Induksi Mutasi Tanaman Gandum (Triticum Aestivum L.) Melalui Iradiasi Sinar Gamma Secara In Vitro Untuk Toleransi Terhadap Suhu Tinggi
INDUKSI MUTASI TANAMAN GANDUM (Triticum aestivum L.)
MELALUI IRADIASI SINAR GAMMA SECARA IN VITRO
UNTUK TOLERANSI TERHADAP SUHU TINGGI
RYAN BUDI SETIAWAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Induksi Mutasi Tanaman
Gandum (Triticum aestivum L.) Melalui Iradiasi Sinar Gamma Secara In vitro
Untuk Toleransi Terhadap Suhu Tinggi adalah benar karya saya dengan arahan
dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2015
Ryan Budi Setiawan
A253120061
RINGKASAN
RYAN BUDI SETIAWAN. Induksi Mutasi Tanaman Gandum (Triticum aestivum
L.) Melalui Iradiasi Sinar Gamma Secara In vitro Untuk Toleransi Terhadap Suhu
Tinggi. Dibimbing oleh NURUL KHUMAIDA dan DINY DINARTI.
Dalam rangka mengurangi tingginya nilai impor gandum perlu dilakukan
upaya penanaman dengan tetap memperhatikan faktor kesesuaian lingkungan.
Program pemuliaan tanaman penting dilakukan untuk perbaikan genetik dan
karakter sehingga berpengaruh positif terhadap peningkatan kualitas, kuantitas
dan pengembangan gandum di Indonesia. Embriogenesis somatik memainkan
peranan yang sangat besar dalam perbanyakan tanaman. Integrasi dengan program
pemuliaan konvensional maupun teknik molekular/bioteknologi memungkinkan
embriogenesis somatik menjadi suatu alat untuk meningkatan laju perbaikan
genetik tanaman. Syarat utama dalam melakukan rekayasa genetik tanaman secara
in vitro adalah kemampuan untuk menumbuhkan sel somatik dalam kondisi steril
pada media pertumbuhan dan meregenerasikannya menjadi tanaman utuh.
Salah satu kendala pengembangan tanaman gandum di Indonesia adalah
terbatasnya varietas yang beradaptasi terhadap lingkungan tropis. Terjadinya
perubahan iklim akibat pemanasan global yang menyebabkan suhu permukaan
bumi diperkirakan akan meningkat sekitar 0.3 oC per dekade. Persaingan lahan di
dataran tinggi dengan tanaman hortikultura juga menghambat pengembangan
gandum di Indonesia. Oleh karena itu perlu dilakukan upaya perakitan varietas
gandum tropika yang mampu beradaptasi di dataran menengah (400-700 mdpl)
dan toleran terhadap suhu tinggi. Pemuliaan tanaman menggunakan teknik mutasi
melalui iradiasi sinar gamma dapat digunakan untuk peningkatan dan perbaikan
genetik tanaman.
Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk memperoleh galur mutan
gandum yang memeliki toleransi terhadap suhu tinggi. tujuan khusus penelitian
ini adalah: mendapatkan metode induksi kalus embriogenik, embrio somatik dan
proliferasi dari tiga varietas gandum (Dewata, Selayar dan Nias), menentukan
nilai radiosensitivitas yang akan digunakan sebagai dasar induksi mutasi melalui
iradiasi sinar gamma pada kalus embriogenik, serta melakukan uji cepat
ketahanan suhu tinggi fase kecambah pada tiga varietas gandum. Embrio muda
dan tua digunakan sebagai eksplan. Media dasar MS dengan penambahan
kombinasi zat pengatur tumbuh (ZPT) 2.4D, picloram dan NAA digunakan dalam
studi embriogenesis somatik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa media induksi
kalus embriogenik terbaik adalah media dasar MS dengan penambahan kombinasi
ZPT 2.0 mg L-1 2.4D + 1.0 mg L-1 picloram dengan persentase pembentukan kalus
embriogenik sebesar 60% pada varietas Dewata menggunakan eksplan immature
embrio (embrio muda).
Media proliferasi embrio somatik terbaik adalah media MS cair dengan
kombinasi ZPT 1.0 mg L-1 2.4D + 0.5 mg L-1 picloram pada Dewata yang
menghasilkan 31.25 embrio globular dan media 0.5 mg L -1 2.4D + 0.25 mg L-1
picloram pada Nias yang menghasilkan 15.50 embrio globular. Dewata
merupakan varietas yang paling responsif untuk menghasilkan embrio somatik
dengan frekuensi perkecambahan planlet normal sebesar 79.46%. Penentuan nilai
radiosensitivitas menggunakan lima dosis iradiasi sinar gamma (10, 20, 30, 40 dan
50 Gy). Seleksi ketahanan terhadap suhu tinggi dilakukan menggunakan inkubator
pada suhu 25, 30 dan 35 oC. Nilai radiosensitivitas yang diperoleh bervariasi
untuk setiap varietas yang berkisar (LD20: 7.79-18.96 Gy, LD50: 24.29-33.63 Gy).
Selayar merupakan varietas yang memiliki nilai sensitivitas lebih tinggi
dibandingkan Dewata dan Nias. Meningkatnya dosis iradiasi dan suhu seleksi
menurunkan bobot, diameter dan daya hidup kalus embriogenik, jumlah embrio,
serta persentase planlet yang berkecambah. Berdasarkan seleksi in vitro
menggunakan suhu tinggi (25, 30 dan 35 oC) diperoleh 19 planlet mutan putatif
yang berasal dari embrio somatik yang muncul pada permukaan kalus
embriogenik yang bertahan hidup pada varietas Dewata. Uji cepat ketahanan suhu
tinggi pada fase kecambah dari tiga varietas gandum menunjukkan bahwa
meningkatnya suhu hingga 35 oC mempengaruhi semua peubah yang diamati
meliputi persentase daya berkecambah, panjang akar, jumlah akar, jumlah daun,
panjang tunas, bobot basah tunas dan akar. Bedasarkan pengujian cepat tahap
kecambah menunjukkan varietas selayar memiliki tingkat toleransi lebih baik
terhadap suhu tinggi dibandingkan dengan varietas lainnya.
Kata kunci : Embrio somatik, Mutan putatif, Radiosensitivitas, Seleksi in vitro
SUMMARY
RYAN BUDI SETIAWAN. Mutation Induction of Wheat (Triticum aestivum L.)
through Gamma Ray Irradiation by In vitro culture for High Temperature
Tolerance. Supervised by NURUL KHUMAIDA and DINY DINARTI
In order to reduce the high import value of wheat, it is necessary to
planting with regard to the environmental suitability factors. Ultilization of plant
breeding programs for genetic improvement give positive effect to improving the
quality and quantity of wheat development in Indonesia. Somatic embryogenesis
plays a large role in the plant propagation. Integration with conventional breeding
and molecular engineering/biotechnology, allows somatic embryogenesis become
a tool to increase the rate of plant genetic improvement. The main requirement in
genetic modified plants as in vitro is the ability to regenerate somatic cells under
sterile conditions in growth media and regenerate into whole plants.
One of the problem to developing wheat in Indonesia is limited varieties
adapted to tropical environments. Climate change by global warming causes the
earth's surface temperature is expected to rise about 0.3 oC per decade.
Competition in the highland area with horticultura crops also inhibits the wheat
development in Indonesia. Therefore, necessary to assembly of tropical wheat
varieties which are able to adapt in the middle area (400-700 meter above sea
level) and tolerant for high temperatures. The technique mutation through gamma
ray irradiation may be used for plant genetic improvement.
The general objective of this research was to obtain wheat promising lines
tolerant to high temperature. Specifically, this study has objectives that include the
following: to obtain the methods for embryogenic callus, somatic embryo
induction, proliferation and regeneration of three wheat variety (Dewata, Selayar
and Nias), to obtain the radiosensitivity value that will be use as basic for
mutation induction through gamma ray irradiation on embryogenic callus, to
obtain the information about effect of high temperature for wheat sprout. Mature
and immature embryos used as explants. MS with the addition plant growth
regulator 2.4D, picloram and NAA used in the medium.
The best embryogenic callus induction medium on Dewata obtained by
MS medium with the addition plant growth regulator 2 mg L-1 24D + 1 mg L-1
resulted the percentage embryogenic callus about 60% use immature embryo as
explans. The best medium proliferation of somatic embryos obtained by liquid
MS basal medium with plant growth regulator 1 mg L-1 2.4D + 0.5 mg L-1
picloram on Dewata resulted 31.25 globular embyo and 0.5 mg L -1 2.4D + 0.25
mg L-1 picloram on Nias resulted 15.50 globular embryo. Dewata is the most
responsive varietiy to produce somatic embryos with normal planlet germination
of 79.46%. Radiosensitivity test used five irradiation doses (10, 20, 30, 40 and 50
gray). Level gamma irradiation radiosensitivity from embryogenic callus are
different among three wheat varieties (LD20: 7.79-18.96 gray, LD50: 24.29-33.63
gray).
Variety Selayar has highest sensitivity value compared with Dewata and
Nias. Increasing doses of iradiation and temperature decrease the embryogenic
callus viability, embryo number, and percentage germinated plantlet. Based on in
vitro selection using high temperature (25, 30 and 35 oC) obtain 19 putative
mutants were derived from embryos in embryogenic callus survival after
irradiation and high temperature selection. Testing the high temperature in phase
of the three varieties of wheat sprouts showed that increasing the temperature to
35 °C greatly affects all observed variables include the percentage of germination,
root length, number of roots, number of leaves, length of the shoots, fresh weight
of the shoots and roots. Selayar is varietie which indicates the level of tolerance to
high temperatures compared with other varieties.
Keywords: In vitro selection, Mutant putative, Radiosensitivity, Somatic embryo,
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
INDUKSI MUTASI TANAMAN GANDUM (Triticum aestivum L.)
MELALUI IRADIASI SINAR GAMMA SECARA IN VITRO
UNTUK TOLERANSI TERHADAP SUHU TINGGI
RYAN BUDI SETIAWAN
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada Program Studi Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr Sintho Wahyuning Ardie, SP MSi
Judul Tesis : Induksi Mutasi Tanaman Gandum (Triticum aestivum L.) Melalui
Iradiasi Sinar Gamma Secara In vitro Untuk Toleransi Terhadap
Suhu Tinggi
Nama
: Ryan Budi Setiawan
NIM
: A253120061
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Ir Nurul Khumaida, MSi
Ketua
Dr Ir Diny Dinarti, MSi
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Yudiwanti Wahyu EK, MS
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian :
19 November 2014
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia dan nikmat-Nya sehingga tesis ini berhasil diselesaikan. Shalawat
dan salam tercurah untuk Rasulullah Muhammad SAW atas semua perjuangan
dan dakwah beliau. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak
bulan Maret 2013 sampai Agustus 2014 ini adalah Induksi Mutasi Tanaman
Gandum (Triticum aestivum L.) Melalui Iradiasi Sinar Gamma Secara In vitro
Untuk Toleransi Terhadap Suhu Tinggi. Dengan terselesaikannya penulisan tesis
ini, penulis ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1.
Dr Ir Nurul Khumaida MSi dan Ibu Dr Ir Diny Dinarti MSi selaku komisi
pembimbing yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, motivasi dan
nasehat demi terselesaikannya tesis ini.
2. Dr Ir Yudiwanti Wahyu EK MS selaku ketua mayor Pemuliaan dan
Bioteknologi Tanaman dan Seluruh Dosen, karyawan serta teknisi atas semua
Ilmu dan bantuannya.
3. Dr Sintho Wahyuning Ardie SP MSi selaku penguji luar komisi atas semua
kritik dan sarannya.
4. Prof Dr Ir Irfan Suliansyah MS, Prof Dr Ir Ardi MSc, dan Prof Dr Ir Warnita
MS atas surat rekomendasi untuk melanjutkan studi pascasarjana di IPB.
5. DIKTI atas Beasiswa Unggulan tahun 2012-2014.
6. Bapak Prayitno dari Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) yang telah
membantu dalam iradiasi sinar gamma.
7. Bapak, Mamak, dan adik-adik serta seluruh keluarga atas segala doa dan
kasih sayangnya
8. Rekan-rekan pascasarjana PBT angkatan 2012 untuk semua kebersamaan dan
perjuangannya.
9. Rekan-rekan Laboratorium Kultur Jaringan 3 untuk semua bantuannya
10. Azfani Nelza buat semua dukungan dan semangatnya.
11. Keluarga besar BDP angkatan 2007 (last generation) Universitas Andalas
atas semua kebersamaanya.
Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna, namun
penulis berharap semoga tesis ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu
pengetahuan, khususnya pengembangan gandum tropika di Indonesia.
Bogor, Januari 2015
Ryan Budi Setiawan
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Hipotesis Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
2 TINJAUAN PUSTAKA
3 EMBRIOGENESIS SOMATIK TIGA VARIETAS GANDUM
Pendahuluan
Bahan dan Metoda
Prosedur Analisis Data
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
4 RADIOSENSITIVITAS DAN INDUKSI MUTASI SINAR GAMMA
UNTUK KETAHANAN TERHADAP SUHU TINGGI
Pendahuluan
Bahan dan Metoda
Prosedur Analisis Data
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
5 UJI CEPAT KETAHANAN TERHADAP SUHU TINGGI PADA
FASE KECAMBAH
Pendahuluan
Bahan dan Metode
Prosedur Analisis Data
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
6 PEMBAHASAN UMUM
7 SIMPULAN DAN SARAN
DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP
v
vi
vii
viii
1
1
2
3
3
3
5
7
17
17
18
20
21
39
40
40
41
43
43
56
58
58
59
59
59
64
66
73
74
82
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Tipe, sumber dan deskripsi berbagai macam iradiasi pengion
Pengaruh media dan varietas terhadap persentase induksi kalus dari
eksplan immature embrio gandum
Pengaruh media dan varietas terhadap waktu muncul kalus gandum dari
eksplan immature embrio (hari)
Pengaruh media dan varietas terhadap persentase kalus embriogenik
dari eksplan immature embrio gandum
Pengaruh media dan varietas terhadap diameter kalus dari eksplan
immature embrio gandum (mm)
Pengaruh media dan varietas terhadap persentase induksi kalus dari
eksplan mature embrio gandum
Pengaruh media dan varietas terhadap waktu muncul kalus dari eksplan
mature embrio gandum (hari)
Pengaruh media dan varietas terhadap persentase kalus embriogenik
dari eksplan mature embrio gandum
Pengaruh media dan varietas terhadap diameter kalus dari eksplan
mature embrio gandum (mm)
Skoring uji kruskal walis terhadap penutupan eksplan oleh kalus
gandum
Karakteristik embrio somatik gandum varietas Dewata dan Nias yang
berasal dari eksplan immature embrio
Pengaruh zat pengatur tumbuh terhadap pertambahan diameter kalus
embriogenik gandum (mm)
Pengaruh zat pengatur tumbuh terhadap pertambahan bobot kalus
embriogenik gandum (mg)
Bobot kalus embriogenik (KE) dan jumlah embrio somatik varietas
Dewata hasil proliferasi pada perbedaan konsentrasi ZPT dan jenis
media
Bobot kalus embriogenik (KE) dan jumlah embrio somatik varietas
Nias hasil proliferasi pada perbedaan konsentrasi ZPT dan jenis media
Total pertambahan diameter kalus gandum selama 6 minggu setelah
iradiasi sinar gamma (mm)
Pertambahan bobot kalus gandum (mg) pada 6 MSK setelah iradiasi
sinar gamma
Skoring perubahan warna kalus gandum hasil iradiasi sinar gamma
umur 6 MSK
Nilai LD20 dan LD50 kalus embriogenik tiga varietas gandum dari
eksplan immature embrio gandum hasil iradiasi sinar gamma
Pertambahan diameter kalus gandum selama 4 minggu setelah iradiasi
sinar gamma pada beberapa agen seleksi in vitro cekaman suhu tinggi
(mm)
Pertambahan bobot kalus selama 4 minggu setelah iradiasi sinar gamma
pada beberapa agen seleksi in vitro cekaman suhu tinggi (mg)
Persentase dan jumlah total kalus gandum yang bertahan hidup selama
4 minggu setelah iradiasi sinar gamma pada cekaman suhu tinggi
12
21
22
23
25
26
27
27
29
32
33
35
35
36
37
43
45
46
46
49
50
52
23 Karakteristik mutan putatif gandum toleran suhu tinggi yang dihasilkan
pada varietas Dewata
24 Pengaruh suhu dan varietas terhadap persentase daya berkecambah,
panjang akar dan jumlah akar tiga varietas gandum
25 Pengaruh suhu dan varietas terhadap jumlah daun dan panjang tunas
tiga varietas gandum
26 Pengaruh suhu dan varietas terhadap bobot basah, bobot kering tunas
dan akar tiga varietas gandum
27 Batas suhu tinggi beberapa tanaman
56
60
62
63
71
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Kerangka berfikir penelitian studi embriogenesis dan seleksi in vitro
gandum toleran terhadap cekaman suhu tinggi
Diagram alir tahap penelitian studi embriogenesis dan seleksi in vitro
gandum toleran terhadap cekaman suhu tinggi
Perbandingan
perkembangan
embriogenesis
zigotik
dengan
embriogenesis somatik pada tanaman dikotil dan monokotil
Model konsep mekanisme toleransi suhu tinggi yang dipengaruhi oleh
tiga faktor
Eksplan yang digunakan dalam induksi kalus gandum
Tipe kalus gandum yang terbentuk pada media induksi kalus
Skoring penutupan eksplan oleh kalus gandum
Perkembangan kalus gandum selama 8 MSK
Proporsi tipe kalus gandum yang berasal dari eksplan immature embrio
Embrio somatik varietas Dewata yang berasal dari beberapa media pada
umur 8 MSK
Proporsi tipe kalus gandum yang berasal dari eksplan mature embrio
Pengaruh jenis ekplan terhadap embriogenesis somatik gandum varietas
Dewata dan Selayar
Perkecambahan embrio somatik gandum
Proliferasi embrio somatik gandum
Jumlah embrio somatik gandum per fase histodiferensiasi
Tahapan perkembangan embrio somatik gandum dan histodiferensiasi
embrio di bawah mikroskop
Pertambahan diameter kalus pada uji radiosensitivitas tiga varietas
gandum
Skoring perubahan warna kalus gandum akibat iradiasi pada uji
radiosensitivitas
Grafik radiosensitivitas sinar gamma pada tiga varietas gandum
Perubahan warna kalus gandum akibat iradiasi dan cekaman suhu tinggi
Jumlah dan persentase perkecambahan embrio somatik setelah iradiasi
dan pengujian suhu tinggi varietas Dewata
Perkecambahan mutan putatif gandum pada varietas Dewata
Planlet mutan putatif toleran suhu tinggi hasil perkecambahan embrio
somatik.
Pertumbuhan kecambah gandum pada suhu tinggi
4
6
9
16
19
19
19
22
24
24
28
30
34
36
38
39
44
45
47
51
54
55
56
64
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
Komposisi media Murashige dan Skoog.
Penelitian embriogenesis somatik beberapa tanaman sereal.
Penelitian induksi mutasi beberapa tanaman sereal
Deskripsi gandum varietas Dewata dan Selayar
83
84
87
89
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Gandum (Triticum aestivum L.) merupakan salah satu tanaman pangan
utama yang ditanam hampir di seluruh dunia. Luas penanaman gandum mencakup
sekitar 30% areal penanaman sereal di dunia, dengan lebih dari 220 juta ha areal
budidaya (Cossani dan Reynolds 2012). Kebutuhan dan konsumsi gandum
masyarakat Indonesia sangat tinggi, hal ini ditunjukkan oleh impor pada tahun
2012 yang mencapai 6 300 000 ton (BPS 2013) setara dengan US$ 298 516 200
(Kemenperin 2013). Meningkatnya nilai impor mengindikasikan bahwa
permintaan pasar terhadap gandum semakin tinggi, yang berarti peluang dan
potensi pengembangannya di Indonesia sangatlah besar. Ketergantungan pangan
dari luar negeri dikhawatirkan mengancam ketahanan pangan khususnya berkaitan
dengan tanaman gandum.
Pengembangan tanaman gandum di Indonesia terkendala oleh berbagai hal
yaitu terbatasnya varietas yang beradaptasi terhadap lingkungan tropis. Di daerah
asalnya, gandum dibudidayakan pada suhu 8-20 oC dan menghendaki suhu 10-21
o
C sebagai suhu optimal untuk pertumbuhannya (Fischer dan Maurer 1978),
sehingga pengembangan dan budidaya gandum di Indonesia lebih sesuai
dilakukan di dataran tinggi (>900 m dpl) dengan suhu sekitar 22 °C.
Pengembangan tanaman gandum juga terhambat akibat terbatasnya lahan
penanaman di dataran tinggi, karena adanya persaingan dengan komoditas
hortikultura yang lebih memiliki nilai komersial. Selain itu terjadinya perubahan
iklim akibat pemanasan global juga menjadi kendala pengembangan gandum di
Indonesia. Peningkatkan suhu sekitar 1.8 sampai 5.8 oC diprediksi akan terjadi
diakhir abad ini (IPCC 2007), atau naik sekitar 1-3 oC dari keadaan suhu sekarang
berturut-turut pada tahun 2025 dan 2100 (Wahid et al. 2007). Strategi adaptasi
yang paling mendesak dilakukan untuk menanggulangi perubahan iklim dalam
dunia pertanian menurut World Development Report (2008) antara lain: menanam
varietas yang memiliki daya adaptasi tinggi dengan masa tanam yang lebih
singkat, mengubah masa tanam, selain itu diperlukan penelitian yang intensif
untuk perakitan varietas yang memiliki daya tahan tinggi terhadap kekeringan,
banjir dan peningkatan temperatur. Upaya yang dapat dilakukan untuk
pengembangan gandum di Indonesia adalah dengan perakitan varietas gandum
tropika yang dapat beradaptasi dengan baik di dataran menengah dan toleran
terhadap suhu yang lebih tinggi.
Penyediaan keragaman genetik dapat dilakukan dengan memanfaatkan
teknik kultur in vitro, yaitu dengan menginduksi keragaman yang berasal dari selsel somatik/keragaman somaklonal. Keragaman somaklonal yang dihasilkan
melalui teknik kultur jaringan memberikan bukti bahwa melalui perbanyakan
secara vegetatif memungkinkan diperolehnya individu baru yang tidak sama
seperti induknya. Keragaman somaklonal dipengaruhi oleh faktor fisiologi,
genetik dan biokimia (Jayasankar 2005). Keragaman juga dapat terjadi dengan
induksi mutasi menggunakan mutagen. Induksi mutasi merupakan metode yang
terbukti dapat menghasilkan keragaman genetik dalam bidang pemuliaan tanaman.
2
Teknik mutasi dapat digunakan untuk peningkatkan keragaman genetik
sehingga memungkinkan pemulia untuk melakukan seleksi pada genotipe sesuai
dengan tujuan yang dikehendaki. Mutagen yang biasanya digunakan dapat
digolongkan menjadi dua kelompok yaitu mutagen fisik dan mutagen kimia.
Mutagen fisik dapat berupa mutagen pengion yaitu sinar gamma, sinar x, sinar
beta, sinar alpha dan sinar ultraviolet, sedangkan mutagen kimia yang paling
umum digunakan adalah EMS (Ethyl methane sulfonate), DES (diethyl sulfonate),
EI (ethyleneimine), ENV (ethyl nitroso urethan), ENH (Ethyl nitroso urea) dan
MNH (methyl nitroso urea) (Jamsari 2008).
Iradiasi sinar gamma merupakan radiasi pengion yang mempunyai
kekuatan daya tembus tinggi yang dipancarkan oleh sumber dari 60Co, 137Cs.
Kemampuan penetrasi yang cukup kuat ke dalam jaringan tanaman ini dapat
menyebabkan perubahan baik pada tingkat gen maupun kromosom. Perubahan
yang terjadi dapat berupa delesi, duplikasi, insersi, dan translokasi. Terjadinya
perubahan pada gen maupun kromosom akan mengakibatkan perubahan pada
karakter tanaman (Shu et al. 2012).
Penggunaan sinar gamma sebagai mutagen untuk menginduksi mutasi dan
menghasilkan karakter-karakter tertentu yang diinginkan telah banyak dipejari.
Yusnita (2005) menginduksi variasi somaklonal dan melakukan seleksi in vitro
untuk resistensi penyakit busuk batang sclerotium pada tanaman kacang tanah
(Arachis hypogea L). El sayeed et al. (2007) mengunakan iradiasi sinar gamma
untuk meningkatkan toleransi cekaman salinitas pada tanaman gandum (Triticum
aestivum L.) secara in vitro. Ajijah (2009) mengaplikasikan induksi mutasi
menggunakan sinar gamma pada tanaman purwoceng (Pimpinella pruatjan
Molk.) untuk mendapatkan tanaman tahan terhadap suhu tinggi. Nur (2013)
melakukan iradiasi sinar gamma pada benih gandum (Triticum aestivum L.) untuk
peningkatan keragaman genetik dan toleransi terhadap suhu tinggi.
Perumusan Masalah
Ketahanan pangan nasional masih merupakan isu yang strategis bagi
Indonesia mengingat kecukupan produksi, distribusi dan konsumsi pangan
memiliki keterkaitan yang erat dengan masalah sosial, ekonomi dan politik. Oleh
karena itu, ketahanan pangan merupakan program utama dalam pembangunan
pertanian saat ini dan masa mendatang. Ketahanan pangan merupakan suatu
sistem yang terintegrasi yang terdiri atas berbagai subsistem, subsistem utamanya
adalah ketersediaan pangan, distribusi dan konsumsi pangan. Terwujudnya
ketahanan pangan merupakan sinergi dari interaksi ketiga subsistem tersebut.
Permasalahan pangan di Indonesia sangat komplek. Penurunan
pembangunan sektor pangan dan pertanian pasca reformasi menyebabkan
Indonesia mengalami kesulitan untuk memenuhi dan menjaga ketahanan pangan
nasional yang terlihat dari meningkatnya impor pada berbagai produk pertanian.
Gandum merupakan tanaman pangan yang kebutuhannya secara keseluruhan di
impor gandum dari luar negeri. Nilai impor yang tinggi dan memiliki
kecenderungan meningkat setiap tahunnya dikhawatirkan mengganggu stabilitas
dan ketahanan pangan nasional jika seandainya pasokan gandum impor berkurang.
Oleh karena itu diperlukan upaya yang serius untuk mengurangi nilai
impor dengan melakukan perakitan varietas gandum tropika yang mampu
3
beradaptasi pada lingkungan tropis dan memiliki toleransi terhadap suhu tinggi.
Program pemuliaan tanaman penting dilakukan untuk perbaikan genetik dan
karakter sehingga berpengaruh positif terhadap peningkatan kualitas, kuantitas
dan pengembangan gandum di Indonesia. Embriogenesis somatik memainkan
peranan yang sangat besar dalam perbanyakan tanaman. Integrasi dengan program
pemuliaan konvensional maupun teknik molekular/ bioteknologi memungkinkan
embriogenesis somatik menjadi suatu alat dalam peningkatan laju perbaikan
genetik tanaman. Kerangka berfikir penelitian disajikan pada Gambar 1.
Tujuan Penelitian
Secara umum penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan varian gandum
yang dapat dibudidayakan di dataran menengah (400-700 m dpl) dan toleran
terhadap suhu tinggi. Tujuan khusus penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mempelajari pengaruh berbagai jenis dan konsentrasi zat pengatur tumbuh
(ZPT) terhadap induksi kalus embriogenik dan embrio somatik pada
beberapa varietas gandum menggunakan eksplan immature dan mature
embrio.
2. Mendapatkan media proliferasi kalus embriogenik dan embrio somatik
yang optimum pada beberapa varietas gandum.
3. Mendapatkan nilai LD20 dan LD50 pada kalus embriogenik dari setiap
varietas gandum.
4. Mempelajari karakter morfologi kecambah gandum pada cekaman suhu
tinggi.
Manfaat Penelitian
1.
2.
3.
4.
Penelitian ini diharapkan dapat memperoleh protokol embriogenesis somatik
dari setiap varietas gandum meliputi metode induksi serta proliferasi kalus
embriogenik dan embrio somatik.
Penelitian ini diharapkan dapat memperoleh nilai radiosensitivitas kalus
embriogenik dari setiap varietas gandum yang akan digunakan sebagai dasar
untuk melakukan induksi mutasi dan seleksi in vitro.
Penelitian ini diharapkan dapat memperoleh mutan putatif yang memiliki
ketahanan terhadap suhu tinggi.
Penelitian ini diharapkan dapat memperoleh informasi ketahanan suhu tinggi
lebih awal menggunakan pengujian cepat fase kecambah benih dari setiap
varietas gandum.
Hipotesis Penelitian
1.
2.
Terdapat media induksi kalus embriogenik dan embrio somatik serta
media proliferasi embrio somatik yang optimal pada setiap varietas
gandum.
Terdapat nilai LD 20 dan LD50 kalus embriogenik dari setiap varietas
gandum.
4
3.
4.
Terdapat mutan putatif gandum yang toleran cekaman suhu tinggi.
Terdapat perbedaan karakter morfologi gandum fase kecambah pada
cekaman suhu tinggi.
Nilai impor
meningkat
Konsumsi
gandum tinggi
Pertambahan jumlah
penduduk
Pemborosan devisa negara
Program kemandirian
dan kedaulatan pangan
Perluasan areal penanaman
1 Perbaikan teknik
budidaya
2 Pengembangan varietas
unggul gandum tropika
Persaingan lahan
dataran tinggi
Perbaikan varietas
Pemanfaatan lahan di
dataran menengah
(400-700 m dpl)
Cekaman suhu tinggi
Bioteknologi
Variasi somaklonal
Induksi mutasi
Kultur in vitro
Rekayasa genetika
Konvensional
Introduksi
Hibridisasi
Seleksi in vitro dengan
inkubator suhu tinggi
Mutan putatif toleran suhu tinggi
Kandidat galur harapan
toleran suhu tinggi
Gambar 1 Kerangka berfikir penelitian studi embriogenesis dan seleksi in vitro
gandum toleran terhadap cekaman suhu tinggi
5
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian diawali dengan sterilisasi benih muda dan tua untuk
menghasilkan kultur asenik. Immature dan mature embrio diisolasi dari benih dan
dijadikan sebagai eksplan yang dikulturkan pada sepuluh jenis media induksi
kalus embriogenik dan embrio somatik. Proliferasi kalus embriogenik dilakukan
menggunakan tiga jenis media media. Tahap selanjutnya, embrio somatik yang
telah dihasilkan diproliferasikan pada dua jenis media, yaitu media padat dan cair
dengan komposisi ZPT yang berbeda. Proses perkecambahan embrio somatik dari
setiap media induksi kalus menjadi planlet menggunakan media MS tanpa ZPT
(MS0).
Percobaan induksi mutasi diawali dengan melakukan penentuan Lethal
Doses 20 (LD20) dan LD50 dengan perlakuan iradiasi sinar gamma pada lima
dosis iradiasi yaitu: 10, 20, 30, 40, 50 gray. Bahan yang digunakan adalah kalus
embriogenik varietas Dewata, Nias dan Selayar. Nilai radiosensitivitas (LD20 dan
LD50) yang diperoleh digunakan sebagai acuan dalam mutasi in vitro pada kalus
embriogenik. Kalus embriogenik yang telah diradiasi kemudian dipindahkan ke
media induksi, kemudian setelah tiga hari akan diseleksi pada tiga kondisi suhu
yang berbeda yaitu 25, 30, dan 35 oC selama 4 minggu. Embrio somatik yang
dihasilkan dari hasil seleksi in vitro akan dikecambahkan untuk menghasilkan
planlet mutan putatif. Planlet yang dihasilkan dikarakterisasi pada kondisi in vitro.
Percobaan selanjutnya yaitu uji cepat kecambah gandum terhadap cekaman suhu
tinggi. Bagan alir penelitian disajikan pada Gambar 2.
6
Penyiapan Immature dan mature seed tiga varietas gandum
(Dewata, Nias dan Selayar)
Sterilisasi immature dan mature seed
Penentuan radiosensitivitas, LD20 dan LD50 kalus
embriogenik varietas Dewata, Nias dan Selayar
(iradiasi sinar gamma dengan dosis 10, 20, 30, 40, dan
50 gray)
Mutasi induksi sinar gamma dan seleksi in vitro
ketahanan terhadap suhu tinggi (menggunakan agen
seleksi cekaman suhu (25, 30, 35 oC)
Benih tiga varietas gandum (Dewata,
Selayar dan Nias)
Induksi kalus embriogenik dan embrio
somatik pada 10 jenis media
Proliferasi kalus embriogenik pada 3
komposisi media
Proliferasi embrio somatik pada 2 jenis
media (padat dan cair)
Perkecambahan embrio somatik hasil seleksi in vitro
menjadi planlet utuh (MS tanpa ZPT)
Perkecambahan embrio somatik
Uji cepat cekaman suhu tinggi fase
kecambah (25, 30 dan 35 oC)
Informasi dan uji cepat skrining
gandum terhadap cekaman suhu tinggi
Protokol embriogenesis somatik
Karakterisasi mutan putatif planlet
Mutan putatif gandum toleran terhadap
suhu tinggi
Gambar 2 Diagram alir tahap penelitian studi embriogenesis dan seleksi in vitro gandum toleran terhadap cekaman suhu tinggi
7
2 TINJAUAN PUSTAKA
Botani Tanaman Gandum
Budidaya tanaman gandum telah berkembang sejak 7500- 6500 sebelum
masehi (SM) di daerah Timur Tengah, 5000 SM di sekitar sungai Nil dan 3000
SM di Cina. Negara produsen utama gandum adalah Rusia, USA, Cina, India,
Perancis, dan Kanada. Tahun 1529 Spanyol memperkenalkan gandum ke Amerika
yang merupakan benua baru (Briggle 1980). Masyarakat prasejarah sudah
mengenal gandum dan berbagai biji-bijian lainnya sebagai sumber makanan.
Berdasarkan penggalian arkeolog diperkirakan gandum berasal dari daerah sekitar
laut merah dan laut mediterania, yaitu daerah sekitar Turki, Syam, Irak, dan Iran
(Sleper dan Poehlman 2006).
Gandum termasuk divisi Spermatophyta, kelas Angiospermae, subkelas
Monocotylodenae, ordo Graminae, famili Poaceae, dan genus Triticum. Spesiesspesies yang termasuk di dalam genus Triticum dikelompokkan ke dalam tiga kelas
ploidi yaitu diploid (2n=2x=14), tetraploid (2n=4x= 28) dan heksaploid (2n=6x=42).
Saat ini terdapat 11 spesies diploid, 12 spesies tetraploid, dan 6 spesies heksaploid
yang sudah diidentifikasi dan dideskripsikan (Sleper dan Poehlman 2006). Namun
hanya dua spesies dari genus Triticum yang memiliki nilai ekonomis penting yaitu
Triticum aestivum L. dan Triticum turgidum L.. Triticum aestivum L. merupakan
gandum yang umum dikenal yang dimanfaatkan untuk bahan baku roti. Triticum
turgidum L. yang dikenal dengan gandum durum digunakan untuk membuat pasta.
Sleper dan Poehlman (2006) mengklasifikasikan gandum berdasarkan kegunaannya
yang meliputi gandum keras (hard wheat) yang memiliki kandungan gluten dan
protein tinggi serta cocok untuk pembuatan roti, gandum lunak (soft wheat) yang
memiliki kandungan gluten dan protein yang lebih rendah, cocok untuk pembuatan
kue-kue kering, biskuit, dan crackers, dan gandum durum yang memiliki kandungan
gluten dan protein sangat rendah, cocok untuk pembuatan macaroni dan spaghetti.
Gandum termasuk tanaman semusim yang menyerbuk sendiri (selfpolinated), penyerbukan silang hanya 1-4% yang biasanya disebabkan oleh angin
atau serangga. Bunga-bunganya bermekaran pada pertengahan pagi menjelang
siang. Kemampuan reseptif stigma berkisar 4-13 hari sedangkan viabilitas serbuk
sari hanya sekitar 30 menit. Kondisi masak fisiologis dicapai apabila kandungan
kelembaban dari keseluruhan bulir yang terbentuk telah menurun antara 25-35%
(Ginkel dan Villareal 1996).
Tanaman gandum memiliki batang beruas (sekitar 6 ruas) dan berongga
dan berakar serabut seperti tanaman padi. Daun tanaman gandum tumbuh
tegak/melengkung (tergantung varietas) dan berbentuk pita. Daun yang sudah tua
akan mengering dan berwarna kecoklatan. Kumpulan bunga pada gandum
(spikelets) bertumpuk satu sama lain pada malai. Tiap spikelet terdiri dari
beberapa bulir dan kulit ari (lemma dan palea). Biasanya setiap spikelet akan
menghasilkan dua sampai tiga biji (kernel). Tiap bulir memiliki batang yang
sangat kecil yang disebut rachilla. Bunga gandum memiliki tiga anther dan dua
stigma dengan sebuah ovarium. Lemma, palea dan keseluruhan alat kelamin (yang
nantinya menjadi biji atau kernel) tersebut merupakan satu kesatuan bunga (floret)
(Sleper dan Poehlman 2006).
8
Umumnya, kernel berbentuk oval dengan panjang 6-8 mm dan diameter 23 mm. Seperti jenis serealia lainnya, gandum memiliki tekstur yang keras. Biji
gandum terdiri dari tiga bagian yaitu bagian kulit (bran), bagian endosperma, dan
bagian lembaga (germ). Bagian kulit dari biji gandum sebenarnya tidak mudah
dipisahkan karena merupakan satu kesatuan dari biji gandum tetapi bagian kulit
ini biasanya dapat dipisahkan melalui proses penggilingan (Ginkel dan Villareal
1996).
Bran merupakan kulit luar gandum dan terdapat sebanyak 14.5% dari total
keseluruhan gandum. Bran terdiri dari 5 lapisan yaitu epidermis (3.9%), epikarp
(0.9%), endokarp (0.9%), testa (0.6%), dan aleuron (9%). Bran memiliki
kandungan protein dan kadar serat tinggi sehingga baik dikonsumsi ternak besar.
Epidermis merupakan bagian terluar biji gandum, mengandung banyak debu yang
apabila terkena air akan menjadi liat dan tidak mudah pecah. Fenomena inilah
yang dimanfaatkan pada penggilingan gandum menjadi tepung terigu agar lapisan
epidermis yang terdapat pada biji gandum tidak hancur dan mengotori tepung
terigu yang dihasilkan. Endosperma merupakan bagian terbesar dari biji gandum
(80-83%) yang banyak mengandung protein dan pati. Pada proses penggilingan,
bagian inilah yang akan diambil sebanyak banyaknya untuk diubah menjadi
tepung terigu dengan tingkat kehalusan tertentu (Ginkel dan Villareal 1996).
Kultur Jaringan
Kultur jaringan adalah suatu metode untuk mengisolasi bagian dari
tanaman seperti protoplasma, sel, jaringan dan organ yang kemudian
menumbuhkannya dalam lingkungan yang aseptik, sehingga bagian-bagian
tanaman tersebut dapat memperbanyak diri dan beregenerasi menjadi tanaman
utuh kembali. Salah satu penerapan kultur jaringan adalah perbanyakan mikro.
Perbanyakan mikro secara umum dapat diartikan sebagai usaha menumbuhkan
bagian tanaman dalam media aseptik dan memperbanyaknya hingga
menghasilkan tanaman sempurna. Tujuan utama penerapan perbanyakan mikro
adalah produksi tanaman dalam jumlah besar dalam waktu yang singkat terutama
untuk varietas-varietas unggul serta memperoleh tanaman yang terbebas dari
serangan patogen. Eksplan yang ditanam pada media tumbuh yang tepat dapat
beregenerasi melalui proses yang disebut organogenesis atau embriogenesis
(Neumann et al. 2009).
Perbanyakan secara kultur jaringan bertujuan untuk memproduksi tanaman
dalam jumlah besar pada waktu singkat, tanpa memerlukan tempat yang luas,
penanaman tidak tergantung musim, bibit yang dihasilkan lebih sehat dan
memungkinkan terjadinya manipulasi genetik. Menurut Gray (2005) teknik kultur
jaringan mempunyai dua kegunaan utama yaitu untuk perbanyakan klonal yang
akan menghasilkan propagula bermutu dan perbaikan karakter tanaman untuk
menghasilkan kultivar baru yang lebih unggul sesuai dengan program perbaikan
pemuliaan yang dikehendaki.
9
Embriogenesis Somatik
Embriogenesis somatik merupakan metode perbanyakan masal yang
banyak diterapkan pada berbagai macam tanaman. Menurut Corredoira et al.
(2006), pemahaman tentang embriogenesis tanaman penting diketahui yaitu
melalui pengamatan proses seluler yang mendasari diferensiasi. Hal tersebut akan
bermanfaat untuk memperoleh metode yang tepat pada aplikasi perbanyakan bibit
secara masal, kryopreservasi, induksi mutasi dan transformasi genetik.
Kultur jaringan memungkinkan regenerasi sel somatik melalui dua
alternatif jalur yaitu organogenesis dan embriogenesis somatik. Organogenesis
adalah pembentukan tunas adventif secara langsung dari eksplan yang
menghasilkan struktur unipolar, sedangkan embriogenesis somatik adalah proses
regenerasi sel somatik yang membelah dan berkembang menjadi struktur bipolar
atau embrio. Struktur unipolar terdiri atas tunas atau akar yang terpisah jaringan
pembuluhnya, sedangkan struktur bipolar terdiri atas meristem tunas dan akar
yang padu (Gunawan 1992).
Menurut Davies (2004) embrio somatik dapat terbentuk melalui 2 cara
yaitu embriogenesis secara langsung dan tidak langsung. Embriogenesis langsung
terjadi pada saat embrio terbentuk langsung dari jaringan eksplan atau Pre
Embryonically Determined Cells (PEDC). Embriogenesis tidak langsung terjadi
melalui fase kalus atau kultur suspensi yang biasa disebut Induced Embryonically
Determined Cells (IEDC). Menurut Rose et al. (2010) tahap perkembangan
embrio somatik dan embrio zigotik memliki pola yang sama yaitu dimulai dari
fase globular, hati, torpedo dan planlet untuk tanaman dikotil dan globular, hati,
scutelar dan coleoptilar pada monokotil (Gambar 3).
Gambar
3
Perbandingan perkembangan embriogenesis zigotik dengan
embriogenesis somatik pada tanaman dikotil dan monokotil (Greer
2008)
Embriogenesis somatik memainkan peranan penting dalam perbanyakan
klonal secara in vitro. Ketika dikaitkan dengan program pemuliaan konvensional,
molekular dan bioteknologi, embriogenesis somatik memberikan sesuatu yang
bernilai untuk meningkatkan laju perbaikan genetik tanaman. Embriogenesis
10
somatik menjadi sebuah hal yang sangat penting dalam mempelajari dan
menganalisis berbagai peristwa biokimia dan molekuler, sehingga memiliki nilai
potensial yang besar bagi ilmu biologi dan pertanian. Gray (2005) menyatakan
bahwa sel/jaringan somatik pada kondisi normal akan berkembang menjadi
jaringan parenkim, tetapi dapat beralih menjadi embriogenik pada kondisi khusus.
Embrio mampu diinduksi dari sel somatik diduga karena dikendalikan oleh gen
dan adanya kemampuan totipotensi sel untuk tumbuh menjadi tanaman lengkap.
Wattimena (1992) menyebutkan bahwa kemampuan jaringan eksplan membentuk
kalus dan laju pertumbuhan kalus dapat berbeda-beda pada setiap tanaman.
Kemampuan jaringan membentuk kalus dan laju pertumbuhan kalus tergantung
pada media, ZPT yang digunakan dan faktor lingkungan lainnya.
Menurut Purnamaningsih (2002), faktor yang mempengaruhi pembentukan
embrio somatik adalah: 1) Jenis eksplan, penggunaan eksplan yang bersifat
meristematik umumnya memberikan keberhasilan pembentukan embrio somatik
yang lebih tinggi. Eksplan yang digunakan dapat berupa aksis embrio zigotik
muda dan dewasa, kotiledon, mata tunas, epikotil maupun hipokotil. Eksplan yang
digunakan dapat berbeda tergantung jenis tanaman dan tahap perkembangan dari
eksplan. 2) Sumber nitrogen, embriogenesis somatik mengalami proses
perkembangan morfologi seperti yang terjadi pada embrio zigotik. Faktor yang
penting dalam induksi dan perkembangan embriogenesis somatik adalah
komposisi nutrisi pada media kultur. Nitrogen merupakan faktor utama dalam
memacu morfogenesis secara in vitro. 3) Gula, gula merupakan salah satu
komponen organik yang harus diberikan ke dalam media tumbuh. Gula berfungsi
disamping sebagai sumber karbon, juga berguna untuk mempertahankan tekanan
osmotik media. 4) ZPT.
Pemuliaan Mutasi
Upaya perbaikan kuantitas dan kualitas suatu varietas tanaman dapat
ditempuh melalui program pemuliaan tanaman. Pemuliaan tanaman bertujuan
untuk memperbaiki karakter tanaman sehingga menjadi lebih unggul dalam
beberapa sifat dibandingkan dengan tanaman asalnya, misalnya tanaman menjadi
lebih tahan terhadap serangan hama dan penyakit, tahan terhadap cekaman
lingkungan, berproduksi lebih tinggi dan memiliki kandungan gizi yang lebih baik
(Shu et al. 2012).
Pemuliaan tanaman merupakan pekerjaan yang berkesinambungan mulai
dari proses peningkatan keragaman genetik tanaman, dilanjutkan dengan seleksi,
pemurnian benih, pengujian hingga pelepasan varietas unggul tanaman. Adanya
keragaman genetik yang tinggi sangat diharapkan dalam program pemuliaan
tanaman sehingga peluang keberhasilan dalam proses seleksi tanaman unggul
menjadi lebih besar. Metoda yang umum digunakan dalam upaya peningkatan
keragaman genetik tanaman melalui program pemuliaan adalah melalui introduksi,
hibridisasi, bioteknologi, induksi mutasi dan rekayasa genetika (Shu et al. 2012).
Mutasi atau perubahan materi genetik dapat dideteksi dengan melihat
perubahan pada tingkat struktur gen atau perubahan pada tingkat ekspresinya.
Untuk melihat perubahan tersebut dapat dilakukan dengan membandingkan antara
mutan dan wild type. Perubahan dapat terlihat pada tingkat morfologi yang terlihat
oleh mata telanjang atau dengan berbasis molekular dengan menggunakan marka
11
molekular. Secara umum penampilan mutan dapat dilihat dengan tiga cara:
perbedaan morfologi, perbedaan tingkat biokimia dan molekular, dan perbedaan
tingkat adaptasi terhadap lingkungan tumbuh. Hasil mutasi yang paling mudah
dilihat bila terjadi perubahan morfologi seperti bentuk, ukuran dan warna (Jusuf
2001).
Menurut Shu et al. (2012) mutagen yang sering digunakan terbagi menjadi
tiga yaitu: 1) radiasi pengionan, 2) radiasi non pengionan, 3) radiasi menggunakan
bahan kimia. Mutagen kimia yang banyak digunakan oleh pemulia adalah yang
berasal dari kelompok alkylating agents. Senyawa ini mengandung satu atau lebih
kelompok alkil reaktif yang dapat ditransfer ke molekul lain pada posisi dimana
kerapatan elektronnya tinggi. Alkylating agents ini akan bereaksi dengan DNA
dengan cara mengalkilasi kelompok fosfat, termasuk basa-basa purin dan
pirimidin. Mutagen kimia yang biasa digunakan diantaranya adalah EMS (ethyl
methane sulphonate), DES (diethylsulfate), El (ethylenimine), NMUT (nitroso
methyl urethane), NMU (nitro methyl urea), NEUT (nitrose ethyl urethane) dan
NEU (nitrose ethyl urea).
Mutasi berdasarkan tingkatan terjadinya dapat digolongkan menjadi
mutasi genom, mutasi kromosom, mutasi gen dan mutasi diluar inti sel. Mutasi
genom disebabkan karena terjadinya perubahan jumlah dari genom tanaman,
misalnya akibat euploid maupun aneuploid. Mutasi kromosom diakibatkan karena
pecahnya benang kromosom (chromosome breakage). Perubahan yang terjadi
pada struktur kromosom tanaman digolongkan dalam empat macam proses yaitu:
1) Duplikasi yaitu terjadinya penambahan segmen kromosom, 2) Delesi yaitu
terjadinya pengurangan segmen kromosom, 3) Inversi yaitu pemutaran segmen
kromosom, 4) Translokasi yaitu pindah silang antar kromosom nonhomolog
(Aisyah 2006).
Iradiasi Sinar Gamma
Teknologi nuklir berperan dalam pemuliaan tanaman terutama terkait
dengan kemampuannya untuk menimbulkan mutasi. Kemampuan tersebut
dikarenakan tenaga nuklir memiliki energi yang cukup tinggi sehingga jika sinar
tersebut memapar pada materi genetik akan menimbulkan perubahan struktur pada
komposisi pada materi genetik. Mutasi adalah perubahan yang terjadi pada materi
genetik sehingga menyebabkan perubahan ekspresi. Perubahan dapat terjadi pada
tingkat pasangan basa, tingkat satu ruas DNA, bahkan pada tingkat kromosom
(Jusuf 2001).
Menurut Shu et al. (2012), induksi mutasi berkontribusi dalam
meningkatkan keragaman genetik tanaman. Frekuensi mutasi juga dapat
ditingkatkan dengan teknik induksi mutasi menggunakan mutagen. Penggunaan
mutagen fisik pada tanaman sangat dianjurkan dibandingkan dengan mutagen
kimia, karena frekuensi mutasinya yang tinggi dan tidak menghasilkan limbah
yang bersifat karsinogenik. Berbagai mutagen fisik secara khas dibedakan dari
tipe radiasinya. Sinar Gamma merupakan salah satu mutagen yang sering
digunakan oleh pemulia tanaman. Penggunaan sinar gamma sebagai alternatif
dalam pemuliaan mutasi fisik dikarenakan memiliki penetrasi yang lebih tinggi
dibandingkan dengan sinar X ataupun sinar lainnya, serta secara global terbukti
12
paling efektif dalam menghasilkan varietas mutan unggul berbagai jenis tanaman.
Berbagai macam tipe radiasi pengion dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1 Tipe, sumber dan deskripsi berbagai macam iradiasi pengion
Tipe radiasi
Sinar X
Sumber
Mesin X-ray
Deskripsi
Radiasi
elektromagnetik
Energi
50-300
keV
Resiko
Berbahaya
Penetrasi
Beberapa
mm-cm
Sinar Gamma
Radioisotop
Radiasi
elektromagnetik
Beberapa
MeV
Berbahaya
Seluruh
bagian
Neutron
Reaksi nuklir
Hanya dapat dilihat
jika berintekasi
dengan inti
1 evMeV
Sangat
beresiko
Banyak
cm
Beta (Sinar
katoda)
Isotop
radioaktif
Elektron kurang rapat
dibandingkan alpha
Beberapa
MeV
Berbahaya
Beberapa
cm
Partikel alpha
Radioisotop
Inti helium, ion berat
2-9 MeV
Sangat
berbahaya
Beberapa
mm
Proton/
deuteron
Reaksi nuklir
Inti hidrogen
Beberapa
GeV
Sangat
berbahaya
Banyak
cm
Ion beams
energi rendah
Percepatan
partikel
Inti ion dari
bermacam elemen
Beberapa
KeV
Berbahaya
Beberapa
mm
Ion beams
energi tinggi
Percepatan
partikel
Inti ion dari
bermacam elemen
Diatas
GeV
Berbahaya
Beberapa
cm
Sumber : Shu et al. (2012).
Iradiasi sinar gamma merupakan teknologi radiasi bagian dari teknologi
nuklir yang menggunakan radioisotop. Dibandingkan mutagen kimia, radioisotop
memiliki kelebihan sifat fisik yaitu memancarkan sinar radioaktif. Keberhasilan
perlakuan iradiasi sangat ditentukan oleh sensitivitas genotipe yang diiradiasi
terhadap dosis radiasi yang diberikan. Tingkat sensitivitas tanaman dipengaruhi
oleh jenis tanaman, fase tumbuh, ukuran, dan bahan yang akan dimutasi, serta
sangat bervariasi antar jenis tanaman dan antar genotype. Shu et al. (2012)
menyatakan bahwa semakin banyak kadar oksigen dan molekul air (H2O) berada
dalam materi yang diradiasi, maka semakin banyak pula radikal bebas yang
terbentuk sehingga materi menjadi semakin sensitif.
Sensitivitas terhadap radiasi dapat diukur berdasarkan nilai LD50 (lethal
dose 50) yaitu dosis yang menyebabkan kematian 50% dari populasi tanaman
yang diradiasi. Dalam induksi mutasi, beberapa studi menunjukkan bahwa dosis
optimum yang dapat menghasilkan mutan dengan tingkat keragaman tertinggi
umumnya diperoleh disekitar LD50 (Datta 2001). Untuk mendapatkan nilai LD50
digunakan program best curve-fit analysis, yaitu satu program analisis statistik
yang dapat digunakan untuk mencari persamaan model terbaik. Dosis iradiasi
sinar gamma dapat diukur dalam satuan Gray (Gy), 1 Gy sama dengan 0.10 krad
yakni 1 J energi per kg iradiasi yang dihasilkan. Dosis iradiasi juga merupakan
salah satu faktor penentu perlakuan radiasi. Dosis yang tinggi dapat
mengakibatkan kematian, sedangkan pada dosis rendah umumnya hanya
13
menyebabkan perubahan abnormal pada fenotipe tanaman. Pengaruh dosis radiasi
terhadap persen kematian, pertumbuhan, dan fertilitas telah banyak dilaporkan.
Penelitian yang dilakukan oleh Puchooa (2005) mengenai iradiasi sinar gamma
pada tanaman Anthurium menyatakan dosis iradiasi sekitar 15 Gy menyebabkan
kematian 50% pada kalus. Mahadevamma et al. (2012) menunjukkan dosis
iradiasi sebesar 30 Gy menyebabkan sekitar 50% kalus pepaya mengalami
kematian yang ditunjukkan oleh perubahan warna dan berhentinya pertumuhan
kalus. Sejalan dengan itu penelitian Ling et al. (2008) menyatakan LD50 kalus
jeruk sekitar 27 Gy. Efek iradiasi sinar gamma sangat dipengaruhi oleh jenis
tanaman, variteas serta kandungan air dan oksigen pada sel kalus.
Terdapat beberapa teknik yang biasa digunakan dalam pengaplikasian
induksi mutasi dengan mutagen fisik (radiasi), yaitu (a) iradiasi tunggal (acute
irradiation), (b) chronic irradiation, (c) Iradiasi terbagi (fractionated irradiation),
dan (d) Iradiasi berulang. Teknik iradiasi tunggal (acute irradiation) dilakukan
dengan cara pemberian dosis secara sekaligus dalam satu kali penembakan
iradiasi. Chronic irradiation adalah teknik iradiasi dengan cara memberikan dosis
iradiasi yang sangat rendah secara terus menerus dalam waktu beberapa bulan.
Teknik iradiasi terbagi (fractionated irradiation) dapat dilakukan dengan
pemberian dosis iradiasi sebanyak dua kali, dimana tiap perlakuan diberikan
setengah dosis. Sedangkan teknik iradiasi berulang adalah teknik iradiasi yang
dilakukan melalui pemberian dosis secara berulang dengan jarak waktu yang tidak
terlalu lama (intermittent irradiation) atau dapat pula diberikan dengan jarak
waktu yang cukup lama (recurrent irradiation) (Aisyah 2006).
Pengaruh Cekaman Suhu Tinggi dan Mekanisme Ketahanannya
Peningkatan suhu sangat berpengaruh pada fase pertumbuhan vegetatif
dan reproduktif tanaman gandum. Phasad et al. (2008) mengemukakan bahwa
cekaman suhu tinggi diatas 22 oC secara signifikan menurunkan hasil panen
gandum, suhu tinggi selama masa antesis dapat menyebabkan aborsi dari floret,
meningkatkan sterilitas polen, dehidrasi jaringan, menu
MELALUI IRADIASI SINAR GAMMA SECARA IN VITRO
UNTUK TOLERANSI TERHADAP SUHU TINGGI
RYAN BUDI SETIAWAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Induksi Mutasi Tanaman
Gandum (Triticum aestivum L.) Melalui Iradiasi Sinar Gamma Secara In vitro
Untuk Toleransi Terhadap Suhu Tinggi adalah benar karya saya dengan arahan
dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2015
Ryan Budi Setiawan
A253120061
RINGKASAN
RYAN BUDI SETIAWAN. Induksi Mutasi Tanaman Gandum (Triticum aestivum
L.) Melalui Iradiasi Sinar Gamma Secara In vitro Untuk Toleransi Terhadap Suhu
Tinggi. Dibimbing oleh NURUL KHUMAIDA dan DINY DINARTI.
Dalam rangka mengurangi tingginya nilai impor gandum perlu dilakukan
upaya penanaman dengan tetap memperhatikan faktor kesesuaian lingkungan.
Program pemuliaan tanaman penting dilakukan untuk perbaikan genetik dan
karakter sehingga berpengaruh positif terhadap peningkatan kualitas, kuantitas
dan pengembangan gandum di Indonesia. Embriogenesis somatik memainkan
peranan yang sangat besar dalam perbanyakan tanaman. Integrasi dengan program
pemuliaan konvensional maupun teknik molekular/bioteknologi memungkinkan
embriogenesis somatik menjadi suatu alat untuk meningkatan laju perbaikan
genetik tanaman. Syarat utama dalam melakukan rekayasa genetik tanaman secara
in vitro adalah kemampuan untuk menumbuhkan sel somatik dalam kondisi steril
pada media pertumbuhan dan meregenerasikannya menjadi tanaman utuh.
Salah satu kendala pengembangan tanaman gandum di Indonesia adalah
terbatasnya varietas yang beradaptasi terhadap lingkungan tropis. Terjadinya
perubahan iklim akibat pemanasan global yang menyebabkan suhu permukaan
bumi diperkirakan akan meningkat sekitar 0.3 oC per dekade. Persaingan lahan di
dataran tinggi dengan tanaman hortikultura juga menghambat pengembangan
gandum di Indonesia. Oleh karena itu perlu dilakukan upaya perakitan varietas
gandum tropika yang mampu beradaptasi di dataran menengah (400-700 mdpl)
dan toleran terhadap suhu tinggi. Pemuliaan tanaman menggunakan teknik mutasi
melalui iradiasi sinar gamma dapat digunakan untuk peningkatan dan perbaikan
genetik tanaman.
Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk memperoleh galur mutan
gandum yang memeliki toleransi terhadap suhu tinggi. tujuan khusus penelitian
ini adalah: mendapatkan metode induksi kalus embriogenik, embrio somatik dan
proliferasi dari tiga varietas gandum (Dewata, Selayar dan Nias), menentukan
nilai radiosensitivitas yang akan digunakan sebagai dasar induksi mutasi melalui
iradiasi sinar gamma pada kalus embriogenik, serta melakukan uji cepat
ketahanan suhu tinggi fase kecambah pada tiga varietas gandum. Embrio muda
dan tua digunakan sebagai eksplan. Media dasar MS dengan penambahan
kombinasi zat pengatur tumbuh (ZPT) 2.4D, picloram dan NAA digunakan dalam
studi embriogenesis somatik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa media induksi
kalus embriogenik terbaik adalah media dasar MS dengan penambahan kombinasi
ZPT 2.0 mg L-1 2.4D + 1.0 mg L-1 picloram dengan persentase pembentukan kalus
embriogenik sebesar 60% pada varietas Dewata menggunakan eksplan immature
embrio (embrio muda).
Media proliferasi embrio somatik terbaik adalah media MS cair dengan
kombinasi ZPT 1.0 mg L-1 2.4D + 0.5 mg L-1 picloram pada Dewata yang
menghasilkan 31.25 embrio globular dan media 0.5 mg L -1 2.4D + 0.25 mg L-1
picloram pada Nias yang menghasilkan 15.50 embrio globular. Dewata
merupakan varietas yang paling responsif untuk menghasilkan embrio somatik
dengan frekuensi perkecambahan planlet normal sebesar 79.46%. Penentuan nilai
radiosensitivitas menggunakan lima dosis iradiasi sinar gamma (10, 20, 30, 40 dan
50 Gy). Seleksi ketahanan terhadap suhu tinggi dilakukan menggunakan inkubator
pada suhu 25, 30 dan 35 oC. Nilai radiosensitivitas yang diperoleh bervariasi
untuk setiap varietas yang berkisar (LD20: 7.79-18.96 Gy, LD50: 24.29-33.63 Gy).
Selayar merupakan varietas yang memiliki nilai sensitivitas lebih tinggi
dibandingkan Dewata dan Nias. Meningkatnya dosis iradiasi dan suhu seleksi
menurunkan bobot, diameter dan daya hidup kalus embriogenik, jumlah embrio,
serta persentase planlet yang berkecambah. Berdasarkan seleksi in vitro
menggunakan suhu tinggi (25, 30 dan 35 oC) diperoleh 19 planlet mutan putatif
yang berasal dari embrio somatik yang muncul pada permukaan kalus
embriogenik yang bertahan hidup pada varietas Dewata. Uji cepat ketahanan suhu
tinggi pada fase kecambah dari tiga varietas gandum menunjukkan bahwa
meningkatnya suhu hingga 35 oC mempengaruhi semua peubah yang diamati
meliputi persentase daya berkecambah, panjang akar, jumlah akar, jumlah daun,
panjang tunas, bobot basah tunas dan akar. Bedasarkan pengujian cepat tahap
kecambah menunjukkan varietas selayar memiliki tingkat toleransi lebih baik
terhadap suhu tinggi dibandingkan dengan varietas lainnya.
Kata kunci : Embrio somatik, Mutan putatif, Radiosensitivitas, Seleksi in vitro
SUMMARY
RYAN BUDI SETIAWAN. Mutation Induction of Wheat (Triticum aestivum L.)
through Gamma Ray Irradiation by In vitro culture for High Temperature
Tolerance. Supervised by NURUL KHUMAIDA and DINY DINARTI
In order to reduce the high import value of wheat, it is necessary to
planting with regard to the environmental suitability factors. Ultilization of plant
breeding programs for genetic improvement give positive effect to improving the
quality and quantity of wheat development in Indonesia. Somatic embryogenesis
plays a large role in the plant propagation. Integration with conventional breeding
and molecular engineering/biotechnology, allows somatic embryogenesis become
a tool to increase the rate of plant genetic improvement. The main requirement in
genetic modified plants as in vitro is the ability to regenerate somatic cells under
sterile conditions in growth media and regenerate into whole plants.
One of the problem to developing wheat in Indonesia is limited varieties
adapted to tropical environments. Climate change by global warming causes the
earth's surface temperature is expected to rise about 0.3 oC per decade.
Competition in the highland area with horticultura crops also inhibits the wheat
development in Indonesia. Therefore, necessary to assembly of tropical wheat
varieties which are able to adapt in the middle area (400-700 meter above sea
level) and tolerant for high temperatures. The technique mutation through gamma
ray irradiation may be used for plant genetic improvement.
The general objective of this research was to obtain wheat promising lines
tolerant to high temperature. Specifically, this study has objectives that include the
following: to obtain the methods for embryogenic callus, somatic embryo
induction, proliferation and regeneration of three wheat variety (Dewata, Selayar
and Nias), to obtain the radiosensitivity value that will be use as basic for
mutation induction through gamma ray irradiation on embryogenic callus, to
obtain the information about effect of high temperature for wheat sprout. Mature
and immature embryos used as explants. MS with the addition plant growth
regulator 2.4D, picloram and NAA used in the medium.
The best embryogenic callus induction medium on Dewata obtained by
MS medium with the addition plant growth regulator 2 mg L-1 24D + 1 mg L-1
resulted the percentage embryogenic callus about 60% use immature embryo as
explans. The best medium proliferation of somatic embryos obtained by liquid
MS basal medium with plant growth regulator 1 mg L-1 2.4D + 0.5 mg L-1
picloram on Dewata resulted 31.25 globular embyo and 0.5 mg L -1 2.4D + 0.25
mg L-1 picloram on Nias resulted 15.50 globular embryo. Dewata is the most
responsive varietiy to produce somatic embryos with normal planlet germination
of 79.46%. Radiosensitivity test used five irradiation doses (10, 20, 30, 40 and 50
gray). Level gamma irradiation radiosensitivity from embryogenic callus are
different among three wheat varieties (LD20: 7.79-18.96 gray, LD50: 24.29-33.63
gray).
Variety Selayar has highest sensitivity value compared with Dewata and
Nias. Increasing doses of iradiation and temperature decrease the embryogenic
callus viability, embryo number, and percentage germinated plantlet. Based on in
vitro selection using high temperature (25, 30 and 35 oC) obtain 19 putative
mutants were derived from embryos in embryogenic callus survival after
irradiation and high temperature selection. Testing the high temperature in phase
of the three varieties of wheat sprouts showed that increasing the temperature to
35 °C greatly affects all observed variables include the percentage of germination,
root length, number of roots, number of leaves, length of the shoots, fresh weight
of the shoots and roots. Selayar is varietie which indicates the level of tolerance to
high temperatures compared with other varieties.
Keywords: In vitro selection, Mutant putative, Radiosensitivity, Somatic embryo,
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
INDUKSI MUTASI TANAMAN GANDUM (Triticum aestivum L.)
MELALUI IRADIASI SINAR GAMMA SECARA IN VITRO
UNTUK TOLERANSI TERHADAP SUHU TINGGI
RYAN BUDI SETIAWAN
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada Program Studi Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr Sintho Wahyuning Ardie, SP MSi
Judul Tesis : Induksi Mutasi Tanaman Gandum (Triticum aestivum L.) Melalui
Iradiasi Sinar Gamma Secara In vitro Untuk Toleransi Terhadap
Suhu Tinggi
Nama
: Ryan Budi Setiawan
NIM
: A253120061
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Ir Nurul Khumaida, MSi
Ketua
Dr Ir Diny Dinarti, MSi
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Pemuliaan dan Bioteknologi Tanaman
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Yudiwanti Wahyu EK, MS
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian :
19 November 2014
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia dan nikmat-Nya sehingga tesis ini berhasil diselesaikan. Shalawat
dan salam tercurah untuk Rasulullah Muhammad SAW atas semua perjuangan
dan dakwah beliau. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak
bulan Maret 2013 sampai Agustus 2014 ini adalah Induksi Mutasi Tanaman
Gandum (Triticum aestivum L.) Melalui Iradiasi Sinar Gamma Secara In vitro
Untuk Toleransi Terhadap Suhu Tinggi. Dengan terselesaikannya penulisan tesis
ini, penulis ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1.
Dr Ir Nurul Khumaida MSi dan Ibu Dr Ir Diny Dinarti MSi selaku komisi
pembimbing yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, motivasi dan
nasehat demi terselesaikannya tesis ini.
2. Dr Ir Yudiwanti Wahyu EK MS selaku ketua mayor Pemuliaan dan
Bioteknologi Tanaman dan Seluruh Dosen, karyawan serta teknisi atas semua
Ilmu dan bantuannya.
3. Dr Sintho Wahyuning Ardie SP MSi selaku penguji luar komisi atas semua
kritik dan sarannya.
4. Prof Dr Ir Irfan Suliansyah MS, Prof Dr Ir Ardi MSc, dan Prof Dr Ir Warnita
MS atas surat rekomendasi untuk melanjutkan studi pascasarjana di IPB.
5. DIKTI atas Beasiswa Unggulan tahun 2012-2014.
6. Bapak Prayitno dari Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) yang telah
membantu dalam iradiasi sinar gamma.
7. Bapak, Mamak, dan adik-adik serta seluruh keluarga atas segala doa dan
kasih sayangnya
8. Rekan-rekan pascasarjana PBT angkatan 2012 untuk semua kebersamaan dan
perjuangannya.
9. Rekan-rekan Laboratorium Kultur Jaringan 3 untuk semua bantuannya
10. Azfani Nelza buat semua dukungan dan semangatnya.
11. Keluarga besar BDP angkatan 2007 (last generation) Universitas Andalas
atas semua kebersamaanya.
Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna, namun
penulis berharap semoga tesis ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu
pengetahuan, khususnya pengembangan gandum tropika di Indonesia.
Bogor, Januari 2015
Ryan Budi Setiawan
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Hipotesis Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
2 TINJAUAN PUSTAKA
3 EMBRIOGENESIS SOMATIK TIGA VARIETAS GANDUM
Pendahuluan
Bahan dan Metoda
Prosedur Analisis Data
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
4 RADIOSENSITIVITAS DAN INDUKSI MUTASI SINAR GAMMA
UNTUK KETAHANAN TERHADAP SUHU TINGGI
Pendahuluan
Bahan dan Metoda
Prosedur Analisis Data
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
5 UJI CEPAT KETAHANAN TERHADAP SUHU TINGGI PADA
FASE KECAMBAH
Pendahuluan
Bahan dan Metode
Prosedur Analisis Data
Hasil dan Pembahasan
Simpulan
6 PEMBAHASAN UMUM
7 SIMPULAN DAN SARAN
DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP
v
vi
vii
viii
1
1
2
3
3
3
5
7
17
17
18
20
21
39
40
40
41
43
43
56
58
58
59
59
59
64
66
73
74
82
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Tipe, sumber dan deskripsi berbagai macam iradiasi pengion
Pengaruh media dan varietas terhadap persentase induksi kalus dari
eksplan immature embrio gandum
Pengaruh media dan varietas terhadap waktu muncul kalus gandum dari
eksplan immature embrio (hari)
Pengaruh media dan varietas terhadap persentase kalus embriogenik
dari eksplan immature embrio gandum
Pengaruh media dan varietas terhadap diameter kalus dari eksplan
immature embrio gandum (mm)
Pengaruh media dan varietas terhadap persentase induksi kalus dari
eksplan mature embrio gandum
Pengaruh media dan varietas terhadap waktu muncul kalus dari eksplan
mature embrio gandum (hari)
Pengaruh media dan varietas terhadap persentase kalus embriogenik
dari eksplan mature embrio gandum
Pengaruh media dan varietas terhadap diameter kalus dari eksplan
mature embrio gandum (mm)
Skoring uji kruskal walis terhadap penutupan eksplan oleh kalus
gandum
Karakteristik embrio somatik gandum varietas Dewata dan Nias yang
berasal dari eksplan immature embrio
Pengaruh zat pengatur tumbuh terhadap pertambahan diameter kalus
embriogenik gandum (mm)
Pengaruh zat pengatur tumbuh terhadap pertambahan bobot kalus
embriogenik gandum (mg)
Bobot kalus embriogenik (KE) dan jumlah embrio somatik varietas
Dewata hasil proliferasi pada perbedaan konsentrasi ZPT dan jenis
media
Bobot kalus embriogenik (KE) dan jumlah embrio somatik varietas
Nias hasil proliferasi pada perbedaan konsentrasi ZPT dan jenis media
Total pertambahan diameter kalus gandum selama 6 minggu setelah
iradiasi sinar gamma (mm)
Pertambahan bobot kalus gandum (mg) pada 6 MSK setelah iradiasi
sinar gamma
Skoring perubahan warna kalus gandum hasil iradiasi sinar gamma
umur 6 MSK
Nilai LD20 dan LD50 kalus embriogenik tiga varietas gandum dari
eksplan immature embrio gandum hasil iradiasi sinar gamma
Pertambahan diameter kalus gandum selama 4 minggu setelah iradiasi
sinar gamma pada beberapa agen seleksi in vitro cekaman suhu tinggi
(mm)
Pertambahan bobot kalus selama 4 minggu setelah iradiasi sinar gamma
pada beberapa agen seleksi in vitro cekaman suhu tinggi (mg)
Persentase dan jumlah total kalus gandum yang bertahan hidup selama
4 minggu setelah iradiasi sinar gamma pada cekaman suhu tinggi
12
21
22
23
25
26
27
27
29
32
33
35
35
36
37
43
45
46
46
49
50
52
23 Karakteristik mutan putatif gandum toleran suhu tinggi yang dihasilkan
pada varietas Dewata
24 Pengaruh suhu dan varietas terhadap persentase daya berkecambah,
panjang akar dan jumlah akar tiga varietas gandum
25 Pengaruh suhu dan varietas terhadap jumlah daun dan panjang tunas
tiga varietas gandum
26 Pengaruh suhu dan varietas terhadap bobot basah, bobot kering tunas
dan akar tiga varietas gandum
27 Batas suhu tinggi beberapa tanaman
56
60
62
63
71
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Kerangka berfikir penelitian studi embriogenesis dan seleksi in vitro
gandum toleran terhadap cekaman suhu tinggi
Diagram alir tahap penelitian studi embriogenesis dan seleksi in vitro
gandum toleran terhadap cekaman suhu tinggi
Perbandingan
perkembangan
embriogenesis
zigotik
dengan
embriogenesis somatik pada tanaman dikotil dan monokotil
Model konsep mekanisme toleransi suhu tinggi yang dipengaruhi oleh
tiga faktor
Eksplan yang digunakan dalam induksi kalus gandum
Tipe kalus gandum yang terbentuk pada media induksi kalus
Skoring penutupan eksplan oleh kalus gandum
Perkembangan kalus gandum selama 8 MSK
Proporsi tipe kalus gandum yang berasal dari eksplan immature embrio
Embrio somatik varietas Dewata yang berasal dari beberapa media pada
umur 8 MSK
Proporsi tipe kalus gandum yang berasal dari eksplan mature embrio
Pengaruh jenis ekplan terhadap embriogenesis somatik gandum varietas
Dewata dan Selayar
Perkecambahan embrio somatik gandum
Proliferasi embrio somatik gandum
Jumlah embrio somatik gandum per fase histodiferensiasi
Tahapan perkembangan embrio somatik gandum dan histodiferensiasi
embrio di bawah mikroskop
Pertambahan diameter kalus pada uji radiosensitivitas tiga varietas
gandum
Skoring perubahan warna kalus gandum akibat iradiasi pada uji
radiosensitivitas
Grafik radiosensitivitas sinar gamma pada tiga varietas gandum
Perubahan warna kalus gandum akibat iradiasi dan cekaman suhu tinggi
Jumlah dan persentase perkecambahan embrio somatik setelah iradiasi
dan pengujian suhu tinggi varietas Dewata
Perkecambahan mutan putatif gandum pada varietas Dewata
Planlet mutan putatif toleran suhu tinggi hasil perkecambahan embrio
somatik.
Pertumbuhan kecambah gandum pada suhu tinggi
4
6
9
16
19
19
19
22
24
24
28
30
34
36
38
39
44
45
47
51
54
55
56
64
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
Komposisi media Murashige dan Skoog.
Penelitian embriogenesis somatik beberapa tanaman sereal.
Penelitian induksi mutasi beberapa tanaman sereal
Deskripsi gandum varietas Dewata dan Selayar
83
84
87
89
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Gandum (Triticum aestivum L.) merupakan salah satu tanaman pangan
utama yang ditanam hampir di seluruh dunia. Luas penanaman gandum mencakup
sekitar 30% areal penanaman sereal di dunia, dengan lebih dari 220 juta ha areal
budidaya (Cossani dan Reynolds 2012). Kebutuhan dan konsumsi gandum
masyarakat Indonesia sangat tinggi, hal ini ditunjukkan oleh impor pada tahun
2012 yang mencapai 6 300 000 ton (BPS 2013) setara dengan US$ 298 516 200
(Kemenperin 2013). Meningkatnya nilai impor mengindikasikan bahwa
permintaan pasar terhadap gandum semakin tinggi, yang berarti peluang dan
potensi pengembangannya di Indonesia sangatlah besar. Ketergantungan pangan
dari luar negeri dikhawatirkan mengancam ketahanan pangan khususnya berkaitan
dengan tanaman gandum.
Pengembangan tanaman gandum di Indonesia terkendala oleh berbagai hal
yaitu terbatasnya varietas yang beradaptasi terhadap lingkungan tropis. Di daerah
asalnya, gandum dibudidayakan pada suhu 8-20 oC dan menghendaki suhu 10-21
o
C sebagai suhu optimal untuk pertumbuhannya (Fischer dan Maurer 1978),
sehingga pengembangan dan budidaya gandum di Indonesia lebih sesuai
dilakukan di dataran tinggi (>900 m dpl) dengan suhu sekitar 22 °C.
Pengembangan tanaman gandum juga terhambat akibat terbatasnya lahan
penanaman di dataran tinggi, karena adanya persaingan dengan komoditas
hortikultura yang lebih memiliki nilai komersial. Selain itu terjadinya perubahan
iklim akibat pemanasan global juga menjadi kendala pengembangan gandum di
Indonesia. Peningkatkan suhu sekitar 1.8 sampai 5.8 oC diprediksi akan terjadi
diakhir abad ini (IPCC 2007), atau naik sekitar 1-3 oC dari keadaan suhu sekarang
berturut-turut pada tahun 2025 dan 2100 (Wahid et al. 2007). Strategi adaptasi
yang paling mendesak dilakukan untuk menanggulangi perubahan iklim dalam
dunia pertanian menurut World Development Report (2008) antara lain: menanam
varietas yang memiliki daya adaptasi tinggi dengan masa tanam yang lebih
singkat, mengubah masa tanam, selain itu diperlukan penelitian yang intensif
untuk perakitan varietas yang memiliki daya tahan tinggi terhadap kekeringan,
banjir dan peningkatan temperatur. Upaya yang dapat dilakukan untuk
pengembangan gandum di Indonesia adalah dengan perakitan varietas gandum
tropika yang dapat beradaptasi dengan baik di dataran menengah dan toleran
terhadap suhu yang lebih tinggi.
Penyediaan keragaman genetik dapat dilakukan dengan memanfaatkan
teknik kultur in vitro, yaitu dengan menginduksi keragaman yang berasal dari selsel somatik/keragaman somaklonal. Keragaman somaklonal yang dihasilkan
melalui teknik kultur jaringan memberikan bukti bahwa melalui perbanyakan
secara vegetatif memungkinkan diperolehnya individu baru yang tidak sama
seperti induknya. Keragaman somaklonal dipengaruhi oleh faktor fisiologi,
genetik dan biokimia (Jayasankar 2005). Keragaman juga dapat terjadi dengan
induksi mutasi menggunakan mutagen. Induksi mutasi merupakan metode yang
terbukti dapat menghasilkan keragaman genetik dalam bidang pemuliaan tanaman.
2
Teknik mutasi dapat digunakan untuk peningkatkan keragaman genetik
sehingga memungkinkan pemulia untuk melakukan seleksi pada genotipe sesuai
dengan tujuan yang dikehendaki. Mutagen yang biasanya digunakan dapat
digolongkan menjadi dua kelompok yaitu mutagen fisik dan mutagen kimia.
Mutagen fisik dapat berupa mutagen pengion yaitu sinar gamma, sinar x, sinar
beta, sinar alpha dan sinar ultraviolet, sedangkan mutagen kimia yang paling
umum digunakan adalah EMS (Ethyl methane sulfonate), DES (diethyl sulfonate),
EI (ethyleneimine), ENV (ethyl nitroso urethan), ENH (Ethyl nitroso urea) dan
MNH (methyl nitroso urea) (Jamsari 2008).
Iradiasi sinar gamma merupakan radiasi pengion yang mempunyai
kekuatan daya tembus tinggi yang dipancarkan oleh sumber dari 60Co, 137Cs.
Kemampuan penetrasi yang cukup kuat ke dalam jaringan tanaman ini dapat
menyebabkan perubahan baik pada tingkat gen maupun kromosom. Perubahan
yang terjadi dapat berupa delesi, duplikasi, insersi, dan translokasi. Terjadinya
perubahan pada gen maupun kromosom akan mengakibatkan perubahan pada
karakter tanaman (Shu et al. 2012).
Penggunaan sinar gamma sebagai mutagen untuk menginduksi mutasi dan
menghasilkan karakter-karakter tertentu yang diinginkan telah banyak dipejari.
Yusnita (2005) menginduksi variasi somaklonal dan melakukan seleksi in vitro
untuk resistensi penyakit busuk batang sclerotium pada tanaman kacang tanah
(Arachis hypogea L). El sayeed et al. (2007) mengunakan iradiasi sinar gamma
untuk meningkatkan toleransi cekaman salinitas pada tanaman gandum (Triticum
aestivum L.) secara in vitro. Ajijah (2009) mengaplikasikan induksi mutasi
menggunakan sinar gamma pada tanaman purwoceng (Pimpinella pruatjan
Molk.) untuk mendapatkan tanaman tahan terhadap suhu tinggi. Nur (2013)
melakukan iradiasi sinar gamma pada benih gandum (Triticum aestivum L.) untuk
peningkatan keragaman genetik dan toleransi terhadap suhu tinggi.
Perumusan Masalah
Ketahanan pangan nasional masih merupakan isu yang strategis bagi
Indonesia mengingat kecukupan produksi, distribusi dan konsumsi pangan
memiliki keterkaitan yang erat dengan masalah sosial, ekonomi dan politik. Oleh
karena itu, ketahanan pangan merupakan program utama dalam pembangunan
pertanian saat ini dan masa mendatang. Ketahanan pangan merupakan suatu
sistem yang terintegrasi yang terdiri atas berbagai subsistem, subsistem utamanya
adalah ketersediaan pangan, distribusi dan konsumsi pangan. Terwujudnya
ketahanan pangan merupakan sinergi dari interaksi ketiga subsistem tersebut.
Permasalahan pangan di Indonesia sangat komplek. Penurunan
pembangunan sektor pangan dan pertanian pasca reformasi menyebabkan
Indonesia mengalami kesulitan untuk memenuhi dan menjaga ketahanan pangan
nasional yang terlihat dari meningkatnya impor pada berbagai produk pertanian.
Gandum merupakan tanaman pangan yang kebutuhannya secara keseluruhan di
impor gandum dari luar negeri. Nilai impor yang tinggi dan memiliki
kecenderungan meningkat setiap tahunnya dikhawatirkan mengganggu stabilitas
dan ketahanan pangan nasional jika seandainya pasokan gandum impor berkurang.
Oleh karena itu diperlukan upaya yang serius untuk mengurangi nilai
impor dengan melakukan perakitan varietas gandum tropika yang mampu
3
beradaptasi pada lingkungan tropis dan memiliki toleransi terhadap suhu tinggi.
Program pemuliaan tanaman penting dilakukan untuk perbaikan genetik dan
karakter sehingga berpengaruh positif terhadap peningkatan kualitas, kuantitas
dan pengembangan gandum di Indonesia. Embriogenesis somatik memainkan
peranan yang sangat besar dalam perbanyakan tanaman. Integrasi dengan program
pemuliaan konvensional maupun teknik molekular/ bioteknologi memungkinkan
embriogenesis somatik menjadi suatu alat dalam peningkatan laju perbaikan
genetik tanaman. Kerangka berfikir penelitian disajikan pada Gambar 1.
Tujuan Penelitian
Secara umum penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan varian gandum
yang dapat dibudidayakan di dataran menengah (400-700 m dpl) dan toleran
terhadap suhu tinggi. Tujuan khusus penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mempelajari pengaruh berbagai jenis dan konsentrasi zat pengatur tumbuh
(ZPT) terhadap induksi kalus embriogenik dan embrio somatik pada
beberapa varietas gandum menggunakan eksplan immature dan mature
embrio.
2. Mendapatkan media proliferasi kalus embriogenik dan embrio somatik
yang optimum pada beberapa varietas gandum.
3. Mendapatkan nilai LD20 dan LD50 pada kalus embriogenik dari setiap
varietas gandum.
4. Mempelajari karakter morfologi kecambah gandum pada cekaman suhu
tinggi.
Manfaat Penelitian
1.
2.
3.
4.
Penelitian ini diharapkan dapat memperoleh protokol embriogenesis somatik
dari setiap varietas gandum meliputi metode induksi serta proliferasi kalus
embriogenik dan embrio somatik.
Penelitian ini diharapkan dapat memperoleh nilai radiosensitivitas kalus
embriogenik dari setiap varietas gandum yang akan digunakan sebagai dasar
untuk melakukan induksi mutasi dan seleksi in vitro.
Penelitian ini diharapkan dapat memperoleh mutan putatif yang memiliki
ketahanan terhadap suhu tinggi.
Penelitian ini diharapkan dapat memperoleh informasi ketahanan suhu tinggi
lebih awal menggunakan pengujian cepat fase kecambah benih dari setiap
varietas gandum.
Hipotesis Penelitian
1.
2.
Terdapat media induksi kalus embriogenik dan embrio somatik serta
media proliferasi embrio somatik yang optimal pada setiap varietas
gandum.
Terdapat nilai LD 20 dan LD50 kalus embriogenik dari setiap varietas
gandum.
4
3.
4.
Terdapat mutan putatif gandum yang toleran cekaman suhu tinggi.
Terdapat perbedaan karakter morfologi gandum fase kecambah pada
cekaman suhu tinggi.
Nilai impor
meningkat
Konsumsi
gandum tinggi
Pertambahan jumlah
penduduk
Pemborosan devisa negara
Program kemandirian
dan kedaulatan pangan
Perluasan areal penanaman
1 Perbaikan teknik
budidaya
2 Pengembangan varietas
unggul gandum tropika
Persaingan lahan
dataran tinggi
Perbaikan varietas
Pemanfaatan lahan di
dataran menengah
(400-700 m dpl)
Cekaman suhu tinggi
Bioteknologi
Variasi somaklonal
Induksi mutasi
Kultur in vitro
Rekayasa genetika
Konvensional
Introduksi
Hibridisasi
Seleksi in vitro dengan
inkubator suhu tinggi
Mutan putatif toleran suhu tinggi
Kandidat galur harapan
toleran suhu tinggi
Gambar 1 Kerangka berfikir penelitian studi embriogenesis dan seleksi in vitro
gandum toleran terhadap cekaman suhu tinggi
5
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian diawali dengan sterilisasi benih muda dan tua untuk
menghasilkan kultur asenik. Immature dan mature embrio diisolasi dari benih dan
dijadikan sebagai eksplan yang dikulturkan pada sepuluh jenis media induksi
kalus embriogenik dan embrio somatik. Proliferasi kalus embriogenik dilakukan
menggunakan tiga jenis media media. Tahap selanjutnya, embrio somatik yang
telah dihasilkan diproliferasikan pada dua jenis media, yaitu media padat dan cair
dengan komposisi ZPT yang berbeda. Proses perkecambahan embrio somatik dari
setiap media induksi kalus menjadi planlet menggunakan media MS tanpa ZPT
(MS0).
Percobaan induksi mutasi diawali dengan melakukan penentuan Lethal
Doses 20 (LD20) dan LD50 dengan perlakuan iradiasi sinar gamma pada lima
dosis iradiasi yaitu: 10, 20, 30, 40, 50 gray. Bahan yang digunakan adalah kalus
embriogenik varietas Dewata, Nias dan Selayar. Nilai radiosensitivitas (LD20 dan
LD50) yang diperoleh digunakan sebagai acuan dalam mutasi in vitro pada kalus
embriogenik. Kalus embriogenik yang telah diradiasi kemudian dipindahkan ke
media induksi, kemudian setelah tiga hari akan diseleksi pada tiga kondisi suhu
yang berbeda yaitu 25, 30, dan 35 oC selama 4 minggu. Embrio somatik yang
dihasilkan dari hasil seleksi in vitro akan dikecambahkan untuk menghasilkan
planlet mutan putatif. Planlet yang dihasilkan dikarakterisasi pada kondisi in vitro.
Percobaan selanjutnya yaitu uji cepat kecambah gandum terhadap cekaman suhu
tinggi. Bagan alir penelitian disajikan pada Gambar 2.
6
Penyiapan Immature dan mature seed tiga varietas gandum
(Dewata, Nias dan Selayar)
Sterilisasi immature dan mature seed
Penentuan radiosensitivitas, LD20 dan LD50 kalus
embriogenik varietas Dewata, Nias dan Selayar
(iradiasi sinar gamma dengan dosis 10, 20, 30, 40, dan
50 gray)
Mutasi induksi sinar gamma dan seleksi in vitro
ketahanan terhadap suhu tinggi (menggunakan agen
seleksi cekaman suhu (25, 30, 35 oC)
Benih tiga varietas gandum (Dewata,
Selayar dan Nias)
Induksi kalus embriogenik dan embrio
somatik pada 10 jenis media
Proliferasi kalus embriogenik pada 3
komposisi media
Proliferasi embrio somatik pada 2 jenis
media (padat dan cair)
Perkecambahan embrio somatik hasil seleksi in vitro
menjadi planlet utuh (MS tanpa ZPT)
Perkecambahan embrio somatik
Uji cepat cekaman suhu tinggi fase
kecambah (25, 30 dan 35 oC)
Informasi dan uji cepat skrining
gandum terhadap cekaman suhu tinggi
Protokol embriogenesis somatik
Karakterisasi mutan putatif planlet
Mutan putatif gandum toleran terhadap
suhu tinggi
Gambar 2 Diagram alir tahap penelitian studi embriogenesis dan seleksi in vitro gandum toleran terhadap cekaman suhu tinggi
7
2 TINJAUAN PUSTAKA
Botani Tanaman Gandum
Budidaya tanaman gandum telah berkembang sejak 7500- 6500 sebelum
masehi (SM) di daerah Timur Tengah, 5000 SM di sekitar sungai Nil dan 3000
SM di Cina. Negara produsen utama gandum adalah Rusia, USA, Cina, India,
Perancis, dan Kanada. Tahun 1529 Spanyol memperkenalkan gandum ke Amerika
yang merupakan benua baru (Briggle 1980). Masyarakat prasejarah sudah
mengenal gandum dan berbagai biji-bijian lainnya sebagai sumber makanan.
Berdasarkan penggalian arkeolog diperkirakan gandum berasal dari daerah sekitar
laut merah dan laut mediterania, yaitu daerah sekitar Turki, Syam, Irak, dan Iran
(Sleper dan Poehlman 2006).
Gandum termasuk divisi Spermatophyta, kelas Angiospermae, subkelas
Monocotylodenae, ordo Graminae, famili Poaceae, dan genus Triticum. Spesiesspesies yang termasuk di dalam genus Triticum dikelompokkan ke dalam tiga kelas
ploidi yaitu diploid (2n=2x=14), tetraploid (2n=4x= 28) dan heksaploid (2n=6x=42).
Saat ini terdapat 11 spesies diploid, 12 spesies tetraploid, dan 6 spesies heksaploid
yang sudah diidentifikasi dan dideskripsikan (Sleper dan Poehlman 2006). Namun
hanya dua spesies dari genus Triticum yang memiliki nilai ekonomis penting yaitu
Triticum aestivum L. dan Triticum turgidum L.. Triticum aestivum L. merupakan
gandum yang umum dikenal yang dimanfaatkan untuk bahan baku roti. Triticum
turgidum L. yang dikenal dengan gandum durum digunakan untuk membuat pasta.
Sleper dan Poehlman (2006) mengklasifikasikan gandum berdasarkan kegunaannya
yang meliputi gandum keras (hard wheat) yang memiliki kandungan gluten dan
protein tinggi serta cocok untuk pembuatan roti, gandum lunak (soft wheat) yang
memiliki kandungan gluten dan protein yang lebih rendah, cocok untuk pembuatan
kue-kue kering, biskuit, dan crackers, dan gandum durum yang memiliki kandungan
gluten dan protein sangat rendah, cocok untuk pembuatan macaroni dan spaghetti.
Gandum termasuk tanaman semusim yang menyerbuk sendiri (selfpolinated), penyerbukan silang hanya 1-4% yang biasanya disebabkan oleh angin
atau serangga. Bunga-bunganya bermekaran pada pertengahan pagi menjelang
siang. Kemampuan reseptif stigma berkisar 4-13 hari sedangkan viabilitas serbuk
sari hanya sekitar 30 menit. Kondisi masak fisiologis dicapai apabila kandungan
kelembaban dari keseluruhan bulir yang terbentuk telah menurun antara 25-35%
(Ginkel dan Villareal 1996).
Tanaman gandum memiliki batang beruas (sekitar 6 ruas) dan berongga
dan berakar serabut seperti tanaman padi. Daun tanaman gandum tumbuh
tegak/melengkung (tergantung varietas) dan berbentuk pita. Daun yang sudah tua
akan mengering dan berwarna kecoklatan. Kumpulan bunga pada gandum
(spikelets) bertumpuk satu sama lain pada malai. Tiap spikelet terdiri dari
beberapa bulir dan kulit ari (lemma dan palea). Biasanya setiap spikelet akan
menghasilkan dua sampai tiga biji (kernel). Tiap bulir memiliki batang yang
sangat kecil yang disebut rachilla. Bunga gandum memiliki tiga anther dan dua
stigma dengan sebuah ovarium. Lemma, palea dan keseluruhan alat kelamin (yang
nantinya menjadi biji atau kernel) tersebut merupakan satu kesatuan bunga (floret)
(Sleper dan Poehlman 2006).
8
Umumnya, kernel berbentuk oval dengan panjang 6-8 mm dan diameter 23 mm. Seperti jenis serealia lainnya, gandum memiliki tekstur yang keras. Biji
gandum terdiri dari tiga bagian yaitu bagian kulit (bran), bagian endosperma, dan
bagian lembaga (germ). Bagian kulit dari biji gandum sebenarnya tidak mudah
dipisahkan karena merupakan satu kesatuan dari biji gandum tetapi bagian kulit
ini biasanya dapat dipisahkan melalui proses penggilingan (Ginkel dan Villareal
1996).
Bran merupakan kulit luar gandum dan terdapat sebanyak 14.5% dari total
keseluruhan gandum. Bran terdiri dari 5 lapisan yaitu epidermis (3.9%), epikarp
(0.9%), endokarp (0.9%), testa (0.6%), dan aleuron (9%). Bran memiliki
kandungan protein dan kadar serat tinggi sehingga baik dikonsumsi ternak besar.
Epidermis merupakan bagian terluar biji gandum, mengandung banyak debu yang
apabila terkena air akan menjadi liat dan tidak mudah pecah. Fenomena inilah
yang dimanfaatkan pada penggilingan gandum menjadi tepung terigu agar lapisan
epidermis yang terdapat pada biji gandum tidak hancur dan mengotori tepung
terigu yang dihasilkan. Endosperma merupakan bagian terbesar dari biji gandum
(80-83%) yang banyak mengandung protein dan pati. Pada proses penggilingan,
bagian inilah yang akan diambil sebanyak banyaknya untuk diubah menjadi
tepung terigu dengan tingkat kehalusan tertentu (Ginkel dan Villareal 1996).
Kultur Jaringan
Kultur jaringan adalah suatu metode untuk mengisolasi bagian dari
tanaman seperti protoplasma, sel, jaringan dan organ yang kemudian
menumbuhkannya dalam lingkungan yang aseptik, sehingga bagian-bagian
tanaman tersebut dapat memperbanyak diri dan beregenerasi menjadi tanaman
utuh kembali. Salah satu penerapan kultur jaringan adalah perbanyakan mikro.
Perbanyakan mikro secara umum dapat diartikan sebagai usaha menumbuhkan
bagian tanaman dalam media aseptik dan memperbanyaknya hingga
menghasilkan tanaman sempurna. Tujuan utama penerapan perbanyakan mikro
adalah produksi tanaman dalam jumlah besar dalam waktu yang singkat terutama
untuk varietas-varietas unggul serta memperoleh tanaman yang terbebas dari
serangan patogen. Eksplan yang ditanam pada media tumbuh yang tepat dapat
beregenerasi melalui proses yang disebut organogenesis atau embriogenesis
(Neumann et al. 2009).
Perbanyakan secara kultur jaringan bertujuan untuk memproduksi tanaman
dalam jumlah besar pada waktu singkat, tanpa memerlukan tempat yang luas,
penanaman tidak tergantung musim, bibit yang dihasilkan lebih sehat dan
memungkinkan terjadinya manipulasi genetik. Menurut Gray (2005) teknik kultur
jaringan mempunyai dua kegunaan utama yaitu untuk perbanyakan klonal yang
akan menghasilkan propagula bermutu dan perbaikan karakter tanaman untuk
menghasilkan kultivar baru yang lebih unggul sesuai dengan program perbaikan
pemuliaan yang dikehendaki.
9
Embriogenesis Somatik
Embriogenesis somatik merupakan metode perbanyakan masal yang
banyak diterapkan pada berbagai macam tanaman. Menurut Corredoira et al.
(2006), pemahaman tentang embriogenesis tanaman penting diketahui yaitu
melalui pengamatan proses seluler yang mendasari diferensiasi. Hal tersebut akan
bermanfaat untuk memperoleh metode yang tepat pada aplikasi perbanyakan bibit
secara masal, kryopreservasi, induksi mutasi dan transformasi genetik.
Kultur jaringan memungkinkan regenerasi sel somatik melalui dua
alternatif jalur yaitu organogenesis dan embriogenesis somatik. Organogenesis
adalah pembentukan tunas adventif secara langsung dari eksplan yang
menghasilkan struktur unipolar, sedangkan embriogenesis somatik adalah proses
regenerasi sel somatik yang membelah dan berkembang menjadi struktur bipolar
atau embrio. Struktur unipolar terdiri atas tunas atau akar yang terpisah jaringan
pembuluhnya, sedangkan struktur bipolar terdiri atas meristem tunas dan akar
yang padu (Gunawan 1992).
Menurut Davies (2004) embrio somatik dapat terbentuk melalui 2 cara
yaitu embriogenesis secara langsung dan tidak langsung. Embriogenesis langsung
terjadi pada saat embrio terbentuk langsung dari jaringan eksplan atau Pre
Embryonically Determined Cells (PEDC). Embriogenesis tidak langsung terjadi
melalui fase kalus atau kultur suspensi yang biasa disebut Induced Embryonically
Determined Cells (IEDC). Menurut Rose et al. (2010) tahap perkembangan
embrio somatik dan embrio zigotik memliki pola yang sama yaitu dimulai dari
fase globular, hati, torpedo dan planlet untuk tanaman dikotil dan globular, hati,
scutelar dan coleoptilar pada monokotil (Gambar 3).
Gambar
3
Perbandingan perkembangan embriogenesis zigotik dengan
embriogenesis somatik pada tanaman dikotil dan monokotil (Greer
2008)
Embriogenesis somatik memainkan peranan penting dalam perbanyakan
klonal secara in vitro. Ketika dikaitkan dengan program pemuliaan konvensional,
molekular dan bioteknologi, embriogenesis somatik memberikan sesuatu yang
bernilai untuk meningkatkan laju perbaikan genetik tanaman. Embriogenesis
10
somatik menjadi sebuah hal yang sangat penting dalam mempelajari dan
menganalisis berbagai peristwa biokimia dan molekuler, sehingga memiliki nilai
potensial yang besar bagi ilmu biologi dan pertanian. Gray (2005) menyatakan
bahwa sel/jaringan somatik pada kondisi normal akan berkembang menjadi
jaringan parenkim, tetapi dapat beralih menjadi embriogenik pada kondisi khusus.
Embrio mampu diinduksi dari sel somatik diduga karena dikendalikan oleh gen
dan adanya kemampuan totipotensi sel untuk tumbuh menjadi tanaman lengkap.
Wattimena (1992) menyebutkan bahwa kemampuan jaringan eksplan membentuk
kalus dan laju pertumbuhan kalus dapat berbeda-beda pada setiap tanaman.
Kemampuan jaringan membentuk kalus dan laju pertumbuhan kalus tergantung
pada media, ZPT yang digunakan dan faktor lingkungan lainnya.
Menurut Purnamaningsih (2002), faktor yang mempengaruhi pembentukan
embrio somatik adalah: 1) Jenis eksplan, penggunaan eksplan yang bersifat
meristematik umumnya memberikan keberhasilan pembentukan embrio somatik
yang lebih tinggi. Eksplan yang digunakan dapat berupa aksis embrio zigotik
muda dan dewasa, kotiledon, mata tunas, epikotil maupun hipokotil. Eksplan yang
digunakan dapat berbeda tergantung jenis tanaman dan tahap perkembangan dari
eksplan. 2) Sumber nitrogen, embriogenesis somatik mengalami proses
perkembangan morfologi seperti yang terjadi pada embrio zigotik. Faktor yang
penting dalam induksi dan perkembangan embriogenesis somatik adalah
komposisi nutrisi pada media kultur. Nitrogen merupakan faktor utama dalam
memacu morfogenesis secara in vitro. 3) Gula, gula merupakan salah satu
komponen organik yang harus diberikan ke dalam media tumbuh. Gula berfungsi
disamping sebagai sumber karbon, juga berguna untuk mempertahankan tekanan
osmotik media. 4) ZPT.
Pemuliaan Mutasi
Upaya perbaikan kuantitas dan kualitas suatu varietas tanaman dapat
ditempuh melalui program pemuliaan tanaman. Pemuliaan tanaman bertujuan
untuk memperbaiki karakter tanaman sehingga menjadi lebih unggul dalam
beberapa sifat dibandingkan dengan tanaman asalnya, misalnya tanaman menjadi
lebih tahan terhadap serangan hama dan penyakit, tahan terhadap cekaman
lingkungan, berproduksi lebih tinggi dan memiliki kandungan gizi yang lebih baik
(Shu et al. 2012).
Pemuliaan tanaman merupakan pekerjaan yang berkesinambungan mulai
dari proses peningkatan keragaman genetik tanaman, dilanjutkan dengan seleksi,
pemurnian benih, pengujian hingga pelepasan varietas unggul tanaman. Adanya
keragaman genetik yang tinggi sangat diharapkan dalam program pemuliaan
tanaman sehingga peluang keberhasilan dalam proses seleksi tanaman unggul
menjadi lebih besar. Metoda yang umum digunakan dalam upaya peningkatan
keragaman genetik tanaman melalui program pemuliaan adalah melalui introduksi,
hibridisasi, bioteknologi, induksi mutasi dan rekayasa genetika (Shu et al. 2012).
Mutasi atau perubahan materi genetik dapat dideteksi dengan melihat
perubahan pada tingkat struktur gen atau perubahan pada tingkat ekspresinya.
Untuk melihat perubahan tersebut dapat dilakukan dengan membandingkan antara
mutan dan wild type. Perubahan dapat terlihat pada tingkat morfologi yang terlihat
oleh mata telanjang atau dengan berbasis molekular dengan menggunakan marka
11
molekular. Secara umum penampilan mutan dapat dilihat dengan tiga cara:
perbedaan morfologi, perbedaan tingkat biokimia dan molekular, dan perbedaan
tingkat adaptasi terhadap lingkungan tumbuh. Hasil mutasi yang paling mudah
dilihat bila terjadi perubahan morfologi seperti bentuk, ukuran dan warna (Jusuf
2001).
Menurut Shu et al. (2012) mutagen yang sering digunakan terbagi menjadi
tiga yaitu: 1) radiasi pengionan, 2) radiasi non pengionan, 3) radiasi menggunakan
bahan kimia. Mutagen kimia yang banyak digunakan oleh pemulia adalah yang
berasal dari kelompok alkylating agents. Senyawa ini mengandung satu atau lebih
kelompok alkil reaktif yang dapat ditransfer ke molekul lain pada posisi dimana
kerapatan elektronnya tinggi. Alkylating agents ini akan bereaksi dengan DNA
dengan cara mengalkilasi kelompok fosfat, termasuk basa-basa purin dan
pirimidin. Mutagen kimia yang biasa digunakan diantaranya adalah EMS (ethyl
methane sulphonate), DES (diethylsulfate), El (ethylenimine), NMUT (nitroso
methyl urethane), NMU (nitro methyl urea), NEUT (nitrose ethyl urethane) dan
NEU (nitrose ethyl urea).
Mutasi berdasarkan tingkatan terjadinya dapat digolongkan menjadi
mutasi genom, mutasi kromosom, mutasi gen dan mutasi diluar inti sel. Mutasi
genom disebabkan karena terjadinya perubahan jumlah dari genom tanaman,
misalnya akibat euploid maupun aneuploid. Mutasi kromosom diakibatkan karena
pecahnya benang kromosom (chromosome breakage). Perubahan yang terjadi
pada struktur kromosom tanaman digolongkan dalam empat macam proses yaitu:
1) Duplikasi yaitu terjadinya penambahan segmen kromosom, 2) Delesi yaitu
terjadinya pengurangan segmen kromosom, 3) Inversi yaitu pemutaran segmen
kromosom, 4) Translokasi yaitu pindah silang antar kromosom nonhomolog
(Aisyah 2006).
Iradiasi Sinar Gamma
Teknologi nuklir berperan dalam pemuliaan tanaman terutama terkait
dengan kemampuannya untuk menimbulkan mutasi. Kemampuan tersebut
dikarenakan tenaga nuklir memiliki energi yang cukup tinggi sehingga jika sinar
tersebut memapar pada materi genetik akan menimbulkan perubahan struktur pada
komposisi pada materi genetik. Mutasi adalah perubahan yang terjadi pada materi
genetik sehingga menyebabkan perubahan ekspresi. Perubahan dapat terjadi pada
tingkat pasangan basa, tingkat satu ruas DNA, bahkan pada tingkat kromosom
(Jusuf 2001).
Menurut Shu et al. (2012), induksi mutasi berkontribusi dalam
meningkatkan keragaman genetik tanaman. Frekuensi mutasi juga dapat
ditingkatkan dengan teknik induksi mutasi menggunakan mutagen. Penggunaan
mutagen fisik pada tanaman sangat dianjurkan dibandingkan dengan mutagen
kimia, karena frekuensi mutasinya yang tinggi dan tidak menghasilkan limbah
yang bersifat karsinogenik. Berbagai mutagen fisik secara khas dibedakan dari
tipe radiasinya. Sinar Gamma merupakan salah satu mutagen yang sering
digunakan oleh pemulia tanaman. Penggunaan sinar gamma sebagai alternatif
dalam pemuliaan mutasi fisik dikarenakan memiliki penetrasi yang lebih tinggi
dibandingkan dengan sinar X ataupun sinar lainnya, serta secara global terbukti
12
paling efektif dalam menghasilkan varietas mutan unggul berbagai jenis tanaman.
Berbagai macam tipe radiasi pengion dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1 Tipe, sumber dan deskripsi berbagai macam iradiasi pengion
Tipe radiasi
Sinar X
Sumber
Mesin X-ray
Deskripsi
Radiasi
elektromagnetik
Energi
50-300
keV
Resiko
Berbahaya
Penetrasi
Beberapa
mm-cm
Sinar Gamma
Radioisotop
Radiasi
elektromagnetik
Beberapa
MeV
Berbahaya
Seluruh
bagian
Neutron
Reaksi nuklir
Hanya dapat dilihat
jika berintekasi
dengan inti
1 evMeV
Sangat
beresiko
Banyak
cm
Beta (Sinar
katoda)
Isotop
radioaktif
Elektron kurang rapat
dibandingkan alpha
Beberapa
MeV
Berbahaya
Beberapa
cm
Partikel alpha
Radioisotop
Inti helium, ion berat
2-9 MeV
Sangat
berbahaya
Beberapa
mm
Proton/
deuteron
Reaksi nuklir
Inti hidrogen
Beberapa
GeV
Sangat
berbahaya
Banyak
cm
Ion beams
energi rendah
Percepatan
partikel
Inti ion dari
bermacam elemen
Beberapa
KeV
Berbahaya
Beberapa
mm
Ion beams
energi tinggi
Percepatan
partikel
Inti ion dari
bermacam elemen
Diatas
GeV
Berbahaya
Beberapa
cm
Sumber : Shu et al. (2012).
Iradiasi sinar gamma merupakan teknologi radiasi bagian dari teknologi
nuklir yang menggunakan radioisotop. Dibandingkan mutagen kimia, radioisotop
memiliki kelebihan sifat fisik yaitu memancarkan sinar radioaktif. Keberhasilan
perlakuan iradiasi sangat ditentukan oleh sensitivitas genotipe yang diiradiasi
terhadap dosis radiasi yang diberikan. Tingkat sensitivitas tanaman dipengaruhi
oleh jenis tanaman, fase tumbuh, ukuran, dan bahan yang akan dimutasi, serta
sangat bervariasi antar jenis tanaman dan antar genotype. Shu et al. (2012)
menyatakan bahwa semakin banyak kadar oksigen dan molekul air (H2O) berada
dalam materi yang diradiasi, maka semakin banyak pula radikal bebas yang
terbentuk sehingga materi menjadi semakin sensitif.
Sensitivitas terhadap radiasi dapat diukur berdasarkan nilai LD50 (lethal
dose 50) yaitu dosis yang menyebabkan kematian 50% dari populasi tanaman
yang diradiasi. Dalam induksi mutasi, beberapa studi menunjukkan bahwa dosis
optimum yang dapat menghasilkan mutan dengan tingkat keragaman tertinggi
umumnya diperoleh disekitar LD50 (Datta 2001). Untuk mendapatkan nilai LD50
digunakan program best curve-fit analysis, yaitu satu program analisis statistik
yang dapat digunakan untuk mencari persamaan model terbaik. Dosis iradiasi
sinar gamma dapat diukur dalam satuan Gray (Gy), 1 Gy sama dengan 0.10 krad
yakni 1 J energi per kg iradiasi yang dihasilkan. Dosis iradiasi juga merupakan
salah satu faktor penentu perlakuan radiasi. Dosis yang tinggi dapat
mengakibatkan kematian, sedangkan pada dosis rendah umumnya hanya
13
menyebabkan perubahan abnormal pada fenotipe tanaman. Pengaruh dosis radiasi
terhadap persen kematian, pertumbuhan, dan fertilitas telah banyak dilaporkan.
Penelitian yang dilakukan oleh Puchooa (2005) mengenai iradiasi sinar gamma
pada tanaman Anthurium menyatakan dosis iradiasi sekitar 15 Gy menyebabkan
kematian 50% pada kalus. Mahadevamma et al. (2012) menunjukkan dosis
iradiasi sebesar 30 Gy menyebabkan sekitar 50% kalus pepaya mengalami
kematian yang ditunjukkan oleh perubahan warna dan berhentinya pertumuhan
kalus. Sejalan dengan itu penelitian Ling et al. (2008) menyatakan LD50 kalus
jeruk sekitar 27 Gy. Efek iradiasi sinar gamma sangat dipengaruhi oleh jenis
tanaman, variteas serta kandungan air dan oksigen pada sel kalus.
Terdapat beberapa teknik yang biasa digunakan dalam pengaplikasian
induksi mutasi dengan mutagen fisik (radiasi), yaitu (a) iradiasi tunggal (acute
irradiation), (b) chronic irradiation, (c) Iradiasi terbagi (fractionated irradiation),
dan (d) Iradiasi berulang. Teknik iradiasi tunggal (acute irradiation) dilakukan
dengan cara pemberian dosis secara sekaligus dalam satu kali penembakan
iradiasi. Chronic irradiation adalah teknik iradiasi dengan cara memberikan dosis
iradiasi yang sangat rendah secara terus menerus dalam waktu beberapa bulan.
Teknik iradiasi terbagi (fractionated irradiation) dapat dilakukan dengan
pemberian dosis iradiasi sebanyak dua kali, dimana tiap perlakuan diberikan
setengah dosis. Sedangkan teknik iradiasi berulang adalah teknik iradiasi yang
dilakukan melalui pemberian dosis secara berulang dengan jarak waktu yang tidak
terlalu lama (intermittent irradiation) atau dapat pula diberikan dengan jarak
waktu yang cukup lama (recurrent irradiation) (Aisyah 2006).
Pengaruh Cekaman Suhu Tinggi dan Mekanisme Ketahanannya
Peningkatan suhu sangat berpengaruh pada fase pertumbuhan vegetatif
dan reproduktif tanaman gandum. Phasad et al. (2008) mengemukakan bahwa
cekaman suhu tinggi diatas 22 oC secara signifikan menurunkan hasil panen
gandum, suhu tinggi selama masa antesis dapat menyebabkan aborsi dari floret,
meningkatkan sterilitas polen, dehidrasi jaringan, menu