Materi Bioteknologi Tanaman (Prof. Dr. Hj. Ai Komariah, Ir., M.S.
Oleh :
Prof. Dr. Ai Komariah, Ir. MS.
Dr. Hj. Lia amalia, Ir., MP.
SILABUS MK BIOTEK TANAMAN
1. PENGERTIAN BIOTEKNOLOGI
a. Definisi Bioteknologi
b. Ruang lingkup bioteknologi
c. Aplikasi bioteknologi
2. LANDASAN BIOTEKNOLOGI
a. Sel sebagai wahana aktivitas bioteknologi
b. Metabolisme sel dan pemanfaatannya dalam bioteknologi
c. Enzim dan peranannya dalam bioteknologi
d. DNA peranannya dalam aktivitas sel dan pemanfaatannya dalam bioteknologi
e. Teknik invitro sebagai prosedur pokok dalam bioteknologi
3. PEMANFAATAN BIOTEKNOLOGI I (Teknik kultur jaringan)
- Perbanyakan tanaman
- Pelestraian Plasma nutfah
4. PEMANFAATAN BIOTEKNOLOGI II (DNA rekombinan)
- DNA sebagai material utama
- Susunan DNA dan kloning gen
- Struktur Gen dan ekspresi gen
- Regulasi ekspresi gen
5. PEMANFAATAN BIOTEKNOLOGI 3 (Pemuliaan Tanaman)
a. Produksi dari transgenik mikroorganisme
b. Penggunaan mikroorganisme untuk memperoleh protein specifik
c. Produksi tanaman transgenik
d. Memperbaiki daya tahan tanaman dalam keadaan stres
6. TANAMAN TRANSGENIK DAN RESISTENSI
a. Tanaman resisten terhadap herbisida
b. Tanaman transgenik resisten terhadap insekta
c. Tanaman transgenik resisten terhadap patogen virus dan fungi
7. DAMPAK BIOTEKNOLOGI TANAMAN
a. Dampak terhadap lingkungan
b. Dampak terhadap keamanan hayati
c. Dampak terhadap kemanan pangan
8. KEAMANAN PANGAN PRODUK TRANSGENIK
9. KONDISI AKTUAL BIOTEKNOLOGI TANAMAN (KASUS)
BIOTEKNOLOGI
MENEGRISTEK (1985) :
BIOTEKNOLOGI ADALAH PEMANFAATAN SISTEM
UNTUK MENGHASILKAN BARANG DAN JASA
BIOLOGI
DIFINISI LAIN
BIOTEKNOLOGI ADALAH PEMANFAATAN PROSES BIOLOGI
BAIK MELALUI MIKROBIAL SEL TANAMAN MAUPUN HEWAN
UNTUK MENGHASILKAN BARANG DAN JASA
BIOTEKNOLOGI MERUPAKAN APLIKASI ILMU DAN PRINSIP
REKAYASA TERHADAP PROSESING SUATU BAHAN OLEH
AGEN BIOLOGI UNTUK MENGHASILKAN BARANG DAN JASA
BIOTEKNOLOGI ADALAH ILMU TENTANG PROSES BIOLOGI
TERAPAN BERDASARKAN KEGIATAN MIKROORGANISME
DAN KOMPONEN AKTIFNYA DAN PROSES PRODUKSI YANG
MELIBATKAN SEL DAN JARINGAN
APLIKASI BIOTEKNOLOGI
• PENGEMBANGAN PERTANIAN/BIOTEKNOLOGI TANAMAN
•KESEHATAN/BIOTEKNOLOGI
REKAYASA KESEHATAN
APLIKASI
BIOTEKNOLOGI
•INDUSTRI PANGAN
DAN MINUMAN (FERMENTASI
MELIBATKAN
• PENGEMBANGAN
PERTANIAN/BIOTEKNOLOGI
TANAMAN
MIKROORGANISME)
•KESEHATAN/BIOTEKNOLOGI
REKAYASA KESEHATAN
•PRODUKSI
SENYAWA
SPT ETANOL,ASETON,ASAM
•INDUSTRI
PANGAN
DANKIMIA
MINUMAN
(FERMENTASI MELIBATKAN
ORGANIK,ASAM
AMINO,
ASAM
LAKTAT,
ASAM SITRAT,ENZIM
MIKROORGANISME)
•PRODUKSISENYAWA
BIOENERGI
SPTSPT
ALKOHOLDR
LIMBAH GULA, METAN DR
•PRODUKSI
KIMIA
ETANOL,ASETON,ASAM
LIMBAH BHN ORGANIK
ORGANIK,ASAM
AMINO, ASAM LAKTAT, ASAM SITRAT,ENZIM
•PENGOLAHAN
LIMBAHSPT
(BIOREMEDIASI)
•PRODUKSI BIOENERGI
ALKOHOLDR LIMBAH GULA, METAN
DR LIMBAH BHN ORGANIK
•PENGOLAHAN LIMBAH (BIOREMEDIASI)
ILMU PENDUKUNG BIOTEKNOLOGI
GENETIKA
BIOLOGI
SEL
MIKROBIO
LOGI
BIOTEKNO
LOGI
ELEKTRO
NIKA
IMMUNOLO
GI
REK
MEKANIK
REKAYASA
BIOKIMIA
REK TEK
PANGAN
KEDUDUKAN BITEKNOLOGI DALAM BIDANG PERTANIAN
• MERUPAKAN SALAH SATU TEKNIK DALAM PEMULIAAN
TANAMAN UNTUK MEMPEROLEH VARIETAS UNGGU BARU
TUJUAN BIOTEKNOLOGI TANAMAN :
1. MENINGKATKAN KUANTITAS DAN KUALITAS HASIL TANAMAN
BUDIDAYA DENGAN CARA MENDAPATKAN TANAMAN YANG
LEBIH BAIK DARI YANG TELAH ADA UNTUK BERBAGAI
KARAKTER YANG DIINGINKAN
2. MEMPERTAHANKAN DIVERSITAS GENETIK
3. MENCARI TANAMAN ALTERNATIF
DASAR PEMIKIRAN PENGEMBANGAN BIOTEKNOLOGI TANAMAN
1. EKSPRESI GEN DITENTUKAN OLEH DNA NON REPETITIF,
DIMANA SUSUNAN BASA UNTUK SETIAP GEN KHAS
2. TEKNIK REKAYASA TELAH DITEMUKAN DAN HASIL
REKAYASA DAPAT DITRANSFER MELALUI PLASMID/VEKTOR
ATAU TEKNIK LAINNYA
3. DAPAT DILAKUKAN KLONING IN VITRO DENGAN KULTUR
UNTUK MEMPERBANYAK TANAMAN HASIL BIOTEKNOLOGI
• Bt corn – 3.5 billion pound yield
increase and $125 million in additional
income
• Bt cotton – 185 million pound yield
increase and $102 million in additional
income
• Biotech soybeans – $1 billion
in additional income through production
cost savings
RUANG LINGKUP BIOTEKNOLOGI :
1. ASPEK BIOLOGI SEL/KULTUR ATAU BUDIDAYA IN VITRO, MELIPUTI
KULTUR ANTHER, EMBRIO, SEL, JARINGAN
MANFAAT :
* MENYELAMATKAN HASIL PERSILANGAN
* PEMBUAHAN IN VITRO
* PERBANYAKAN IN VITRO
* PRODUKSI METABOLIT SEKUNDER
* KONSERVASI PLASMA NUTFAH, JARINGAN, ORGAN, SUSPENSI SEL
* PEMBEKUAN PLANTLET
BIBIT BERASAL
DR 1 SEL
CALLUS: SEKUMPULAN SEL TANAMAN YG BLM
BERDIFERENSIASI
2. ASPEK BIOLOGI MOLEKULER/DNA REKOMBINAN : MENGISOLASI DNA
DAN MENTRANSFER KE TANAMAN TARGET MALALUI PLASMID SBG
VEKTOR ATAU DG CARA LAIN(PENEMBAKAN DAN INJEKSI)
TRANSFER GEN/TRANSGENIK : PEMINDAHAN GEN DARI SATU INDIVIDU
KE INDIVIDU LAIN ATAU MENGGABUNGKAN BAHAN GENETIK DR SUMBER
YG BERBEDA
TAHAPAN :
ISOLASI DNA
PENGGABUNGAN DNA DG PLASMID
KLONING
TRANSFER KE TANAMAN TARGET
ORGANISME A
EKSTRAK DNA
LOKASI ENZIM RESTRIKSI
POTONG DNA DG ENZIM RESTRIKSI
ELEKTROFORESIS
a
b
c
d
SISIPKAN DNA YG DIINGINKAN KE PLASMID
C
ORGANISME B DG GEN c
PENYISIPAN PLASMID KE
INANG
Traditional plant breeding
DNA is a strand of genes,
much like a strand of
pearls. Traditional plant
breeding combines many
genes at once.
Traditional donor
Commercial variety
New variety
(many genes are transferred)
X
=
(crosses)
Desired Gene
Desired gene
Plant biotechnology
Using plant biotechnology,
a single gene may be
added to the strand.
Desired gene
Commercial variety New variety
(only desired gene is transferred)
=
(transfers)
Desired gene
3. MANIPULASI GENETIK DG HIBRIDISASI SOMAKLONAL/FUSI PROTOPLAS
DR GENOTIP TANAMAN YG KARAKTERNYA INGIN DIGABUNGKAN
TAHAPAN :
ISOLASI PROTOPLAS
FUSI
REGENERASI DINDING SEL
FUSI INTI
PERTUMBUHAN SEL HSL FUSI DLM KULTUR
REGENERASI TUMBUHAN
PERBEDAAN HIBRIDISASI KONVENSIONAL, FUSI PROTOPLAS DAN DNA REKOMBINAN
TEKNIK
JMLH GEN YG TERLIBAT
AKIBAT
APLIKASI
HIBRIDISASI
SEJUMLAH GEN
DIREKOMBINASIKAN
BANYAK KARAKTER
TERPENGARUH
DIAPLIKASI PD
TANAMAN
BERKERABAT DEKAT
FUSI PROTOPLAS
SEMUA GEN TERLIBAT
DLM REKOMBINASI
MUNGKIN TERDAPAT
BBRP KARAKTER
TERPENGARUH TP
SULIT MENDUGA HSL
YG DICAPAI
DPT DIAPLIKASIKAN
PD TANAMAN TAK
BERKERABAT
DNA
REKOMBINAN
SATU ATAU SEDIKIT GEN
DIREKOMBINASIKAN
KARAKTER YG
TERPENGARUH
HANYA YG
DIKENDALIKAN
OLEH GEN YG
DITRANSPER DAN
HSL DPT DIDUGA
DAPAT DILAKUAKN
TRANSFER ANTAR
ORGANISME
Agronomic benefits
• Oranges resistant
to citrus canker
• Disease-resistant
sweet potatoes
• Pest- and diseaseresistant cassava
• Disease-resistant
bananas
Mahluk Hidup (manusia,
hewan dan tumbuhan)
Pertumbuhan
dan
perkembangan
Organ-organ
Organisasi
Jaringan
Tubuh
Mahluk
hidup
Sel
Organel sel
Biomolekul
Senyawa dasar
Produk
Metabolisme
Sel
Bahan
SEL
Organisasi terkecil dalam tubuh
mahluk hidup
?
•Memiliki kelengkapan organel
•Wahana proses metabolisme
•Memiliki sifat otonom dan totipotensi
SEL PROKARIOTIK
SEL EUKARIOTIK
Perbedaan sel prokariotik dan sel eukariotik
Perbedaan
Inti sel
Jumlah
kromosom
Ukuran ribosom
Organel sel
Sel
prokariotik
Tidak ada
membran
Sel eukariotik
Ada membran
1
lebih dari 1
70 S
80 S
Tidak lengkap
Lengkap:
mitokondria,RE,Badan
Golgi,lisosom dsb.
Kelompok mikroorganisme
Bakteri: eubakteri, archaebakteri dan
cyanobakteri
2. Jamur: khamir, kapang dan cendawan
3. Alga : alga bersel satu dan bersel banyak
4. Protozoa :ciliata,flagellata,sporozoa,rhizopoda
5. Ricketsia dan Clamydia
6. Mycoplasma
7. Virus
1.
PERBEDAAN SEL TUMBUHAN DAN
HEWAN
• Mempunyai
• Tidak memiliki
•
•
•
•
dinding sel
Vakuola berukuran
besar permanen
Mempunyai plastida
(kloroplas,
kromoplas, dan
leukoplas)
Tidak mempunyai
sentriol
•
dinding sel
Vakuola berukuran
kecil tak permanen
Tidak mempunyai
plastida
• Mempunyai sentriol
NUKLEUS ( INTI SEL )
Pada eukariotik memiliki membran inti.
Mengandung anak inti (nukleolus) dan kromosom.
Fungsi inti sel adalah :
- Mengendalikan metabolisme sel.
- Menyimpan informasi genetik (gen).
- Mengatur ekspresi gen.
- Tempat terjadinya replikasi dan transkripsi.
ASAM NUKLEAT
•DNA
•RNA
FUNGSI ASAM NUKLEAT
•Ekspresi karakter
•Pewarisan karakter
•Sintesa protein
KROMOSOM
DI DALAM
INTI SEL
Plant Biotechnolog
Plant Biotechnology Techniqu
Protoplast Fusion (Plant tissue cultur
DNA, gen & kromosom
MITOKONDRIA
1.matriks
2. membran luar
3. membran dalam
Fungsinya untuk
respirasi sel
(penghasil energi /
ATP)
Krista berfungsi untuk
memperluas
permukaan respirasi.
MITOKONDRIA
PLASTIDA
Terdiri dari : kloroplas, kromoplas, dan leukoplas.
Kloroplas : mengandung kloropil untuk fotosintesis.
Kromoplas : mengandung pigmen kuning jingga dan
merah (karoten).
Leukoplas : tidak berwarna untuk menyimpan
cadangan makanan.
KLOROPLAS
1.Membran luar
2.Grana/Granum
3.Membran dalam
4.Tilakoid
5.Lamela
SENTRIOL
Hanya dimiliki oleh sel hewan .
Terdapat sepasang seperti selinder.
Berperan dalam proses pembelahan sel hewan yaitu
mengatur pemisahan kromosom selama pembelahan
sel.
BADAN GOLGI
KOMPLEKS
Pada sel tumbuhan
biasanya disebut
diktiosom.
Fungsinya untuk
membentuk kantung
kantung sekresi,
membran plasma, dan
dinding sel.
/ GOLGI
BADAN GOLGI
LISOSOM ( dibentuk oleh badan golgi)
Ukurannya sangat kecil
Dibentuk oleh badan golgi
Bentuk bulat berisi enzim pencernaan
Fungsinya untuk pencernaan intraseluler
PEROKSISOM
Ukurannya seperti lisosom
Dibentuk oleh R E
Berisi enzim katalase yang berfungsi untuk
menguraikan H2O2 .
H2O2
H2O + O2
katalase
VAKUOLA
Merupakan bagian yang mati
Pada sel hewan kurang berperanan
Pada sel tumbuhan berperan penting
Memiliki selaput yang memisahkan dengan
sitoplasma (tonoplasma)
Fungsinya menyimpan zat – zat makanan
(glukosa, asam amino, protein)
Menyimpan produksi ( alkaloid, atsiri )
Memblokir ampas metabolisme (NH3 ,CO2,
dan kristal garam )
Mewarnai dengan kandungan pigmen.
“segala proses reaksi yang terjadi di
dalam makhluk hidup mulai dari
makhluk hidup bersel satu sampai
yang paling kompleks (manusia)
untuk mendapat, mengubah , dan
memakai senyawa kimia di sekitar
untuk mempertahankan
kelangsungan hidup”
FUNGSI METABOLISME
Transformasi bentuk energi (energi tersimpanenergi
kimia siap guna)
Pembentukan biomolekul pembangun sel
Penguraian biomolekul membentuk senyawa
sederhana sebagai prekursor senyawa kompleks lain
Metabolisme
Dalam organisme terjadi banyak reaksi kimia yang
teratur dan terkontrol
Metabolisme dibagi menjadi anabolisme dan
katabolisme
Metabolisme perantara:
Menggabungkan semua reaksi pembentukan dan penyimpanan
dan penggunaan energi untuk pembentukan molekul kecil dan
molekul penyimpan energi
Metabolisme energi:
Bagian metabolisme perantara yang berisi jalur pembentukan
dan penyipanan energi
Jalur pusat:
Jalur utama yang sama untuk hampir semua organisme (oksidasi)
ANABOLISME
Polimer : Protein,
Asam Nukleat,
Polisakarida, Lipid
KATABOLISME
Monomer : Asam amino,
Nukleotida, Monosakarida,
Asam lemak, Gliserol
Metabolit intermediet :
Piruvat, Asetil CoA,
Intermediat suklus TCA
Energ
i
Energ
i
Molekul sederhana
: H2O, CO2, NH3
Perbedaan jalur biosintesis & degradasi
Merupakan kebalikan satu sama lain
Menggunakan intermediet atau reaksi yang sama
Terjadi ditempat berbeda:
Oksidasi asam lemak di mitokondria
Sintesis asam lemak di sitoplasma
Pengendalian: mis level ATP
Metabolisme
Hampir semua organisme menggunakan molekul
organik sebagi sumber energi dan biosintesis
Autotrof
Mampu membuat molekul organik dari anorganik
Heterotrof
“Feeding on others”
Aerobik: organisme tergantung pada respirasi
Anaerob: mampu melakukan metabolisme energi
tanpa adnaya oksigen
Metabolisme Perantara
Peranan Glikolisis Dalam
Menghasilkan Metabolit sekunder
pati
Heksosa posfat
Dinding Sel
Gliserol lemak, minyak fosfolipid
Triosa posfat
Serin sistein protein
Asam Posfoenolpiruvat
Senyawa fenol (tirosin, fenilalanin, antosianin, dll)
Etanol
Asam Piruvat
Asam laktat
Alanin
Asam lemak, kutikula
Isoprenoid (karotenoid, giberelin, terpen)
Senyawa aromatik
Asetil Co A
Siklus Kreb’s
PERTUMBUHAN DAN
PERKEMBANGAN MAHLUK
HIDUP
ENERGI
SEL
BAHAN
•UNSUR
HARA
•SENYAWA
ORGANIK
•AIR
PRODUK
PROSES
METABOLISME
•METABOLIT
PRIMER
•METABOLIT
SEKUNDER
SEL
BAHAN
•UNSUR
HARA
•SENYAWA
ORGANIK
PRODUK
•METABOLIT
PRIMER
PROSES
METABOLISME
•METABOLIT
SEKUNDER
•AIR
PEMANFAATAN
MODIFIKASI
PENGGUNAAN
LANGSUNG
PENINGKATAN
KUANTITAS
PENINGKATAN
KUALITAS
Pemanfaatan Sel dan Aktivitas Metabolisme
Penggunaan langsung (bioteknologi konvensional) :
- Ekstraksi senyawa bahan alam (contoh
alkaloid : opium, nikotin, quinin, minyak
atsiri, dll)
- Pemanfaatan mikroba indigenous untuk
pembuatan kompos, fungi untuk
pembuatan tempe dan tapai
ALKALOID
Nicotin
Nicotiana tobacum
Morfin
Papaver somniflorum
Atropin
Datura metel
Cafein
Cofea sp
Camelin / tein
Camelia sp
Teobromin
Teobroma cacao
Piperin
Piper ningrum
Kinin
Chincona alba
Pemanfaatan Sel dan Aktivitas Metabolisme
Modifikasi
- Manipulasi genetis mikroba untuk
produksi senyawa bahan obat (antibiotik,
insulin, dll)
- Tanaman transgenik
- Formulasi mikroba dekomposer dan
mikroba parasit bagi hama
- Kultur Jaringan
HERBISIDA DAN RESITENSI
TANAMAN TRANSGENIK
TERHADAP HERBISIDA
Gulma (tumbuhan pengganggu) :
Tumbuhan yang kehadirannya tidak diinginkan karena
1. Menghambat pertumbuhan tanaman utama
2. Berkompetensi dengan tanaman utama dalam kebutuhan
air, nutrisi dan cahaya
3. Menjadi inang bagi patogen
Pengendalian Gulma di Pertanian :
1. Pengolahan tanah, cara ini perlu banyak tenaga kerja,
dapat menjadi erosi tanah
2. Mempergunakan penghalang fisik seperti mulsa plastik
hitam
3. Penggunaan cover crops
4. Herbisida : bahan kimia yang dapat menghentikan
pertumbuhan gulma sementara atau seterusnya bila di
pergunakan pada takaran yang tepat
Keuntungan : efektif, mudah, dan murah
Penggunaan Herbisida menimbulkan danpak tak diinginkan :
1. Kerusakan pada tanaman pokok
2. Kerusakan lingkungan
3. Kontaminasi pada air tanah
4. Munculnya gulma resisten terhadap herbisida
Pengaruhi herbisida terhadap berbagai proses biokomiawi penting
pada sel tanaman
- Menghambat berbagai reaksi biosintesa asam amino
- Mempengaruhi fotosintesis
- Menghambat biosintesa lipid
- Memblokir sintesa pigmen karotinoid
- Mempengaruhi pembelahan sel
Hibrida yang baik
1. Efektif membunuh gulma
2. Segara di serap oleh tanaman (gulma)
3. Dapat dibuat dalam skala besar dan ekonomis
4. Tidak beracun pada bukan sasaran seperti aman bagi
petani, tenaga kerja dan organisme lain
Klasifikasi Herbisida
A. Bedasarkan waktu aplikasi :
- Pre emergent : herbisida menghambat proses
perkecambahan atau pertunasan
- Post emergent : herbisida menghambat berbagai proses
metabolisme penting untuk pertumbuhan tanaman
B. Berdasarkan selektivitas :
- Broad spectrum : dapat membunuh semua tumbuhan
- Selective : Hanya membunuh gulma tertentu
C. Berdasarkan Formulasinya
D. Berdasarkan tipe gulma
E. Berdasarkan cara aplikasi
F. Berdasarkan struktur kimiawi
Herbisida yang diharapkan dewasa ini :
- Dapat membunuh gulma secara selektif dan tidak
berpengaruh terhadap tanaman utama
- Alternatif lain : tanaman harus memiliki kemampuan
mencegah kerusakan akibat penggunaan herbisida
(tanaman tahan atau toleran terhadap herbisida)
Herbisida tidak efektif bila :
1. Tidak dapat meresap kedalam jaringan tanaman
2. Tidak dapat di distribusi keseluruh bagian tanaman
3. Herbisida dirombak oleh tanaman menjadi senyawa
tidak aktif
4. Target kerja herbisida seperti enzim dan reaksi
Biokimia tidak dapat di hambat oleh herbisida
- Mekanisme di atas dipergunakan sebagai dasar
pembentukan tanaman resisten terhadap herbisida
-Tanaman resisten terhadap herbisida adalah tanaman
yang mampu tumbuh dan menghasilkan pada
pemakaian herbisida pada dosis efektif.
Tanaman Resisten Herbisida
Produsen Herbisida
Eks : Monsanto,Produsen Roundup
TANAMAN TRANSGENIK RESISTEN THD HERBISIDA
TANAMAN RESISTEN THD ROUNDUP (GLYPHOSAT)
Deskripsi Roundup :
-Hebisida spektrum luas, didistribusikan ke seluruh bagian
tanaman,dapat meresap kedalam jaringan daun dan
terakumulasi dalam jaringan meristem bagian pupus
-Roundup diproduksi secara besar besaran oleh Monsanto
Mekanisme kerja Roundup (Glyphosat) :
Menghambat kerja enzim dalam lintasan Shikimat yg
mensintesa asam amino aromatik dari PEP
Phosphoenol pyrupat (PEP) + Shikmat- 3- Phospat
EPSP Sintase
5- Enolpyruvat-shikimat-3-phosphat (EPSP)
Asam amino
aromatik
Asam amino aromatik : tripthophan,tyrosin dan
phenylalanin (asam amino esensial untuk sintesa
protein,lignin,prekursor beberapa senyawa protektif
-Glyphosat mengakibatkan kerja enzim EPSP sintase
terhambat, sehingga pembentukan protein dan senyawa
penting lainnya terhambat, dan ini dapat menimbulkan
kematian pada tanaman
-Mekanisme Glyphosat sangat efektif Karena :
1. Semua Tanaman dan mikroba memiliki enzim dan
lintasan sintesa asam amino aromatik, sehingga semua
tanaman akan peka terhadap Glyphosat
2. Glyphosat tidak mudah dirombak dalam tanaman
3. Glyphosat tidak mudah bergerak dalam tanah
4. Enzim EPSP tidak ada pada binatang, sementara
binatang perlu asam amino aromatiik dari lintasan
shikimat ini
- Mekanisme tanaman Resisten terhadap Glyphosat :
Tanaman harus dapat memproduksi enzim EPSP dalam skala
besar sehingga tetap dapat memproduksi asam amino
aromatik walaupun ada Glyphosat atau jalur shikimatnya
harus berlangsung
Pengembangan tanaman resisten thd Glyphosat Dimulai th
1976,10 th sebelum dipublikasikan
Berbagai pendekatan yang dilakukan sbb :
1. Menghasilkan mutagen yg mengendalikan sintesa EPSP dg
karakter diinginkan, yaitu memiliki afinitas rendah thd
Glyphosat tetapi tinggi afinitasnya thd PEP
2. Modofikasi enzim EPSP berdimensi 3 yang dapat
berinteraksi dengan Glyophosat dan PEP
3. Mengisolasi mikroorganisme yang mampu menghasilkan
enzim yang diinginkan
- Alternatif yang berhasil adalah menskrining koleksi bakteri
dan menemukan organisme yg diidentifikasi mampu
menghasilkan enzim EPSP sintase yg tidak dipengaruhi
Glyphosat, yaitu bakteri Agrobacterium sp.starin CP 4
-Teknik pembentukan tanaman resisten thd Glyphosat :
1. Isolasi frame DNA sintesa EPSP dari Agrobacterium
sp.strain CP4
2. Trnasper gen kedalam tanaman
3. Sekuen Kode genetik untuk transit peptida di kloroplas
berdasarkan frame DNA
4. Tingkatkan ekspresi gen pengendali dg promoter,CaMV
35 S promoter.
TANAMAN RESISTEN THD SULPHONYLUREAS DAN
IMMIDAZOLINONES
Mekanisme kerja SULPHONYLUREAS dan Immidazolinones :
Menghambet kerja enzim acetohydroxy acid sintase (AHAS), yamg
merupakan enzim utama dalam sintesa bbrp grup asam amino
seperti leucin,isoleucin dan valin
Tanaman resisten dibuat dg cara :
A. Produksi tanaman yang resisten terhadap herbisida dgn cara :
1. Isolasi gene yang mengkode sintesa AHAS yang insentisf thd
herbisida dari tanaman resisten, yaitu Arabidopsis dan Tembakau
2. Modifikasi promoter yang dapat mengekspresikan gen tsb dg baik
3. Transper gen kedalam tanaman sasaran
B. Seleksi dan generasi melalui kultur jaringan, yaitu sbb :
1. dalam kultur jaringan, seleksi sel yang resisten terhadap herbisida
imidazolinones
2. Kembangkan sel yang resisten menjadi tanaman
3. Tanaman hasil regenerasi evaluasi resistensinya
terhadap herbisida
4. Transper karakter resistensi terhadap herbisida pada
galur elit hasil pemuliaan tanaman dan memiliki karakter
yang baik
- Pendekatan yang sama dilakukan untuk menghasilkan
tanaman yang resisten terhadap herbisida sethoxydim
- Sethoxydim Co A carboxylase yang berperan dalam
sintesa asam lemak
TANAMAN RESISTEN TERHADAP GLUFOSINATE
(LIBERTY, IGNITE, BASTA)
- Merupakan herbisida spektrum luas
- Cara kerja : menghambat sintesa glutamin (salah satu
asam amino,amonia), sehingga amonia terakumulasi
dan meracuni tanaman
- Glufosinat dibuat dari antibiotik yang dihasilkan oleh
jamur streptomycete
- Organisme memiliki kemampuan menghasilkan
senyawa g bekerja melindungi dirinya dari efek racun,
streptomycete mampu menghasilkan enzim yang
menginaktifkan antibiotik, metabolisme ini digunakan
untuk menciptakan tanaman resisten terhadap
Glufosinat.
Teknik pembuatanya :
1. Kloning gen yang mengkode enzim detoxifying
2. Transper gen pengendalian pada tanaman
3. Kembangkan tanaman yang telah ditransper gen
melalui methode pemuliaan
4. Evaluasi varietas yang di hasilkan resistensinya
terhadap glufosinate.
RESISTENSI TANAMAN TERHADAP BROMOXYNIL (BUCTRIL)
Deskripsi :
1. Merupakan herbisida kontak yang menghambat fotosintesis pada
fotosistem II pada tanaman monokotil (berdaun lebar)
2. Herbisida selektif, efektif terhadap gulma dau lebar
3. Digunakan untuk pertanaman gandum, barley, oats, dan beberapa
monokotil
- Di alam terindentifikasi bakteri strain klebsiella azaenae yang resisten
terhadap herbisida bromoxynil
- Mikroba ini mampu memproduksi enzim yang dapat merubah
Bromoxynil, dan ini dimanfaatkan sebagai strategi membuat tanaman
resisten terhadap Bromoxynil, yaitu sbb :
1. Kloning gen yang mengendalikan sintesa enzim detoxyfyin
2. Masukkan promoter untuk produksi gen dalam tanaman
3. Tanaman yang telah di transper gen di jadikan varietas
4. Evaluasi toleransi varietas terhadap Bromoxynil
Strategi yang sama di gunakan untuk mengindentifikasi gen yang
mampu merombak 2,4 D dari bakteri Alacligenes eutrophus.
Perkembangan tanaman Transgenik Resisten Terhadap Herbisida
Penemuan baru tanaman resisten terhadap herbisida terus berkembang
sebagai berikut :
Herbisida dan tanaman yang dibuat dan diseleksi untuk menghasilkan tanaman
resisten
Herbisida
Bromoxyynil
Glyphosat
Nama Dagang
Buctril
Roundup
Glufosinat
Liberty,Ignite,Basta
Sulfonilureas
Imidazolinones
2,4 D
Sethoxydim
Triazines
Tanaman toleran Thdherbisida
Kapas, Kentang, Tembakau
Tebu, Jagung, Kapas, Kedelai,
Tembakau, Tomat, Gandum,
lettuce
Alfalfa,Tebu,Jagung,Barley,Melon,
Kacang,padi,kedelai,tomat,
gandum,canola
Jagung,kapas,tembakau,tomat,
kedelai,tebu, flax
Jagung, canola,Gandum
Kentang , Kapas
Jagung
Canola
KONTROVERSI TANAMAN RESISTEN TERHADAP HERBISIDA
Beberapa komenter tentang tanaman resisten herbisida (HTCs)
1. HTCs meningkatkan luasan areal pertanaman yang mempergunakan
herbisida
2. HTCs meningkatkan penggunaan herbisida per satuan luas
3. HTCs memunculkan gulma baru yang tumbuh pada tempat dan waktu
yang salah
4. Menempatkan penggunaan herbisida sebagai pilihan dalam pengendalian
gulma di banding teknik lain
5. Penggunaan herbisida secara partikular
6. Munculnya dampak tak diinginkan pada lingkungan
7. Menurunnya tingkat keragaman hayati
8. Terjadi perpindahan gen resistensi dari HTCs ke tanaman air
9. Peningkatan residu pestisida dalam makanan
10. Munculnya gulma resisten terhadap suatu herbisida
TANAMAN TRANSGENIK RESISTEN
TERHADAP SERANGGA
Serangga dapa menimbulkan kerusakan pada tanaman pada berbagai
stadia yaitu di pembibitan,fase vegetatif dan fase reproduktif,dan
menyerang pada seluruhbagian tanaman dibawah dan diatas
permukaan tanah
1.
2.
3.
4.
-
Metode Pengendalian Serangga Hama
Kultur teknis : Mengatur pola tanam,waktu tanam,rotasi tanaman
Pengelolaan hama terpadu : memadukan berbagai teknik
pengendalian dg memperhatikan populasi serangga, keamanan
lingkungan dan ekonomis
Tanaman resisten melalui pemuliaan konvensional
Kimiawi (pestisida),dampak tak diinginkan spt :
Dampak negatif thd lingkungan
Rendahnya kualitas produk pertanian akibat akumulasi pestisida
Munculnya serangga hama resisten
Matinya serangga bukan sasaran (serangga berguna)
Tanaman transgenik resisten terhadap serangga hama merupakan
hasil rekayasa genetik (teknologo DNA recombinant),telah ditanam
di berbagai negara (james,2002)
Keunggulan :
1. Memperluas pengadaan sumber gen resistensi, dapat diperoleh dari tanaman
lain spesies bahkan famili,dari bakteri,jamur dan mikroorganisme lain.
2. Dapat memindahkan gen spesifik ke tempat spesifik
3. Gen yang dipindahkan dapat diamati stabilitasnya dalam setiap generasi
4. Mungkin untuk mengintroduksi beberapa gen tertentu dalam satu kesempatan
transformasi,shg menghemat waktu dg resistensi ganda
Gen resistensi thd serangga hama
1. Gen Bt,hasil isolasi dari bakteri tanah Bacillus thuringiensis yang memproduksi
protein kristal yg bekerja seperti insetisida (Cry )
- Saat ini telah diisolasi 8 kelompok Cry dari Bt yg dikelompokan berdasarkan
Virulensinya yg spesifik thd kelompok serangga sasaran.
- Cryl,CryIX,CryX mematikan Lepidoptera
- CryV untuk lepidoptera dan coleoptera
- CryII untuk lepidoptera dan diptera
- CryIII untuk coleoptera
- CryIV untuk diptera
- CryVI untuk nematoda
-Cara kerja : racun Bt menempel pada epitel glycoprotein dalam usus serangga,
terutama bagian tengah,dan menyebabkan kebocoran usus shg serangga mati
2.Gen kelompok inhibitor : gen yang bekerja menghambat enzim pencernaan
pada serangga
- gen proteinase inhibitor,dari kentang diintroduksi ke tembakau tahan
serangan Manduca sexta
- Gen Cowpea trypsin inhibitor, tembakau tahan serangan Helicoverpa zea
- Gen alpha amylase inhibitor dari Common bean ditransper pada Azuki bean
dan Peanut shg tahan thd hama kumbang Bruchus
- Gen Galanthus nivalis aglutinin (GNA) ditransfer pada padi menurunkan 50
% populasi wereng coklat
Prosedur Perakitan Tanaman Transgenik Resisten thd Serangga Hama
1. Isolasi gen atau DNA target dari bakteri, organisme lain atau tanaman yang
mengendalikan karakter yang diinginkan
2. Ligasi DNA target ke dalam Vektor sehingga terbentuk DNA rekombinan
3. Transformasi vektor (DNA rekombinan) pada bakteri tertentu untuk
perbanyakan copy DNA rekombinan
4. Penyisipan vektor dan DNA target ke tanaman yang akan diperbaiki
ketahanannya
5. Seleksi
6. Regenerasi dan pembentukan plantlet dalam kultur
7. Aklimatisasi
8. Uji ketahanan
9. Perbanyakan
Teknik transfer gen ke tanaman target (menentukan keberhasilan transgenik) ada
3, Yaitu :
1. Transfer melalui media vektor agrobacterium tumefaciens : dapat
menstransfer gen ke genom tanaman melalui eksplan berupa potongan daun
atau bagian lainnya yg potensi regenerasinya tinggi.
- Efektif pada tanaman dikotil
- Memiliki plasmid T yg mengandung T-DNA yg dipindahkan ke inti sel dan
berintegrasi dg genom tanaman
2. Penembakan partikel (gene gun/ particle)
bombardemnt,yaitu menebakan partikel DNA coated ke sel atau jaringan
tanaman target
- Efektif untuk tanaman monokotil
3. Mikroinjection dg serat karbid silikon
-Suspensi sel tanaman yang akan di transfer dicampur dg karbid silikon, DNA
plasmid dr gen yang di inginkan dicampur kemudian diputar.
-Serat karbid silikon berfungsi sebagai jarum injeksi untuk memasukan DNA ke
tanaman target
4. Elektroporasi
- Kimiawi dg polyetylene glycol (PEG),yg dapat mempermudah presipitasi DNA
pada protoplas sel tanaman
-Fisik dg listrik voltase tinggi, meningkatkan permeabilitas dinding sel sehingga
mudah ditembus DNA
Keuntungan penggunaan tanaman resisten thd hama
1. Mengurangi penggunaan pestisida kimia
2. Membatasi dampak penggunaan pestisida
3. Penggunaannya tidak dipengaruhi oleh kim
4. Pengendalian pada pertanaman terjadi selama musim tanam
5. Dapat mengendalikan serangga pada stadia yang tepat
6. Hanya serangga yang memakan tanaman yang terpengaruh,yang lain tidak
terpengaruh
7. Bahan aktif merupakan protein yang mudah terdegradasi shg kecil
kemungkinan mengkontaminasi air tanah dan lingkungan, dan aman bagi jasad
bukan sasaran
8. Mudah penggunaannya shg bisa diadopsi dan dilakukan konsumen
9. Tidak menimbulkan keracunan bagi manusia dan tidak terakumulasi pada
makanan.
Kekurangan :
1. Perlu SDM yang tangguh dan ahli,sulit,biaya mahal,dan perlu peralatan
laboraturium modern
2. Ada keterbatasan karakter yang dapat diperbaiki , hanya untuk karakter simple
genik
3. Masalah HAKI
Hal yang perlu diwaspadai :
1. Adanya dampak bagi kesehatan dan lingkungan
2. Perubahan keragaman hayati di alam
3. Perubahan pada serangga yg menuntut ditemukannya secara terus menerus
tanaman resisten yg baru
Literatur :
Biotechnology in Agriculture. 2005. http : //www.hort.
Purdue/hort/courses/HORT250/Lecture%2005.
Biotechnology in Agriculture.2005. file://C:/PLANT %
20ALKALOID/Lecture 2015%20HORT%20250.htm.
Moenandir, J 1990.Fisiologi Herbisida. Rajawali Pers. Jakarta
Sardjoko .1991. Bioteknologi : Latar Belakang dan Beberapa Penerapannya PT
Gramedia Pustaka Utama JAkarta
Herman , M.2002. Perakitan Tanaman Tahan Serangga Hama melalui Teknik
Rekayasa Genetik. Buletin Agrobio. Balai Penelitian Bioteknologi dan
Sumberdaya genetik Pertanian. Bogor
Amirhusin, B. 2004. Perakitan Tanaman Transgenik Tahan Hama. Balai Penelitian
Bioteknologi dan Sumberdaya genetik Pertanian. Bogor
TANAMAN TRANSGENIK TOLERAN
TERHADAP
CEKAMAN LINGKUNGAN
TANAMAN TIDAK DAPAT MENGHINDAR ATAU BERPINDAH DARI SUATU LINGKUNGAN YANG TIDAK
MENGUNTUNGKAN DAN MEMPENGARUHI PERTUMBUHANNYA
BEBERAPA TIPE CEKAMAN LINGKUNGAN :
1. TEMPERATUR : TINGGI , RENDAH
2. AIR : GENANGAN, KEKERINGAN, SALIN
3. NUTRISI : DEFISIENSI, KERACUNAN
4. CAHAYA : KELEBIHAN, KEKURANGAN
TANGGAP TANAMAN TERHADAP KONDISI LINGKUNGAN TAK MENGUNTUNGKAN :
• MATI
• MENGHINDAR : MEMPERCEPAT DAUR HIDUPNYA (MEMPERCEPAT INISIASI PEMBUNGAAN DAN
PEMBENTUKAN BIJI )
• ADAPTASI : TETAP HIDUP DAN BERKEMBANG DI BAWAH KONDISI TIDAK OPTIMUM
MEKANISME ADAPTASI TANAMAN TERHADAP PERUBAHAN LINGKUNGAN MERUPAKAN CARA
TANAMAN UNTUK MEMPERTAHANKAN DIRI
1. SINTESA PROTEIN SEBAGAI SARANA PERLINDUNGAN
2. AKTIVASI LINTASAN METABOLIT UNTUK SINTESA SENYAWA PROTEKTIF
BEBERAPA CONTOH ADALAH SBB :
1. MANIPULASI SINTESA LARUTAN YANG KOMPATIBLE UNTUK MELINDUNGI TANAMAN DARI
SALINITAS TINGGI DAN CEKAMAN KEKERINGAN
2. MENINGKATKAN RESPONS TANAMAN TERHADAP DINGIN UNTUK MELINDUNGI TANAMAN
DARI CEKAMAN FROST
3. PRODUKSI CITRAT UNTUK MENGKELAT ALUMUNIUM DAN MELINDUNGI TANAMAN DARI
KERACUNAN ALUMUNIUM
4. MENGAKTIFKAN MEKANISME ENZIMATIS UNTUK MELINDUNGI TANAMAN SECARA UMUM
DARI KERUSAKAN AKIBAT SENYAWA OKSIDATIF
BEBERAPA KAJIAN TANAMAN TOLERAN TERHADAP CEKAMAN LINGKUNGAN
1. CEKAMAN KEKERINGAN DAN CEKAMAN OSMOTIK/SALINITAS TINGGI
• KEKERINGAN DAN SALINITAS TINGGI BESAR SEKALI PENGARUHNYA TERHADAP HASIL
TANAMAN
• KEDUA CEKAMAN KONDISINYA BERBEDA TAPI PENGARUHNYA TERHADAP FISIOLOGI
TANAMAN SAMA, YAITU ADANYA HAMBATAN MASUKNYA AIR KE DALAM SEL TANAMAN,
BAHKAN PADA KASUS SALINITAS TINGGI CAIRAN SEL KELUAR KARENA LARUTAN DI LUAR SEL
KONSENTRASINYA LEBUH TINGGI
• RESPONS ADAPTASI TANAMAN : MENSINTESA LARUTAN YANG DAPAT MENINGKATKAN
KONSENTRASI LARUTAN SEL TANAMAN (COMPATIBLE SOLUTE) SEHINGGA AIR DAPAT MASUK
KE DALAM SEL, DG KARAKTERISTIK SENYAWA TERSEBUT TDK BERACUN DAN TDK
MEMPENGARUHI PROSES METABOLISME SEL
CONTOH : MANNITOL (GULA ALKOHOL0, GLYCINEBETAINE (gb), ASAM AMINO PROLINE
• STRATEGI PEMBENTUKAN TANAMAN TRANSGENIK : MEMBUAT TANAMAN YANG MAMPU
MEMPRODUKSI LARUTAN OSMOTIK ATAU MENINGKATKAN KAPASITAS AKUMULASI LARUTAN
OSMOTIK DARI KONDISI NORMAL.
BBRP BAKTERI MEMILIKI SUMBER GEN UNTUK PENGENDALI NYA
A. PENINGKATAN PRODUKSI MANNITOL :
CONTOH :
GEN BAKTERI (mtlD) DARI BAKTERI E. Colli DAPAT MENGKATALISIS FRUCTOSE-6PHOSPHATE JADI MANNITOL-6-PHOSPHATE. TANAMAN MENGANDUNG FRUCTOSE-6PHOSPHATE DAN MEMILIKI ENZIM PHOSPHATASE TYG DAPAT MERUBAH MANNITOL-6PHOSPHATE JADI MANNITOL.
GEN mtlD DAPAT MEMBUAT TANAMAN MEMILIKI KEMAMPUAN MEMPRODUKSI MANNITOL.
FRUCTOSE-6-PHOSPHATE
MANNITOL-6-PHOSPHATE
MANNITOL
DEKALB (PRODUSEN BENIH) :
MENGHASILKAN BENIH JAGUNG TRANSGENIK YANG MAMPU MEMPRODUKSI MANNITOL DAN
MERUPAKAN TANAMAN TOLERAN TERHADAP KEKERINGAN
B. SINTESA GLYCINEBETAINE (GB)
• GB MERUPAKAN LARUTAN OSMOTIK KOMPATIBLE YANG MEMPENGARUHI TEKANAN OSMOTIK
SEL TANAMAN
• BEBERAPA SPECIES TANAMAN MAMPU MENGAKUMULASI GB DAN GB DISINTESA TANAMAN
MELALUI 2 TAHAP DENGAN KATALISATOR ENZIM YG BERBEDA :
• CHOLINE
BETAINE ALDEHYDE
GLYCINEBETAINE (GB)
• MEMBUAT TANAMAN TRANSGENIK DENGAN MENGGABUNGKAN DUA GEN PENGENDALI
UNTUK KEDUA ENZIM TERSEBUT BELUM BERHASIL
•BACTERIUM TANAH DIIDENTIFIKASI MEMILIKI GEN YANG MENGENDALIKAN GEN
PENGENDALI SINTESA ENZIM CHOLINE OKSIDASE YG MERUPAKAN ENZIM TUNGGAL
YG
MERUBAH CHOLINE JADI GB
• GEN INI DAPAT DIISOLASI DAN DIBUAT JADI DNA RECOMBINANT YG DAPAT
MENGEKSPRESIKAN PEMBENTUKAN CHOLINE OKSIDASE PADA TANAMAN, TERUTAMA
DALAM KLOROPLAS
• DNA REKOMBINANT DITRANSPER KE TANAMAN INANG (ARABIDOPSIS) DAN MENUNJUKKAN
ADANYA AKUMULASI BG DAN HASIL PENGUJIAN TANAMAN TERSEBUT TOLERAN TERHADAP
SALINITAS TINGGI, TEMPERATUR RENDAH DAN KEKERINGAN
2. TOLERANSI TERHADAP SUHU DINGIN
MEKANISME TOLERANSI :
• SINTESA SEJUMLAH PROTEIN YG TDK DIPRODUKSI DALAM KEADAAN NORMAL, TETAPI
BELUM DIKETAHUI BAGAIMANA FUNGSINYA , HANYA DIKETAHUI DAPAT MEMBANTU
TANAMAN SURVIVE PADA TEMPERATUR RENDAH
• GEN YANG MENGINDUKSI PROTEIN PADA KONDISI DINGIN DAPAT DIKLONING
• PENDEKATAN : IDENTIFIKASI AKTIVATOR SEMUA GEN YG TEREKSPRESI PADA KONDISI
DINGIN, AKTIVATOR INI ADALAH PROTEIN YG MENTRANSKRIPSI COLD-INDUCE GENES
• GEN PENGENDALI PROTEIN AKTIVATOR TLH DAPAT DIKLONING, DITRANSPER PADA
TANAMAN INANG
• TANAMAN TRANSGENIK DG AKTIVATOR MODIFIKASI DAPAT MENGEKSPRESIKAN GEN BAIK
DALAM KONDISI NORMAL MAUPUN TEMPERATUR RENDAH
• TANAMANB TRANSGENIK YG DIHASILKAN MAMPU BERTAHAN PADA KONDISI NORMAL
SAMPAI PADA TEMPERATUR DIBAWAH 5oC
3. KERACUNAN ALUMUNIUM
• ALUMUNIUM MERUPAKAN ION LOGAM YG BERADA DI DAERAH PERAKARAN,
DALAM KADAR TINGGI MENGAKIBATKAN KERACUNAN PADA TANAMAN TERUTAMA
PADA TANAH MASAM, KARENA Al LARUT DALAN TANAH DAN DISERAP OLEH
TANAMAN SEHINGGA MENIMBULKAN KERACUNAN TERUTAMA PADA UJUNG AKAR
• BEBERAPA TANAMAN ADA YANG TOLERAN TERHADAP AL DAN DAPAT TUMBUH
PADA TANAH MASAM
• MEKANISME TANAMAN TOLERAN TERHADAP Al :
1) KEMAMPUAN UJUNG AKAR MENCEGAH SERAPAN Al SEHINGGA AKAR DAPAT
BERFUNGSI SECARA NORMAL
2) MENGURANGI Al UPTAKE DENGAN MENSEKRESI ASAM ORGANIK (MALAT DAN
SITRAT) KE TANAH DI SEKITAR PERAKARAN DAN DAPAT MENGKELAT Al
SEHINGGA tidak diserap oleh tanaman
3) Informasi ini dimanfaatkan untuk membuat tanaman transgenik toleran aL dg
pendekatan mempergunakan gen bakteri yg mengendalikan sintesa enzim yg
berperan dalam sintesa sitrat pada perakaran tanaman
Prof. Dr. Ai Komariah, Ir. MS.
Dr. Hj. Lia amalia, Ir., MP.
SILABUS MK BIOTEK TANAMAN
1. PENGERTIAN BIOTEKNOLOGI
a. Definisi Bioteknologi
b. Ruang lingkup bioteknologi
c. Aplikasi bioteknologi
2. LANDASAN BIOTEKNOLOGI
a. Sel sebagai wahana aktivitas bioteknologi
b. Metabolisme sel dan pemanfaatannya dalam bioteknologi
c. Enzim dan peranannya dalam bioteknologi
d. DNA peranannya dalam aktivitas sel dan pemanfaatannya dalam bioteknologi
e. Teknik invitro sebagai prosedur pokok dalam bioteknologi
3. PEMANFAATAN BIOTEKNOLOGI I (Teknik kultur jaringan)
- Perbanyakan tanaman
- Pelestraian Plasma nutfah
4. PEMANFAATAN BIOTEKNOLOGI II (DNA rekombinan)
- DNA sebagai material utama
- Susunan DNA dan kloning gen
- Struktur Gen dan ekspresi gen
- Regulasi ekspresi gen
5. PEMANFAATAN BIOTEKNOLOGI 3 (Pemuliaan Tanaman)
a. Produksi dari transgenik mikroorganisme
b. Penggunaan mikroorganisme untuk memperoleh protein specifik
c. Produksi tanaman transgenik
d. Memperbaiki daya tahan tanaman dalam keadaan stres
6. TANAMAN TRANSGENIK DAN RESISTENSI
a. Tanaman resisten terhadap herbisida
b. Tanaman transgenik resisten terhadap insekta
c. Tanaman transgenik resisten terhadap patogen virus dan fungi
7. DAMPAK BIOTEKNOLOGI TANAMAN
a. Dampak terhadap lingkungan
b. Dampak terhadap keamanan hayati
c. Dampak terhadap kemanan pangan
8. KEAMANAN PANGAN PRODUK TRANSGENIK
9. KONDISI AKTUAL BIOTEKNOLOGI TANAMAN (KASUS)
BIOTEKNOLOGI
MENEGRISTEK (1985) :
BIOTEKNOLOGI ADALAH PEMANFAATAN SISTEM
UNTUK MENGHASILKAN BARANG DAN JASA
BIOLOGI
DIFINISI LAIN
BIOTEKNOLOGI ADALAH PEMANFAATAN PROSES BIOLOGI
BAIK MELALUI MIKROBIAL SEL TANAMAN MAUPUN HEWAN
UNTUK MENGHASILKAN BARANG DAN JASA
BIOTEKNOLOGI MERUPAKAN APLIKASI ILMU DAN PRINSIP
REKAYASA TERHADAP PROSESING SUATU BAHAN OLEH
AGEN BIOLOGI UNTUK MENGHASILKAN BARANG DAN JASA
BIOTEKNOLOGI ADALAH ILMU TENTANG PROSES BIOLOGI
TERAPAN BERDASARKAN KEGIATAN MIKROORGANISME
DAN KOMPONEN AKTIFNYA DAN PROSES PRODUKSI YANG
MELIBATKAN SEL DAN JARINGAN
APLIKASI BIOTEKNOLOGI
• PENGEMBANGAN PERTANIAN/BIOTEKNOLOGI TANAMAN
•KESEHATAN/BIOTEKNOLOGI
REKAYASA KESEHATAN
APLIKASI
BIOTEKNOLOGI
•INDUSTRI PANGAN
DAN MINUMAN (FERMENTASI
MELIBATKAN
• PENGEMBANGAN
PERTANIAN/BIOTEKNOLOGI
TANAMAN
MIKROORGANISME)
•KESEHATAN/BIOTEKNOLOGI
REKAYASA KESEHATAN
•PRODUKSI
SENYAWA
SPT ETANOL,ASETON,ASAM
•INDUSTRI
PANGAN
DANKIMIA
MINUMAN
(FERMENTASI MELIBATKAN
ORGANIK,ASAM
AMINO,
ASAM
LAKTAT,
ASAM SITRAT,ENZIM
MIKROORGANISME)
•PRODUKSISENYAWA
BIOENERGI
SPTSPT
ALKOHOLDR
LIMBAH GULA, METAN DR
•PRODUKSI
KIMIA
ETANOL,ASETON,ASAM
LIMBAH BHN ORGANIK
ORGANIK,ASAM
AMINO, ASAM LAKTAT, ASAM SITRAT,ENZIM
•PENGOLAHAN
LIMBAHSPT
(BIOREMEDIASI)
•PRODUKSI BIOENERGI
ALKOHOLDR LIMBAH GULA, METAN
DR LIMBAH BHN ORGANIK
•PENGOLAHAN LIMBAH (BIOREMEDIASI)
ILMU PENDUKUNG BIOTEKNOLOGI
GENETIKA
BIOLOGI
SEL
MIKROBIO
LOGI
BIOTEKNO
LOGI
ELEKTRO
NIKA
IMMUNOLO
GI
REK
MEKANIK
REKAYASA
BIOKIMIA
REK TEK
PANGAN
KEDUDUKAN BITEKNOLOGI DALAM BIDANG PERTANIAN
• MERUPAKAN SALAH SATU TEKNIK DALAM PEMULIAAN
TANAMAN UNTUK MEMPEROLEH VARIETAS UNGGU BARU
TUJUAN BIOTEKNOLOGI TANAMAN :
1. MENINGKATKAN KUANTITAS DAN KUALITAS HASIL TANAMAN
BUDIDAYA DENGAN CARA MENDAPATKAN TANAMAN YANG
LEBIH BAIK DARI YANG TELAH ADA UNTUK BERBAGAI
KARAKTER YANG DIINGINKAN
2. MEMPERTAHANKAN DIVERSITAS GENETIK
3. MENCARI TANAMAN ALTERNATIF
DASAR PEMIKIRAN PENGEMBANGAN BIOTEKNOLOGI TANAMAN
1. EKSPRESI GEN DITENTUKAN OLEH DNA NON REPETITIF,
DIMANA SUSUNAN BASA UNTUK SETIAP GEN KHAS
2. TEKNIK REKAYASA TELAH DITEMUKAN DAN HASIL
REKAYASA DAPAT DITRANSFER MELALUI PLASMID/VEKTOR
ATAU TEKNIK LAINNYA
3. DAPAT DILAKUKAN KLONING IN VITRO DENGAN KULTUR
UNTUK MEMPERBANYAK TANAMAN HASIL BIOTEKNOLOGI
• Bt corn – 3.5 billion pound yield
increase and $125 million in additional
income
• Bt cotton – 185 million pound yield
increase and $102 million in additional
income
• Biotech soybeans – $1 billion
in additional income through production
cost savings
RUANG LINGKUP BIOTEKNOLOGI :
1. ASPEK BIOLOGI SEL/KULTUR ATAU BUDIDAYA IN VITRO, MELIPUTI
KULTUR ANTHER, EMBRIO, SEL, JARINGAN
MANFAAT :
* MENYELAMATKAN HASIL PERSILANGAN
* PEMBUAHAN IN VITRO
* PERBANYAKAN IN VITRO
* PRODUKSI METABOLIT SEKUNDER
* KONSERVASI PLASMA NUTFAH, JARINGAN, ORGAN, SUSPENSI SEL
* PEMBEKUAN PLANTLET
BIBIT BERASAL
DR 1 SEL
CALLUS: SEKUMPULAN SEL TANAMAN YG BLM
BERDIFERENSIASI
2. ASPEK BIOLOGI MOLEKULER/DNA REKOMBINAN : MENGISOLASI DNA
DAN MENTRANSFER KE TANAMAN TARGET MALALUI PLASMID SBG
VEKTOR ATAU DG CARA LAIN(PENEMBAKAN DAN INJEKSI)
TRANSFER GEN/TRANSGENIK : PEMINDAHAN GEN DARI SATU INDIVIDU
KE INDIVIDU LAIN ATAU MENGGABUNGKAN BAHAN GENETIK DR SUMBER
YG BERBEDA
TAHAPAN :
ISOLASI DNA
PENGGABUNGAN DNA DG PLASMID
KLONING
TRANSFER KE TANAMAN TARGET
ORGANISME A
EKSTRAK DNA
LOKASI ENZIM RESTRIKSI
POTONG DNA DG ENZIM RESTRIKSI
ELEKTROFORESIS
a
b
c
d
SISIPKAN DNA YG DIINGINKAN KE PLASMID
C
ORGANISME B DG GEN c
PENYISIPAN PLASMID KE
INANG
Traditional plant breeding
DNA is a strand of genes,
much like a strand of
pearls. Traditional plant
breeding combines many
genes at once.
Traditional donor
Commercial variety
New variety
(many genes are transferred)
X
=
(crosses)
Desired Gene
Desired gene
Plant biotechnology
Using plant biotechnology,
a single gene may be
added to the strand.
Desired gene
Commercial variety New variety
(only desired gene is transferred)
=
(transfers)
Desired gene
3. MANIPULASI GENETIK DG HIBRIDISASI SOMAKLONAL/FUSI PROTOPLAS
DR GENOTIP TANAMAN YG KARAKTERNYA INGIN DIGABUNGKAN
TAHAPAN :
ISOLASI PROTOPLAS
FUSI
REGENERASI DINDING SEL
FUSI INTI
PERTUMBUHAN SEL HSL FUSI DLM KULTUR
REGENERASI TUMBUHAN
PERBEDAAN HIBRIDISASI KONVENSIONAL, FUSI PROTOPLAS DAN DNA REKOMBINAN
TEKNIK
JMLH GEN YG TERLIBAT
AKIBAT
APLIKASI
HIBRIDISASI
SEJUMLAH GEN
DIREKOMBINASIKAN
BANYAK KARAKTER
TERPENGARUH
DIAPLIKASI PD
TANAMAN
BERKERABAT DEKAT
FUSI PROTOPLAS
SEMUA GEN TERLIBAT
DLM REKOMBINASI
MUNGKIN TERDAPAT
BBRP KARAKTER
TERPENGARUH TP
SULIT MENDUGA HSL
YG DICAPAI
DPT DIAPLIKASIKAN
PD TANAMAN TAK
BERKERABAT
DNA
REKOMBINAN
SATU ATAU SEDIKIT GEN
DIREKOMBINASIKAN
KARAKTER YG
TERPENGARUH
HANYA YG
DIKENDALIKAN
OLEH GEN YG
DITRANSPER DAN
HSL DPT DIDUGA
DAPAT DILAKUAKN
TRANSFER ANTAR
ORGANISME
Agronomic benefits
• Oranges resistant
to citrus canker
• Disease-resistant
sweet potatoes
• Pest- and diseaseresistant cassava
• Disease-resistant
bananas
Mahluk Hidup (manusia,
hewan dan tumbuhan)
Pertumbuhan
dan
perkembangan
Organ-organ
Organisasi
Jaringan
Tubuh
Mahluk
hidup
Sel
Organel sel
Biomolekul
Senyawa dasar
Produk
Metabolisme
Sel
Bahan
SEL
Organisasi terkecil dalam tubuh
mahluk hidup
?
•Memiliki kelengkapan organel
•Wahana proses metabolisme
•Memiliki sifat otonom dan totipotensi
SEL PROKARIOTIK
SEL EUKARIOTIK
Perbedaan sel prokariotik dan sel eukariotik
Perbedaan
Inti sel
Jumlah
kromosom
Ukuran ribosom
Organel sel
Sel
prokariotik
Tidak ada
membran
Sel eukariotik
Ada membran
1
lebih dari 1
70 S
80 S
Tidak lengkap
Lengkap:
mitokondria,RE,Badan
Golgi,lisosom dsb.
Kelompok mikroorganisme
Bakteri: eubakteri, archaebakteri dan
cyanobakteri
2. Jamur: khamir, kapang dan cendawan
3. Alga : alga bersel satu dan bersel banyak
4. Protozoa :ciliata,flagellata,sporozoa,rhizopoda
5. Ricketsia dan Clamydia
6. Mycoplasma
7. Virus
1.
PERBEDAAN SEL TUMBUHAN DAN
HEWAN
• Mempunyai
• Tidak memiliki
•
•
•
•
dinding sel
Vakuola berukuran
besar permanen
Mempunyai plastida
(kloroplas,
kromoplas, dan
leukoplas)
Tidak mempunyai
sentriol
•
dinding sel
Vakuola berukuran
kecil tak permanen
Tidak mempunyai
plastida
• Mempunyai sentriol
NUKLEUS ( INTI SEL )
Pada eukariotik memiliki membran inti.
Mengandung anak inti (nukleolus) dan kromosom.
Fungsi inti sel adalah :
- Mengendalikan metabolisme sel.
- Menyimpan informasi genetik (gen).
- Mengatur ekspresi gen.
- Tempat terjadinya replikasi dan transkripsi.
ASAM NUKLEAT
•DNA
•RNA
FUNGSI ASAM NUKLEAT
•Ekspresi karakter
•Pewarisan karakter
•Sintesa protein
KROMOSOM
DI DALAM
INTI SEL
Plant Biotechnolog
Plant Biotechnology Techniqu
Protoplast Fusion (Plant tissue cultur
DNA, gen & kromosom
MITOKONDRIA
1.matriks
2. membran luar
3. membran dalam
Fungsinya untuk
respirasi sel
(penghasil energi /
ATP)
Krista berfungsi untuk
memperluas
permukaan respirasi.
MITOKONDRIA
PLASTIDA
Terdiri dari : kloroplas, kromoplas, dan leukoplas.
Kloroplas : mengandung kloropil untuk fotosintesis.
Kromoplas : mengandung pigmen kuning jingga dan
merah (karoten).
Leukoplas : tidak berwarna untuk menyimpan
cadangan makanan.
KLOROPLAS
1.Membran luar
2.Grana/Granum
3.Membran dalam
4.Tilakoid
5.Lamela
SENTRIOL
Hanya dimiliki oleh sel hewan .
Terdapat sepasang seperti selinder.
Berperan dalam proses pembelahan sel hewan yaitu
mengatur pemisahan kromosom selama pembelahan
sel.
BADAN GOLGI
KOMPLEKS
Pada sel tumbuhan
biasanya disebut
diktiosom.
Fungsinya untuk
membentuk kantung
kantung sekresi,
membran plasma, dan
dinding sel.
/ GOLGI
BADAN GOLGI
LISOSOM ( dibentuk oleh badan golgi)
Ukurannya sangat kecil
Dibentuk oleh badan golgi
Bentuk bulat berisi enzim pencernaan
Fungsinya untuk pencernaan intraseluler
PEROKSISOM
Ukurannya seperti lisosom
Dibentuk oleh R E
Berisi enzim katalase yang berfungsi untuk
menguraikan H2O2 .
H2O2
H2O + O2
katalase
VAKUOLA
Merupakan bagian yang mati
Pada sel hewan kurang berperanan
Pada sel tumbuhan berperan penting
Memiliki selaput yang memisahkan dengan
sitoplasma (tonoplasma)
Fungsinya menyimpan zat – zat makanan
(glukosa, asam amino, protein)
Menyimpan produksi ( alkaloid, atsiri )
Memblokir ampas metabolisme (NH3 ,CO2,
dan kristal garam )
Mewarnai dengan kandungan pigmen.
“segala proses reaksi yang terjadi di
dalam makhluk hidup mulai dari
makhluk hidup bersel satu sampai
yang paling kompleks (manusia)
untuk mendapat, mengubah , dan
memakai senyawa kimia di sekitar
untuk mempertahankan
kelangsungan hidup”
FUNGSI METABOLISME
Transformasi bentuk energi (energi tersimpanenergi
kimia siap guna)
Pembentukan biomolekul pembangun sel
Penguraian biomolekul membentuk senyawa
sederhana sebagai prekursor senyawa kompleks lain
Metabolisme
Dalam organisme terjadi banyak reaksi kimia yang
teratur dan terkontrol
Metabolisme dibagi menjadi anabolisme dan
katabolisme
Metabolisme perantara:
Menggabungkan semua reaksi pembentukan dan penyimpanan
dan penggunaan energi untuk pembentukan molekul kecil dan
molekul penyimpan energi
Metabolisme energi:
Bagian metabolisme perantara yang berisi jalur pembentukan
dan penyipanan energi
Jalur pusat:
Jalur utama yang sama untuk hampir semua organisme (oksidasi)
ANABOLISME
Polimer : Protein,
Asam Nukleat,
Polisakarida, Lipid
KATABOLISME
Monomer : Asam amino,
Nukleotida, Monosakarida,
Asam lemak, Gliserol
Metabolit intermediet :
Piruvat, Asetil CoA,
Intermediat suklus TCA
Energ
i
Energ
i
Molekul sederhana
: H2O, CO2, NH3
Perbedaan jalur biosintesis & degradasi
Merupakan kebalikan satu sama lain
Menggunakan intermediet atau reaksi yang sama
Terjadi ditempat berbeda:
Oksidasi asam lemak di mitokondria
Sintesis asam lemak di sitoplasma
Pengendalian: mis level ATP
Metabolisme
Hampir semua organisme menggunakan molekul
organik sebagi sumber energi dan biosintesis
Autotrof
Mampu membuat molekul organik dari anorganik
Heterotrof
“Feeding on others”
Aerobik: organisme tergantung pada respirasi
Anaerob: mampu melakukan metabolisme energi
tanpa adnaya oksigen
Metabolisme Perantara
Peranan Glikolisis Dalam
Menghasilkan Metabolit sekunder
pati
Heksosa posfat
Dinding Sel
Gliserol lemak, minyak fosfolipid
Triosa posfat
Serin sistein protein
Asam Posfoenolpiruvat
Senyawa fenol (tirosin, fenilalanin, antosianin, dll)
Etanol
Asam Piruvat
Asam laktat
Alanin
Asam lemak, kutikula
Isoprenoid (karotenoid, giberelin, terpen)
Senyawa aromatik
Asetil Co A
Siklus Kreb’s
PERTUMBUHAN DAN
PERKEMBANGAN MAHLUK
HIDUP
ENERGI
SEL
BAHAN
•UNSUR
HARA
•SENYAWA
ORGANIK
•AIR
PRODUK
PROSES
METABOLISME
•METABOLIT
PRIMER
•METABOLIT
SEKUNDER
SEL
BAHAN
•UNSUR
HARA
•SENYAWA
ORGANIK
PRODUK
•METABOLIT
PRIMER
PROSES
METABOLISME
•METABOLIT
SEKUNDER
•AIR
PEMANFAATAN
MODIFIKASI
PENGGUNAAN
LANGSUNG
PENINGKATAN
KUANTITAS
PENINGKATAN
KUALITAS
Pemanfaatan Sel dan Aktivitas Metabolisme
Penggunaan langsung (bioteknologi konvensional) :
- Ekstraksi senyawa bahan alam (contoh
alkaloid : opium, nikotin, quinin, minyak
atsiri, dll)
- Pemanfaatan mikroba indigenous untuk
pembuatan kompos, fungi untuk
pembuatan tempe dan tapai
ALKALOID
Nicotin
Nicotiana tobacum
Morfin
Papaver somniflorum
Atropin
Datura metel
Cafein
Cofea sp
Camelin / tein
Camelia sp
Teobromin
Teobroma cacao
Piperin
Piper ningrum
Kinin
Chincona alba
Pemanfaatan Sel dan Aktivitas Metabolisme
Modifikasi
- Manipulasi genetis mikroba untuk
produksi senyawa bahan obat (antibiotik,
insulin, dll)
- Tanaman transgenik
- Formulasi mikroba dekomposer dan
mikroba parasit bagi hama
- Kultur Jaringan
HERBISIDA DAN RESITENSI
TANAMAN TRANSGENIK
TERHADAP HERBISIDA
Gulma (tumbuhan pengganggu) :
Tumbuhan yang kehadirannya tidak diinginkan karena
1. Menghambat pertumbuhan tanaman utama
2. Berkompetensi dengan tanaman utama dalam kebutuhan
air, nutrisi dan cahaya
3. Menjadi inang bagi patogen
Pengendalian Gulma di Pertanian :
1. Pengolahan tanah, cara ini perlu banyak tenaga kerja,
dapat menjadi erosi tanah
2. Mempergunakan penghalang fisik seperti mulsa plastik
hitam
3. Penggunaan cover crops
4. Herbisida : bahan kimia yang dapat menghentikan
pertumbuhan gulma sementara atau seterusnya bila di
pergunakan pada takaran yang tepat
Keuntungan : efektif, mudah, dan murah
Penggunaan Herbisida menimbulkan danpak tak diinginkan :
1. Kerusakan pada tanaman pokok
2. Kerusakan lingkungan
3. Kontaminasi pada air tanah
4. Munculnya gulma resisten terhadap herbisida
Pengaruhi herbisida terhadap berbagai proses biokomiawi penting
pada sel tanaman
- Menghambat berbagai reaksi biosintesa asam amino
- Mempengaruhi fotosintesis
- Menghambat biosintesa lipid
- Memblokir sintesa pigmen karotinoid
- Mempengaruhi pembelahan sel
Hibrida yang baik
1. Efektif membunuh gulma
2. Segara di serap oleh tanaman (gulma)
3. Dapat dibuat dalam skala besar dan ekonomis
4. Tidak beracun pada bukan sasaran seperti aman bagi
petani, tenaga kerja dan organisme lain
Klasifikasi Herbisida
A. Bedasarkan waktu aplikasi :
- Pre emergent : herbisida menghambat proses
perkecambahan atau pertunasan
- Post emergent : herbisida menghambat berbagai proses
metabolisme penting untuk pertumbuhan tanaman
B. Berdasarkan selektivitas :
- Broad spectrum : dapat membunuh semua tumbuhan
- Selective : Hanya membunuh gulma tertentu
C. Berdasarkan Formulasinya
D. Berdasarkan tipe gulma
E. Berdasarkan cara aplikasi
F. Berdasarkan struktur kimiawi
Herbisida yang diharapkan dewasa ini :
- Dapat membunuh gulma secara selektif dan tidak
berpengaruh terhadap tanaman utama
- Alternatif lain : tanaman harus memiliki kemampuan
mencegah kerusakan akibat penggunaan herbisida
(tanaman tahan atau toleran terhadap herbisida)
Herbisida tidak efektif bila :
1. Tidak dapat meresap kedalam jaringan tanaman
2. Tidak dapat di distribusi keseluruh bagian tanaman
3. Herbisida dirombak oleh tanaman menjadi senyawa
tidak aktif
4. Target kerja herbisida seperti enzim dan reaksi
Biokimia tidak dapat di hambat oleh herbisida
- Mekanisme di atas dipergunakan sebagai dasar
pembentukan tanaman resisten terhadap herbisida
-Tanaman resisten terhadap herbisida adalah tanaman
yang mampu tumbuh dan menghasilkan pada
pemakaian herbisida pada dosis efektif.
Tanaman Resisten Herbisida
Produsen Herbisida
Eks : Monsanto,Produsen Roundup
TANAMAN TRANSGENIK RESISTEN THD HERBISIDA
TANAMAN RESISTEN THD ROUNDUP (GLYPHOSAT)
Deskripsi Roundup :
-Hebisida spektrum luas, didistribusikan ke seluruh bagian
tanaman,dapat meresap kedalam jaringan daun dan
terakumulasi dalam jaringan meristem bagian pupus
-Roundup diproduksi secara besar besaran oleh Monsanto
Mekanisme kerja Roundup (Glyphosat) :
Menghambat kerja enzim dalam lintasan Shikimat yg
mensintesa asam amino aromatik dari PEP
Phosphoenol pyrupat (PEP) + Shikmat- 3- Phospat
EPSP Sintase
5- Enolpyruvat-shikimat-3-phosphat (EPSP)
Asam amino
aromatik
Asam amino aromatik : tripthophan,tyrosin dan
phenylalanin (asam amino esensial untuk sintesa
protein,lignin,prekursor beberapa senyawa protektif
-Glyphosat mengakibatkan kerja enzim EPSP sintase
terhambat, sehingga pembentukan protein dan senyawa
penting lainnya terhambat, dan ini dapat menimbulkan
kematian pada tanaman
-Mekanisme Glyphosat sangat efektif Karena :
1. Semua Tanaman dan mikroba memiliki enzim dan
lintasan sintesa asam amino aromatik, sehingga semua
tanaman akan peka terhadap Glyphosat
2. Glyphosat tidak mudah dirombak dalam tanaman
3. Glyphosat tidak mudah bergerak dalam tanah
4. Enzim EPSP tidak ada pada binatang, sementara
binatang perlu asam amino aromatiik dari lintasan
shikimat ini
- Mekanisme tanaman Resisten terhadap Glyphosat :
Tanaman harus dapat memproduksi enzim EPSP dalam skala
besar sehingga tetap dapat memproduksi asam amino
aromatik walaupun ada Glyphosat atau jalur shikimatnya
harus berlangsung
Pengembangan tanaman resisten thd Glyphosat Dimulai th
1976,10 th sebelum dipublikasikan
Berbagai pendekatan yang dilakukan sbb :
1. Menghasilkan mutagen yg mengendalikan sintesa EPSP dg
karakter diinginkan, yaitu memiliki afinitas rendah thd
Glyphosat tetapi tinggi afinitasnya thd PEP
2. Modofikasi enzim EPSP berdimensi 3 yang dapat
berinteraksi dengan Glyophosat dan PEP
3. Mengisolasi mikroorganisme yang mampu menghasilkan
enzim yang diinginkan
- Alternatif yang berhasil adalah menskrining koleksi bakteri
dan menemukan organisme yg diidentifikasi mampu
menghasilkan enzim EPSP sintase yg tidak dipengaruhi
Glyphosat, yaitu bakteri Agrobacterium sp.starin CP 4
-Teknik pembentukan tanaman resisten thd Glyphosat :
1. Isolasi frame DNA sintesa EPSP dari Agrobacterium
sp.strain CP4
2. Trnasper gen kedalam tanaman
3. Sekuen Kode genetik untuk transit peptida di kloroplas
berdasarkan frame DNA
4. Tingkatkan ekspresi gen pengendali dg promoter,CaMV
35 S promoter.
TANAMAN RESISTEN THD SULPHONYLUREAS DAN
IMMIDAZOLINONES
Mekanisme kerja SULPHONYLUREAS dan Immidazolinones :
Menghambet kerja enzim acetohydroxy acid sintase (AHAS), yamg
merupakan enzim utama dalam sintesa bbrp grup asam amino
seperti leucin,isoleucin dan valin
Tanaman resisten dibuat dg cara :
A. Produksi tanaman yang resisten terhadap herbisida dgn cara :
1. Isolasi gene yang mengkode sintesa AHAS yang insentisf thd
herbisida dari tanaman resisten, yaitu Arabidopsis dan Tembakau
2. Modifikasi promoter yang dapat mengekspresikan gen tsb dg baik
3. Transper gen kedalam tanaman sasaran
B. Seleksi dan generasi melalui kultur jaringan, yaitu sbb :
1. dalam kultur jaringan, seleksi sel yang resisten terhadap herbisida
imidazolinones
2. Kembangkan sel yang resisten menjadi tanaman
3. Tanaman hasil regenerasi evaluasi resistensinya
terhadap herbisida
4. Transper karakter resistensi terhadap herbisida pada
galur elit hasil pemuliaan tanaman dan memiliki karakter
yang baik
- Pendekatan yang sama dilakukan untuk menghasilkan
tanaman yang resisten terhadap herbisida sethoxydim
- Sethoxydim Co A carboxylase yang berperan dalam
sintesa asam lemak
TANAMAN RESISTEN TERHADAP GLUFOSINATE
(LIBERTY, IGNITE, BASTA)
- Merupakan herbisida spektrum luas
- Cara kerja : menghambat sintesa glutamin (salah satu
asam amino,amonia), sehingga amonia terakumulasi
dan meracuni tanaman
- Glufosinat dibuat dari antibiotik yang dihasilkan oleh
jamur streptomycete
- Organisme memiliki kemampuan menghasilkan
senyawa g bekerja melindungi dirinya dari efek racun,
streptomycete mampu menghasilkan enzim yang
menginaktifkan antibiotik, metabolisme ini digunakan
untuk menciptakan tanaman resisten terhadap
Glufosinat.
Teknik pembuatanya :
1. Kloning gen yang mengkode enzim detoxifying
2. Transper gen pengendalian pada tanaman
3. Kembangkan tanaman yang telah ditransper gen
melalui methode pemuliaan
4. Evaluasi varietas yang di hasilkan resistensinya
terhadap glufosinate.
RESISTENSI TANAMAN TERHADAP BROMOXYNIL (BUCTRIL)
Deskripsi :
1. Merupakan herbisida kontak yang menghambat fotosintesis pada
fotosistem II pada tanaman monokotil (berdaun lebar)
2. Herbisida selektif, efektif terhadap gulma dau lebar
3. Digunakan untuk pertanaman gandum, barley, oats, dan beberapa
monokotil
- Di alam terindentifikasi bakteri strain klebsiella azaenae yang resisten
terhadap herbisida bromoxynil
- Mikroba ini mampu memproduksi enzim yang dapat merubah
Bromoxynil, dan ini dimanfaatkan sebagai strategi membuat tanaman
resisten terhadap Bromoxynil, yaitu sbb :
1. Kloning gen yang mengendalikan sintesa enzim detoxyfyin
2. Masukkan promoter untuk produksi gen dalam tanaman
3. Tanaman yang telah di transper gen di jadikan varietas
4. Evaluasi toleransi varietas terhadap Bromoxynil
Strategi yang sama di gunakan untuk mengindentifikasi gen yang
mampu merombak 2,4 D dari bakteri Alacligenes eutrophus.
Perkembangan tanaman Transgenik Resisten Terhadap Herbisida
Penemuan baru tanaman resisten terhadap herbisida terus berkembang
sebagai berikut :
Herbisida dan tanaman yang dibuat dan diseleksi untuk menghasilkan tanaman
resisten
Herbisida
Bromoxyynil
Glyphosat
Nama Dagang
Buctril
Roundup
Glufosinat
Liberty,Ignite,Basta
Sulfonilureas
Imidazolinones
2,4 D
Sethoxydim
Triazines
Tanaman toleran Thdherbisida
Kapas, Kentang, Tembakau
Tebu, Jagung, Kapas, Kedelai,
Tembakau, Tomat, Gandum,
lettuce
Alfalfa,Tebu,Jagung,Barley,Melon,
Kacang,padi,kedelai,tomat,
gandum,canola
Jagung,kapas,tembakau,tomat,
kedelai,tebu, flax
Jagung, canola,Gandum
Kentang , Kapas
Jagung
Canola
KONTROVERSI TANAMAN RESISTEN TERHADAP HERBISIDA
Beberapa komenter tentang tanaman resisten herbisida (HTCs)
1. HTCs meningkatkan luasan areal pertanaman yang mempergunakan
herbisida
2. HTCs meningkatkan penggunaan herbisida per satuan luas
3. HTCs memunculkan gulma baru yang tumbuh pada tempat dan waktu
yang salah
4. Menempatkan penggunaan herbisida sebagai pilihan dalam pengendalian
gulma di banding teknik lain
5. Penggunaan herbisida secara partikular
6. Munculnya dampak tak diinginkan pada lingkungan
7. Menurunnya tingkat keragaman hayati
8. Terjadi perpindahan gen resistensi dari HTCs ke tanaman air
9. Peningkatan residu pestisida dalam makanan
10. Munculnya gulma resisten terhadap suatu herbisida
TANAMAN TRANSGENIK RESISTEN
TERHADAP SERANGGA
Serangga dapa menimbulkan kerusakan pada tanaman pada berbagai
stadia yaitu di pembibitan,fase vegetatif dan fase reproduktif,dan
menyerang pada seluruhbagian tanaman dibawah dan diatas
permukaan tanah
1.
2.
3.
4.
-
Metode Pengendalian Serangga Hama
Kultur teknis : Mengatur pola tanam,waktu tanam,rotasi tanaman
Pengelolaan hama terpadu : memadukan berbagai teknik
pengendalian dg memperhatikan populasi serangga, keamanan
lingkungan dan ekonomis
Tanaman resisten melalui pemuliaan konvensional
Kimiawi (pestisida),dampak tak diinginkan spt :
Dampak negatif thd lingkungan
Rendahnya kualitas produk pertanian akibat akumulasi pestisida
Munculnya serangga hama resisten
Matinya serangga bukan sasaran (serangga berguna)
Tanaman transgenik resisten terhadap serangga hama merupakan
hasil rekayasa genetik (teknologo DNA recombinant),telah ditanam
di berbagai negara (james,2002)
Keunggulan :
1. Memperluas pengadaan sumber gen resistensi, dapat diperoleh dari tanaman
lain spesies bahkan famili,dari bakteri,jamur dan mikroorganisme lain.
2. Dapat memindahkan gen spesifik ke tempat spesifik
3. Gen yang dipindahkan dapat diamati stabilitasnya dalam setiap generasi
4. Mungkin untuk mengintroduksi beberapa gen tertentu dalam satu kesempatan
transformasi,shg menghemat waktu dg resistensi ganda
Gen resistensi thd serangga hama
1. Gen Bt,hasil isolasi dari bakteri tanah Bacillus thuringiensis yang memproduksi
protein kristal yg bekerja seperti insetisida (Cry )
- Saat ini telah diisolasi 8 kelompok Cry dari Bt yg dikelompokan berdasarkan
Virulensinya yg spesifik thd kelompok serangga sasaran.
- Cryl,CryIX,CryX mematikan Lepidoptera
- CryV untuk lepidoptera dan coleoptera
- CryII untuk lepidoptera dan diptera
- CryIII untuk coleoptera
- CryIV untuk diptera
- CryVI untuk nematoda
-Cara kerja : racun Bt menempel pada epitel glycoprotein dalam usus serangga,
terutama bagian tengah,dan menyebabkan kebocoran usus shg serangga mati
2.Gen kelompok inhibitor : gen yang bekerja menghambat enzim pencernaan
pada serangga
- gen proteinase inhibitor,dari kentang diintroduksi ke tembakau tahan
serangan Manduca sexta
- Gen Cowpea trypsin inhibitor, tembakau tahan serangan Helicoverpa zea
- Gen alpha amylase inhibitor dari Common bean ditransper pada Azuki bean
dan Peanut shg tahan thd hama kumbang Bruchus
- Gen Galanthus nivalis aglutinin (GNA) ditransfer pada padi menurunkan 50
% populasi wereng coklat
Prosedur Perakitan Tanaman Transgenik Resisten thd Serangga Hama
1. Isolasi gen atau DNA target dari bakteri, organisme lain atau tanaman yang
mengendalikan karakter yang diinginkan
2. Ligasi DNA target ke dalam Vektor sehingga terbentuk DNA rekombinan
3. Transformasi vektor (DNA rekombinan) pada bakteri tertentu untuk
perbanyakan copy DNA rekombinan
4. Penyisipan vektor dan DNA target ke tanaman yang akan diperbaiki
ketahanannya
5. Seleksi
6. Regenerasi dan pembentukan plantlet dalam kultur
7. Aklimatisasi
8. Uji ketahanan
9. Perbanyakan
Teknik transfer gen ke tanaman target (menentukan keberhasilan transgenik) ada
3, Yaitu :
1. Transfer melalui media vektor agrobacterium tumefaciens : dapat
menstransfer gen ke genom tanaman melalui eksplan berupa potongan daun
atau bagian lainnya yg potensi regenerasinya tinggi.
- Efektif pada tanaman dikotil
- Memiliki plasmid T yg mengandung T-DNA yg dipindahkan ke inti sel dan
berintegrasi dg genom tanaman
2. Penembakan partikel (gene gun/ particle)
bombardemnt,yaitu menebakan partikel DNA coated ke sel atau jaringan
tanaman target
- Efektif untuk tanaman monokotil
3. Mikroinjection dg serat karbid silikon
-Suspensi sel tanaman yang akan di transfer dicampur dg karbid silikon, DNA
plasmid dr gen yang di inginkan dicampur kemudian diputar.
-Serat karbid silikon berfungsi sebagai jarum injeksi untuk memasukan DNA ke
tanaman target
4. Elektroporasi
- Kimiawi dg polyetylene glycol (PEG),yg dapat mempermudah presipitasi DNA
pada protoplas sel tanaman
-Fisik dg listrik voltase tinggi, meningkatkan permeabilitas dinding sel sehingga
mudah ditembus DNA
Keuntungan penggunaan tanaman resisten thd hama
1. Mengurangi penggunaan pestisida kimia
2. Membatasi dampak penggunaan pestisida
3. Penggunaannya tidak dipengaruhi oleh kim
4. Pengendalian pada pertanaman terjadi selama musim tanam
5. Dapat mengendalikan serangga pada stadia yang tepat
6. Hanya serangga yang memakan tanaman yang terpengaruh,yang lain tidak
terpengaruh
7. Bahan aktif merupakan protein yang mudah terdegradasi shg kecil
kemungkinan mengkontaminasi air tanah dan lingkungan, dan aman bagi jasad
bukan sasaran
8. Mudah penggunaannya shg bisa diadopsi dan dilakukan konsumen
9. Tidak menimbulkan keracunan bagi manusia dan tidak terakumulasi pada
makanan.
Kekurangan :
1. Perlu SDM yang tangguh dan ahli,sulit,biaya mahal,dan perlu peralatan
laboraturium modern
2. Ada keterbatasan karakter yang dapat diperbaiki , hanya untuk karakter simple
genik
3. Masalah HAKI
Hal yang perlu diwaspadai :
1. Adanya dampak bagi kesehatan dan lingkungan
2. Perubahan keragaman hayati di alam
3. Perubahan pada serangga yg menuntut ditemukannya secara terus menerus
tanaman resisten yg baru
Literatur :
Biotechnology in Agriculture. 2005. http : //www.hort.
Purdue/hort/courses/HORT250/Lecture%2005.
Biotechnology in Agriculture.2005. file://C:/PLANT %
20ALKALOID/Lecture 2015%20HORT%20250.htm.
Moenandir, J 1990.Fisiologi Herbisida. Rajawali Pers. Jakarta
Sardjoko .1991. Bioteknologi : Latar Belakang dan Beberapa Penerapannya PT
Gramedia Pustaka Utama JAkarta
Herman , M.2002. Perakitan Tanaman Tahan Serangga Hama melalui Teknik
Rekayasa Genetik. Buletin Agrobio. Balai Penelitian Bioteknologi dan
Sumberdaya genetik Pertanian. Bogor
Amirhusin, B. 2004. Perakitan Tanaman Transgenik Tahan Hama. Balai Penelitian
Bioteknologi dan Sumberdaya genetik Pertanian. Bogor
TANAMAN TRANSGENIK TOLERAN
TERHADAP
CEKAMAN LINGKUNGAN
TANAMAN TIDAK DAPAT MENGHINDAR ATAU BERPINDAH DARI SUATU LINGKUNGAN YANG TIDAK
MENGUNTUNGKAN DAN MEMPENGARUHI PERTUMBUHANNYA
BEBERAPA TIPE CEKAMAN LINGKUNGAN :
1. TEMPERATUR : TINGGI , RENDAH
2. AIR : GENANGAN, KEKERINGAN, SALIN
3. NUTRISI : DEFISIENSI, KERACUNAN
4. CAHAYA : KELEBIHAN, KEKURANGAN
TANGGAP TANAMAN TERHADAP KONDISI LINGKUNGAN TAK MENGUNTUNGKAN :
• MATI
• MENGHINDAR : MEMPERCEPAT DAUR HIDUPNYA (MEMPERCEPAT INISIASI PEMBUNGAAN DAN
PEMBENTUKAN BIJI )
• ADAPTASI : TETAP HIDUP DAN BERKEMBANG DI BAWAH KONDISI TIDAK OPTIMUM
MEKANISME ADAPTASI TANAMAN TERHADAP PERUBAHAN LINGKUNGAN MERUPAKAN CARA
TANAMAN UNTUK MEMPERTAHANKAN DIRI
1. SINTESA PROTEIN SEBAGAI SARANA PERLINDUNGAN
2. AKTIVASI LINTASAN METABOLIT UNTUK SINTESA SENYAWA PROTEKTIF
BEBERAPA CONTOH ADALAH SBB :
1. MANIPULASI SINTESA LARUTAN YANG KOMPATIBLE UNTUK MELINDUNGI TANAMAN DARI
SALINITAS TINGGI DAN CEKAMAN KEKERINGAN
2. MENINGKATKAN RESPONS TANAMAN TERHADAP DINGIN UNTUK MELINDUNGI TANAMAN
DARI CEKAMAN FROST
3. PRODUKSI CITRAT UNTUK MENGKELAT ALUMUNIUM DAN MELINDUNGI TANAMAN DARI
KERACUNAN ALUMUNIUM
4. MENGAKTIFKAN MEKANISME ENZIMATIS UNTUK MELINDUNGI TANAMAN SECARA UMUM
DARI KERUSAKAN AKIBAT SENYAWA OKSIDATIF
BEBERAPA KAJIAN TANAMAN TOLERAN TERHADAP CEKAMAN LINGKUNGAN
1. CEKAMAN KEKERINGAN DAN CEKAMAN OSMOTIK/SALINITAS TINGGI
• KEKERINGAN DAN SALINITAS TINGGI BESAR SEKALI PENGARUHNYA TERHADAP HASIL
TANAMAN
• KEDUA CEKAMAN KONDISINYA BERBEDA TAPI PENGARUHNYA TERHADAP FISIOLOGI
TANAMAN SAMA, YAITU ADANYA HAMBATAN MASUKNYA AIR KE DALAM SEL TANAMAN,
BAHKAN PADA KASUS SALINITAS TINGGI CAIRAN SEL KELUAR KARENA LARUTAN DI LUAR SEL
KONSENTRASINYA LEBUH TINGGI
• RESPONS ADAPTASI TANAMAN : MENSINTESA LARUTAN YANG DAPAT MENINGKATKAN
KONSENTRASI LARUTAN SEL TANAMAN (COMPATIBLE SOLUTE) SEHINGGA AIR DAPAT MASUK
KE DALAM SEL, DG KARAKTERISTIK SENYAWA TERSEBUT TDK BERACUN DAN TDK
MEMPENGARUHI PROSES METABOLISME SEL
CONTOH : MANNITOL (GULA ALKOHOL0, GLYCINEBETAINE (gb), ASAM AMINO PROLINE
• STRATEGI PEMBENTUKAN TANAMAN TRANSGENIK : MEMBUAT TANAMAN YANG MAMPU
MEMPRODUKSI LARUTAN OSMOTIK ATAU MENINGKATKAN KAPASITAS AKUMULASI LARUTAN
OSMOTIK DARI KONDISI NORMAL.
BBRP BAKTERI MEMILIKI SUMBER GEN UNTUK PENGENDALI NYA
A. PENINGKATAN PRODUKSI MANNITOL :
CONTOH :
GEN BAKTERI (mtlD) DARI BAKTERI E. Colli DAPAT MENGKATALISIS FRUCTOSE-6PHOSPHATE JADI MANNITOL-6-PHOSPHATE. TANAMAN MENGANDUNG FRUCTOSE-6PHOSPHATE DAN MEMILIKI ENZIM PHOSPHATASE TYG DAPAT MERUBAH MANNITOL-6PHOSPHATE JADI MANNITOL.
GEN mtlD DAPAT MEMBUAT TANAMAN MEMILIKI KEMAMPUAN MEMPRODUKSI MANNITOL.
FRUCTOSE-6-PHOSPHATE
MANNITOL-6-PHOSPHATE
MANNITOL
DEKALB (PRODUSEN BENIH) :
MENGHASILKAN BENIH JAGUNG TRANSGENIK YANG MAMPU MEMPRODUKSI MANNITOL DAN
MERUPAKAN TANAMAN TOLERAN TERHADAP KEKERINGAN
B. SINTESA GLYCINEBETAINE (GB)
• GB MERUPAKAN LARUTAN OSMOTIK KOMPATIBLE YANG MEMPENGARUHI TEKANAN OSMOTIK
SEL TANAMAN
• BEBERAPA SPECIES TANAMAN MAMPU MENGAKUMULASI GB DAN GB DISINTESA TANAMAN
MELALUI 2 TAHAP DENGAN KATALISATOR ENZIM YG BERBEDA :
• CHOLINE
BETAINE ALDEHYDE
GLYCINEBETAINE (GB)
• MEMBUAT TANAMAN TRANSGENIK DENGAN MENGGABUNGKAN DUA GEN PENGENDALI
UNTUK KEDUA ENZIM TERSEBUT BELUM BERHASIL
•BACTERIUM TANAH DIIDENTIFIKASI MEMILIKI GEN YANG MENGENDALIKAN GEN
PENGENDALI SINTESA ENZIM CHOLINE OKSIDASE YG MERUPAKAN ENZIM TUNGGAL
YG
MERUBAH CHOLINE JADI GB
• GEN INI DAPAT DIISOLASI DAN DIBUAT JADI DNA RECOMBINANT YG DAPAT
MENGEKSPRESIKAN PEMBENTUKAN CHOLINE OKSIDASE PADA TANAMAN, TERUTAMA
DALAM KLOROPLAS
• DNA REKOMBINANT DITRANSPER KE TANAMAN INANG (ARABIDOPSIS) DAN MENUNJUKKAN
ADANYA AKUMULASI BG DAN HASIL PENGUJIAN TANAMAN TERSEBUT TOLERAN TERHADAP
SALINITAS TINGGI, TEMPERATUR RENDAH DAN KEKERINGAN
2. TOLERANSI TERHADAP SUHU DINGIN
MEKANISME TOLERANSI :
• SINTESA SEJUMLAH PROTEIN YG TDK DIPRODUKSI DALAM KEADAAN NORMAL, TETAPI
BELUM DIKETAHUI BAGAIMANA FUNGSINYA , HANYA DIKETAHUI DAPAT MEMBANTU
TANAMAN SURVIVE PADA TEMPERATUR RENDAH
• GEN YANG MENGINDUKSI PROTEIN PADA KONDISI DINGIN DAPAT DIKLONING
• PENDEKATAN : IDENTIFIKASI AKTIVATOR SEMUA GEN YG TEREKSPRESI PADA KONDISI
DINGIN, AKTIVATOR INI ADALAH PROTEIN YG MENTRANSKRIPSI COLD-INDUCE GENES
• GEN PENGENDALI PROTEIN AKTIVATOR TLH DAPAT DIKLONING, DITRANSPER PADA
TANAMAN INANG
• TANAMAN TRANSGENIK DG AKTIVATOR MODIFIKASI DAPAT MENGEKSPRESIKAN GEN BAIK
DALAM KONDISI NORMAL MAUPUN TEMPERATUR RENDAH
• TANAMANB TRANSGENIK YG DIHASILKAN MAMPU BERTAHAN PADA KONDISI NORMAL
SAMPAI PADA TEMPERATUR DIBAWAH 5oC
3. KERACUNAN ALUMUNIUM
• ALUMUNIUM MERUPAKAN ION LOGAM YG BERADA DI DAERAH PERAKARAN,
DALAM KADAR TINGGI MENGAKIBATKAN KERACUNAN PADA TANAMAN TERUTAMA
PADA TANAH MASAM, KARENA Al LARUT DALAN TANAH DAN DISERAP OLEH
TANAMAN SEHINGGA MENIMBULKAN KERACUNAN TERUTAMA PADA UJUNG AKAR
• BEBERAPA TANAMAN ADA YANG TOLERAN TERHADAP AL DAN DAPAT TUMBUH
PADA TANAH MASAM
• MEKANISME TANAMAN TOLERAN TERHADAP Al :
1) KEMAMPUAN UJUNG AKAR MENCEGAH SERAPAN Al SEHINGGA AKAR DAPAT
BERFUNGSI SECARA NORMAL
2) MENGURANGI Al UPTAKE DENGAN MENSEKRESI ASAM ORGANIK (MALAT DAN
SITRAT) KE TANAH DI SEKITAR PERAKARAN DAN DAPAT MENGKELAT Al
SEHINGGA tidak diserap oleh tanaman
3) Informasi ini dimanfaatkan untuk membuat tanaman transgenik toleran aL dg
pendekatan mempergunakan gen bakteri yg mengendalikan sintesa enzim yg
berperan dalam sintesa sitrat pada perakaran tanaman