ini masih dalam skala penelitian.
Sistem dua galur
melibatkan penggunaan galur mandul jantan TGMS/Temperature-sensitive Genic
Male Sterility dan galur fertil. Keuntungan sistem ini adalah (1) tidak memerlukan
galur pelestari dalam produksi benih TGMS, (2) semua galur fertil dengan sifatsifat yang baik dapat digunakan sebagai tetua jantan dalam produksi benih
hibrida, dan (3) potensi heterosisnya lebih besar dibanding sistem tiga galur
(Virmani et al. 2003).
Sistem dua galur sebenarnya cocok untuk digunakan di daerah tropis, tetapi
anomali iklim yang sering terjadi di daerah tropika seperti Indonesia menjadi
kendala. TGMS akan menjadi normal (fertil) ketika temperatur kurang dari 300C
12
(Liu et al. 1998), dan di Indonesia sering sekali terjadi pergantian temperatur
yang sangat ekstrim, karena itu sistem tiga galur masih merupakan sistem yang
dapat diterapkan.
Sistem Mandul Jantan pada Padi
Mandul jantan sitoplasmik adalah kondisi dimana tanaman tidak mampu
memproduksi polen/tepung sari fungsional. Mandul jantan merupakan karakter
yang diwariskan secara maternal, dan biasanya terkait dengan adanya gangguan
pada open reading frame (ORF) di genom mitokondria (Hanson & Bentotila
2004).
Pada banyak kasus, termasuk padi, kesuburan mandul jantan dapat
dipulihkan oleh gen-gen nukleus yang mengkode fertility restoration (gen Rf)
yang terdapat pada galur pemulih kesuburan (Restorer/galur R). Sistem mandul
jantan sitoplasmik terjadi karena adanya interaksi antara genom nukleus dan
mitokondria.
Dalam hal ini, sterilitas akibat gen mitokondrial menyebabkan
disfungsi sitoplasmik, sedangkan gen-gen nukleus akan menekan disfungsi
sitoplasmik tersebut (Ekcard 2006).
Penggunaan galur mandul jantan merupakan prasyarat untuk eksploitasi
heterosis pada padi. Cytoplasmic-genetic male sterility (CgMS/CMS) telah
digunakan secara luas untuk mengembangkan padi hibrida. Pistil galur mandul
jantan tumbuh normal dan dapat memproduksi biji bila diserbuki oleh polen
normal. Jika faktor genetik yang menginduksi kemandulan tersebut tidak ada
dalam sitoplasma maka tanaman menjadi normal (male fertile).
Jika terdapat tanaman normal (male fertile) yang memiliki faktor
pengendali kemandulan pada sitoplasma dan gen inti yang memulihkan
kesuburan bersifat resesif, maka tanaman tersebut dapat mempertahankan sifat
mandul jantan. Tanaman atau galur tersebut disebut galur pelestari (maintainer
line) yaitu suatu galur yang mempunyai sitoplasma normal tetapi gen inti yang
berkaitan dengan pemulihan kesuburan resesif, galur ini berfungsi untuk
melestarikan keberadaan galur mandul jantan pasangannya.
Adanya gen
restorer dominan di nukleus pada suatu galur mengakibatkan galur tersebut
mampu memulihkan kesuburan pada hibrida hasil persilangan antara galur
tersebut dan galur CMS. Galur ini disebut sebagai galur pemulih kesuburan atau
restorer.
Pada sistem tiga galur, galur mandul jantan selalu diperbanyak dengan
cara menyilangkannya dengan galur pelestari, baik secara manual (hand
13
crossing) untuk produksi benih skala kecil, maupun melalui persilangan alami
pada plot terisolasi untuk produksi benih dalam skala besar.
Galur mandul
jantan dan galur pelestari selalu sama secara morfologi, hanya galur mandul
jantan steril sedangkan galur pelestari fertil. Namun kadang-kadang, kedua galur
tersebut juga menunjukkan beberapa sifat morfologi dan agronomis yang
berbeda karena dipengaruhi oleh faktor-faktor yang ada di dalam sitoplasma
yang menginduksi mandul jantan (Virmani et al. 1997).
Restorer yang
mempunyai gen pemulih kesuburan (Rf) dominan, ketika disilangkan dengan
GMJ akan menghasilkan F1 hibrida yang fertil. Perbanyakan benih galur pelestari
dan pemulih kesuburan dilakukan seperti perbanyakan padi biasa, karena kedua
galur ini fertil dan mempunyai bunga sempurna.
Gambar 3 Skema sistem galur mandul jantan pada padi
Galur mandul jantan diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria,
antara lain (1) berdasarkan perilaku genetik dari gen ms, GMJ dibedakan
menjadi dua tipe yaitu GMJ sporofitik dan gametofitik.
Pada GMJ sporofitik,
sterilitas atau fertilitas polen ditentukan oleh genotipe dari sporofit sedangkan
genotipe gametofit (polen) tidak berpengaruh sama sekali. Beberapa GMJ yang
tergolong tipe ini antara lain wild-abortive (WA) dan Gambiaca (Gam). Pada
kedua GMJ tersebut, gugurnya polen terjadi pada fase awal perkembangan
mikrospora. Fertilitas GMJ gametofitik secara langsung ditentukan oleh genotipe
gametofit (polen) saja tanpa dipengaruhi oleh genotipe sporofit. Pengguguran
polen biasanya terjadi di fase akhir perkembangan mikrospora. GMJ dengan
14
sitoplasma Boro-type termasuk dalam tipe ini; (2) berdasarkan pola pelestarianpemulih kesuburan dari GMJ, terdapat tiga tipe galur mandul jantan yaitu WA,
Honglian dan Boro type (BT); dan (3) berdasarkan morfologi polen, GMJ
digolongkan ke dalam tipe typical abortion, spherical abortion, dan
stained
abortion. GMJ tipe typical abortion mempunyai bentuk polen tidak beraturan
dan pengguguran polen biasanya terjadi pada fase uninukleat, sedangkan tipe
spherical abortion mempunyai polen berbentuk agak lonjong dan polen gugur
kira-kira saat fase binukleat. Terakhir, bentuk polen tipe stained abortion juga
agak lonjong tetapi agak lebih kecil dibanding polen normal dan polen gugur saat
fase trinukleat (Yuan et al. 2003).
Galur mandul jantan yang berkembang di Indonesia hampir seluruhnya
mempunya