Archive for 11 Pemanfaatan Bioteknologi Dalam Pemuliaan Tanaman

Bab 11 Perakitan Kultivar Tanaman Transgenik

Pokok Bahasan 11

Perakitan Kultivar Tanaman Transgenik
PENDAHULUAN

Deskripsi

Pokok bahasan ini menjelaskan tentang penentuan sumber gen, transformasi/introgresi gen, pengujian eksistensi gen tanaman transgenik, aklimatisasi, dan perbanyakan tanaman transgenik.

Sub Pokok Bahasan

Pokok bahasan tentang perakitan kultivar tanaman transgenik akan mencakup dua sub pokok bahasan yaitu :

  1. Bioteknologi bagi pembentukan keragaman
  2. Transformasi/introgresi gen

Relevansi Pokok Bahasan

Rekayasa genetik tanaman merupakan salah satu bidang kajian bioteknologi yang mengkhususkan perhatiannya dalam memodifikasi, mereaktualisasi, dan mengimprovisasi struktur genetik tanaman yang bertujuan untuk mendapatkan nilai tambah tertentu dari keadaan yang telah ada sebelumnya. Pengatahuan tentang asal sumber gen, cara transfer gen serta aklimtisasi dan perbanyakannya, diperlukan dalam perakitan kultivar transgenik yang ramah lingkungan.

Tujuan Instruksional Khusus

Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa akan dapat menjelaskan metode dalam perakitan kultivar tanaman transgenik.

Leave a comment »

Bioteknologi bagi Pembentukan Keragaman Genetik

Sub Pokok Bahasan 11.1

Bioteknologi bagi Pembentukan Keragaman Genetik

11.1.1 Aplikasi Kultur Jaringan Bagi Pembentukan Keragaman Genetik

A. Variasi Somaklonal

  • Dasar teori kultur jaringan: Toti potensi sel, dimana setiap sel memiliki kemampuan membentuk tanaman lengkap
  • Merupakan upaya mempercepat akumulasi mutasi alami, melalui percepatan pembelahan mitosis dengan memanipulasi pembelahan kalus pada perbanyakan kultur jaringan.
  • Sering digunakan untuk mendapatkan tanaman yang toleran terhadap cekaman biotik maupun abiotik.
  • Dilakukan dengan melakukan kultur jaringan secara:
    1. Subkultur berulang
    2. Penggunaan zat pengatur tumbuh dengan dosis tinggi
    3. Penggunaan sumber eksplan dari jaringan meristem
  • Variasi yang dihasilkan merupakan variasi yang bersifat acak, terdiri dari:
    1. Variasi efigenetik, paling sering terjadi, tanaman mengalami perubahan penotifik tetapi tidak disertai perubahan genetik. Variasi yang terjadi tidak diturunkan melalui perbanyakan seksual.
    2. Variasi genetik, tanaman hasil kultur jaringan mengalami perubahan penotifik yang disebabkan perubahan genetik.img11-1-1

B. Mendukung Mutasi dan Transformasi

  • Dalam rangka mendapatkan mutasi yang solid bukan chimera, maka aplikasi mutation agent (seperti irradiasi) dilakukan pada sel tunggal, yang dapat dilakukan melalui kalus atau kultur sel. Dengan demikian kultur jaringan diperlukan dalam penyediaan sel untuk mutasi dan mengembalikan sel menjadi tanaman sempurna.
  • Pada transformasi genetik delivery gen target dilakukan pada tingkat sel. Aplikasi kultur jaringan dilakukan pada seleksi untuk mendapatkan sel yang sudah ditransformasi dan mengembalikannya menjadi tanaman transgenik yang sempurna.img11-1-21

Pola persilangan somatik

C. Penyelamatan Embrio (embryo resque)

D. Hibridisasi somatik (somatic hybridization)

11.1.2 Aplikasi Transformasi Genetik dalam Perakitan Genotipe Baru

  • Strategi: Memotong dan menempel gen target kedalam genom tanaman untuk menghasilkan tanaman dengan sifat baru. Mirip mengedit video untuk merubah skenario.
  • Sasaran: Menghilangkan batas gene pool, dan membuat metode efisien dalam perbaikan sifat varietas elit.
  • Tahapan transformasi terdiri dari:
    • Penyediaan gen target
    • Introduksi gen target
    • Seleksi dan reproduksi sel transgen
    • Seleksi di lapanganimg11-1-3img11-1-41

Penyediaan Gen Target

Tahapan ini terdiri dari dua langkah:

  1. Gene Cloning. Upaya mendapatkan gen target yang akan dipindahkan, sering disebut sebagai gene hunting atau gene cloning, tahapan ini sering jadi penghambat utama pembentukan varietas transgenik. Ada dua pendekatan gene cloning yaitu
    1. Forward Cloning, yaitu tanaman diinduksi mutasi, lalu titik mutasi pada penotife target dijadikan sasaran isolasi.
    2. Reverse Cloning, yaitu dicari tanaman dengan latar genetik sama tetapi berbeda pada penotife target selanjutnya dijadikan sasaran isolasi.
  2. Transgene Construction. Gen target selanjutnya dikemas kedalam wadah berupa rantai DNA yang disebut plasmid.

Konstruksi Transgenimg11-1-5

Introduksi Gen Target

Pada tahap ini konstruksi transgen di introduksikan kedalam sel tanaman varietas komersial yang akan diperbaiki, sehingga gen target menyisip ke dalam genom target. Dilakukan dengan dua pendekatan yaitu:

  1. Melalui pemanfaatan bakteri Agrobacterium tumefaciens (transformation).
  2. Menempelkan gen target ke partikel emas dan ditembakan ke massa sel dari genotipe target (particle bombardment/gene shooting).

Seleksi dan Reproduksi Sel Transgen

Pada tahap ini dari sekian banyak sel yang sudah diintroduksi, harus diseleksi sel mana yang sudah mengintegrasikan gen target kedalam genom intinya. Seleksi dilakukan dengan menumbuhkan sel-sel yang diintroduksi pada media yang diberi agen penseleksi, sehingga tanaman yang dapat tumbuh diasumsikan sudah disisipi gen baru. Selanjutnya dikonfirmasi dengan marka DNA.img11-1-6

Reproduksi Menjadi Tanaman Sempurna

Sel yang sudah disisipi gen baru harus direproduksi menjadi tanaman sempurna yang dapat diamati penotifnya untuk memastikan gen tersebut mampu berexpresi secara normal, sehingga dapat bermanfaat sesuai tujuan pengembangan.img11-1-7

Seleksi di Lapangan

Tujuan: Identifikasi galur transgenik yang memiliki penotipe seperti yang diharapkan. Peluang keberhasilan suatu galur transgenik sekitar 1%.

  1. Ekspresi tergantung posisi pada kromosom.
  2. Transgenik yang komplek kurang stabil karena:
    • gene silencing
    • rekombinasi antar DNA transgene
  3. Transgen tidak boleh memberikan efek negatif terhadap sifat lain
  4. Tanaman transgenik harus memenuhi aturan

Comments (1) »

Marker Assisted Selection

Sub Pokok Bahasan 11.2

Marker Assisted Selection

11.2.1 Dasar Pemikiran Marker Assisted Selection

A. DEFINISI

  • Marker assisted selection (MAS): merupakan metode seleksi yang mengacu pada pemanfaatan marka DNA yang berpautan dengan lokus target, sebagai alat untuk menduga dan membantu seleksi penotipe sifat yang menjadi target pemuliaan.
  • Asumsi: Marka DNA mampu menduga secara akurat keberadaan suatu penotipe.
  • Kriteria marka genetik:
    • Marka harus mampu membedakan kedua tetua
    • Ciri marka diwariskan secara sama dan akurat dari tetua ke turunannya.
  • Jenis Marka:
    • Marka dominan (dominant marker) dapat menandai adanya lokus target, tetapi tidak bisa membedakan homozigot dengan heterozigot.
    • Marka ko-dominan (co-dominant marker) dapat menandai adanya lokus target homozigot atau lokus target heterozigot

B. TIPE-TIPE MARKA DNA

  • Marka Situs Acak
    1. Random Amplified Polymorphism DNA (RAPD)
    2. Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP)
    3. Amplified Fragment Length Polymorphism (AFLP)
    4. Simple Sequence Repeat (SSR)/ Microsatellites
  • Marka Situs Spesifik
    1. Sequence Characterized Amplification Region (SCAR)
    2. Expressed Sequence Tags (EST)
    3. Single Nucleotide Polymorphism (SNP)img11-2-1

C. KEUNTUNGAN MAS

  • Lebih sederhana dibandingkan seleksi fenotifik
    • Terutama untuk sifat yang membutuhkan banyak tenaga dan langkahnya rumit
    • Dapat menghemat waktu dan sumberdaya
  • Dapat dilakukan pada fase awal perkembangan
    • Penting untuk sifat kualitas hasil
    • Dapat dilakukan seleksi pada tahap bibit
  • Meningkatkan akurasi
    • Tidak dipengaruhi lingkungan
    • Dapat memisahkan homozigot dan heterozigot

D. PERTIMBANGAN PENGGUNAAN MARKA DNA

  • Metode teknis
    • sederhana atau rumit
  • Akurasi
  • Tipe polimorfisme
    • tinggi atau rendah
  • Tipe dominansi
    • dominan atau ko-dominan
  • Kualitas dan kuantitas DNA yang dibutuhkan
  • Biaya**
  • Ketersediaan sumberdaya
    • peralatan, kemampuan tenaga pelaksana

E. PAUTAN MARKA DNA DENGAN LOKUS TARGETimg11-2-2

11.2.2 Skema Marker Assisted Selection

Tahap aplikasi MAS:

  1. Marker-assisted backcrossing
  2. Piramidanisasi
  3. Seleksi Generasi Awal
  4. Kombinasi dengan seleksi fenotifik

1. Marker-assisted backcrossing (MAB)

  • Marka DNA digunakan untuk seleksi lokus target dari penotipe tanaman yang paling sesuai dengan tetua donor.
  • Keuntungan MAB dibandingkan backcross biasa:
    • Seleksi lokus target lebih akurat
    • Minimalisasi pautan negatif
    • Mempercepat recovery tetua donorimg11-2-3

2. Piramidanisasi

  • Digunakan untuk mengkombinasikan banyak gen tahan yang bersifat vertikal (bersifat spesifik untuk suatu ras), misalnya ketahanan terhadap Blast dikendalikan banyak gen yang sepisifik untuk satu ras.
  • Piramidanisasi sangat sulit dilakukan dengan metode konvensional
    • Harus diperhitungkan kesulitan seleksi penotipik terhadap sifat ketahanan yang dikendalikan oleh ~30 gen seperti pada kasus ketahanan terhadap Blast.
  • Sangat penting untuk merakit genotipe yang tahan terhadap banyak ras seperti pada kasus ketahanan terhadap penyakit Pirycularia griseaeimg11-2-4

3. Seleksi generasi awal

  • MAS dilakukan pada tahap F2 atau F3
  • Individu yang membawa lokus target dipilih yang memiliki alel homozigot
    • Individu yang tidak terpilih dapat segera di pisahkan, sehingga hanya mengelola tanaman yang membawa lokus target
  • Karena pemilihan akurat pada tahap awal memungkinkan penghematan sumber daya karena jumlah galur yang dikelola lebih sedikitimg11-2-5img11-2-6

4. Pendekatan Kombinasi dengan Seleksi Fenotipik

Pada beberapa kasus kombinasi pemilahan fenotifik dengan MAS lebih efektif:

  1. Untuk memaksimalkan genetic gain (bila QTL belum diperoleh dari pemetaan QTL)
  2. Tingkat akurasi marka DNA kurang tinggi (Jarak genetik lebih dari 5 cm).
  3. Untuk mengurangi ukuran populasi apabila aplikasi marka DNA lebih murah daripada pemilahan penotifik.img11-2-7

‘Marker-directed’ phenotyping (Seleksi Tandem)

11.2.3 Aplikasi Marker Assisted Selection

A. Hambatan aplikasi MAS bagi pemuliaan:

  • Sumberdaya (peralatan) tidak tersedia
  • Marka tidak efektif dari segi biaya
  • Akurasi hasal pemetaan QTL (quantitative traits loci)
  • Pengaruh QTL tergantung latar belakang genetik (genetic background), atau masih dipengaruhi lingkungan
  • Terbatasnya marka DNA yang polimorfis
  • Kurang terintegrasinya pendekatan genetika molekular dengan pemuliaan konvensional

B. Biaya merupakan hambatan terbesar:

  • Efisiensi biaya aplikasi MAS (Marker Assisted Breeding) jarang dihitung, namun biasanya biaya MAS lebih mahal untuk sebagian besar sifat, kecuali sifat kualitas kimiawi produk (kandungan protein, kandungan vitamin, kandungan asam lemak).
  • Biaya ditentukan oleh:
    • Sifat dan metode pemilahan penotif
    • Biaya penanaman di rumah kaca/lapang
    • Biaya tenaga kerja
    • Tipe marka yang digunakan
  • Marka DNA biasanya untuk gen major, marka QTL lebih sulit untuk dikarakterisasi

C. Akurasi pemetaan QTL merupakan faktor kunci keberhasilan MAS:

  • Akurasi data penotifik sangat kritikal
    • Membutuhkan pengulangan dalam berbagai lingkungan tumbuh
  • Hasil pemetaan QTL perlu dikonfirmasi pada populasi lain yang terpisah latar belakang genetiknya.
  • Harus dilakukan Validasi Marka:
    • Pengujian akurasi marka dalam menduga penotif
    • Pengujian tingkat polimorfisme marka
  • Pengaruh Latarbelakang genetik perlu diperhitungkan.

D. Tantangan ke depan:

  • Meningkatkan efisiensi biaya
    • Optimasi, penyederhanaan teknik dan metode, inovasi marka baru yang lebih murah dan efisien.
  • Merancang strategi MAS yang lebih efesien dan efektif
  • Integrasi yang lebih erat antara pendekatan genetika molekuler dengan pemuliaan tanaman
  • Perbaikan manajemen data

Leave a comment »

Penutup

PENUTUP

  1. Setelah membaca materi dari pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan dapat memahami keseluruhan materi.
  2. Apabila pemahaman kurang dari 70%, mahasiswa diharapkan membaca ulang materi pokok bahasan ini.
  3. Pokok bahasan selanjutnya adalah tentang Konservasi Sumber Daya Plasma Nutfah Pemuliaan
  4. Untuk memperjelas materi sesuai pokok bahasan atau menambah wawasan terkait dengan bahasan dalam sub-sub pokok bahasan, disediakan power point bahan ajar serta artikel relevan lainnya dalam format PDF

Bahan Kuliah :

    Bioteknologi bagi Pembentukan Keragaman.pdf
    Transformasi Gen.pdf

    Bioteknologi bagi Pembentukan Keragaman.pps
    Transformasi Gen.pps

Leave a comment »

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.