rekayasa genetika tanaman

BIOTEKNOLOGI
TANAMAN
Disampaikan Oleh:
Ixora Sartika M
[email protected]
What is Biotechnology?
What is Plant Biotechnology?
Is it possible to create: - Semangka berdaun sirih
- Belalang – Kupu-kupu
?????????????????????????????????????????
Tujuan Bioteknologi Tanaman :
Bioteknologi
Tanaman
Persilangan
Tanaman
Pada umumnya bertujuan menghasilkan
tanaman:
daya produksi tinggi
kualitas nutrisi tinggi
daya tahan yang tinggi terhadap penyakit dan
cekaman lingkungan
kebutuhan yang rendah akan pupuk dan bahan
kimia lain
Sejarah Perkembangan Bioteknologi Tanaman
Sejarah Perkembangan:
•Pemuliaan Tanaman
Sejarah
Perkembangan
Bioteknologi
Tanaman
•Biologi Sel dan Molekuler
•Genetika
•Fisiologi
•Biokimia
•dll
Beberapa bukti sejarah perkembangan bioteknologi tanaman:
Beberapa ribu tahun yll
domestikasi
seleksi tanaman terhadap jenis unggul, mis: berbiji besar, rasa
buah manis, pertumbuhan cepat, dll
1865: prinsip-prinsip hereditas Mendel
1900: hukum genetika mendel telah menjadi dasar pemuliaan
(perbaikan sifat) tanaman
perkembangan teknik-teknik penyerbukan scr tradisional
(self vs cross pollination)
» perkembangan Hybrid Technology hingga saat ini
1919: terbentuknya jagung hibrida pertama
- silang dalam (inbreed) untuk mendapatkan galur murni (homosigot)
- persilangan antar galur murni
1920an: mutation breeding
tanaman di”expose” dengan sinar gamma, proton, netron, partikelpartikel alpha, partikel-partikel beta, ataupun bahan-bahan kimia
untuk menginduksi mutasi yang bermanfaat.
mutation breeding juga dapat diinduksi oleh teknik kultur jaringan
(tehnik pengkulturan sel, jaringan, atau tanaman utuh pada media
artifisial dalam kondisi steril)
» berlangsung dan berkembang hingga saat ini
1970an: haploid breeding
tanaman haploid (tanaman dengan jumlah kromosom setengah dari
tanaman normal) yang dihasilkan secara spontan telah ditemukan
sejak 1920an, tetapi teknik haploid breeding baru berkembang
sejak tahun 1970an ketika teknologi penggandaan kromosom telah
ditemukan.
tanaman haploid
“doubling”
tanaman normal
» berlangsung dan berkembang hingga saat ini
Teknologi tanaman haploid sudah diaplikasikan pd b‟bagai tanaman:
• barley, jagung, tembakau, asparagus, strawberry, dan rumput
gajah
riset
• barley kultivar Tangangara (Australia, 1996)
komersial
1972: tanaman hibrida somatik (tanaman hibrida yang dihasilkan
dari fusi sel somatik)
Fusi sel berkembang setelah peneliti berhasil mengisolasi sel
tanaman tanpa dinding sel (protoplasma)
1980an: era tanaman transgenik dimulai
insersi (penyisipan) gen-gen bakteri pada tanaman:
• tembakau „kanamycin resistant‟
• petunia „kanamycin resistant‟
• penyisipan gen kedele pada tanaman bunga matahari
» riset
1990: FlavrSvr Tomato (The first commercial transgenic plant)
Tomat Flavr Savr diproduksi oleh Calgene (perusahaan biotek)
menggunakan teknologi antisense untuk menghasilkan buah tomat
dengan tekstur yang tetap segar (tegar/kuat) meskipun telah masak
Public concern and debate surrounded Flavr Savr’s introduction to the
market:
How would this change the tomato?
Was this tomato dangerous to our health (nutrition, allergies,and toxin)?
What were the dangers to the environment?
What about gene transfer across different organisms?
Had Calgene created a “Frankenfood”?
» tahun 1997 ditarik dari pasaran, kurang ekonomis
Teknologi Tanaman Transgenik
Sinonim transgenik:
Genetically Modified Organism (GMO)
Genetically Engineered Organism (GEO)
Teknologi tanaman transgenik berkembang krn :
1.Transfer genetik dapat dilakukan tidak terbatas hanya pada organismeorganisme dengan spesies atau genus yang sama, tetapi dapat dilakukan
antar organisme dengan famili bahkan kingdom yang berbeda
2.Transfer gen lebih terarah, hanya gen target saja yang dimasukkan/
disisipkan pada genome tanaman „terpilih‟.
Pada persilangan tradisional, transfer gen melibatkan serangkaian gen
baik gen target ataupun non target.
3.Produksi tanaman unggul lebih efisien dalam hal waktu dan tempat.
transgenik
singkat, lab dan lahan terbatas
persilangan tradisional
lama, lahan luas
PRINSIP BIOTEKNOLOGI (REKAYASA GENETIKA)
TANAMAN
Rekayasa genetika tanaman melibatkan serangkaian proses
Teknologi DNA Rekombinan (TDR) sbb:
1.
2.
3.
4.
5.
Isolasi dan pengklonan gen target
Modifikasi klon:
- penambahan beberapa segmen DNA untuk
inisiasi dan peningkatan ekspresi gen
- Penambahan penanda seleksi (selectable
markers)
Introduksi DNA rekombinan pada sel tanaman
Seleksi sel/jaringan transforman
Regenerasi sel/jaringan menjadi tanaman utuh (modifikasi
teknologi kultur jaringan)
Metoda untuk transformasi DNA ke dalam sel
tanaman
• Biologi
– Agrobacterium
– Bakteri lain
– Virus
• Fisik
– Particle bombardment
– Electroforasi
– Silicon carbide whiskers
– Carbon nanofibers
Metoda introduksi DNA dengan potensi alami
Agrobacterium tumefaciens
Agrobacterium tumefaciens:
• bakteri gram negatif
• secara alamiah memiliki kemampuan untuk
melakukan transformasi genetik pada tanaman
• memiliki plasmid Ti (tumor inducing plasmid)
• Plasmid Ti (Tumor inducing plasmid) yang
mengandung:
- T-DNA (bagian dari plasmid Ti yang di transfer ke
genom tanaman) mengandung gen-gen:
iaaM/tms1, iaaH/tms2, tmr/ipt,opine, right border,
left border
- gen vir (virulensi)
- katabolisme opine
(sumber energi A.
tumefaciens)
Peta plasmid Ti »
Ti Plasmid
• Potensi alami Agrobacterium tumefaciens
melakukan transformasi genetik pada sel tanaman
(daerah pangkal batang)
» mengakibatkan terjadinya tumor “crown
gall” pada tanaman yang terinfeksi
Meskipun plasmid Ti efektif untuk dijadikan vektor
alami dalam rekayasa genetika tetapi plasmid
tersebut memiliki beberapa kelemahan, yaitu:
•
Produksi phytohormon (auksin dan sitokinin) pada sel transforman
mengakibatkan sel terus membelah (regenerasi sel tidak mengarah pada
diferensiasi menjadi individu baru/ tanaman utuh), sehingga gen-gen
auksin dan sitokinin harus dihilangkan.
•
Gen pengkode sintesis opine tidak berguna bagi tanaman transgenik dan
mungkin justru akan menurunkan produktivitas tanaman transgenik
sehingga gen ini perlu dihilangkan.
•
Sebagai vektor kloning, sebaiknya plasmid dalam ukuran yang tidak terlalu
besar sehingga gen-gen lain dalam plasmid Ti yang
tidak penting
harus dihilangkan
•
Replikasi plasmid akan lebih mudah bila dilakukan dalam sel bakteri E. coli
sehingga perlu ditambahkan ori dari E. coli
Untuk aplikasinya dalam produksi tanaman transgenik
(sebagai vektor kloning), plasmid Ti scr umum memiliki
komponen:
• Gen penanda seleksi (selectable marker gene):
gen-gen resistensi thd antibiotik (kanamycinr, ampisilinr,
tetracyclinr), gen gus, dll
• Ori E. coli
• Sekuen ‘right border’ dari T-DNA: penting untuk integrasi TDNA pada DNA sel tanaman
• Multiple Cloning Site (MCS) untuk memfasilitasi insersi DNA
target pada T-DNA

Ilustrasi introduksi DNA rekombinan ke dalam
sel tanaman dengan A. tumefaciens
Floral Dip
Transformation
SELEKSI KANDIDAT TRANSGENIK
Metoda “Gen Gun”
•
Isolasi gen target
•
Penempelan gen target pada partikel logam (microprojectile
particles)
•
Partikel logam yang sudah ditempeli gen target dimasukkan
ke dalam senjata gen (Gene Gun) dan kemudian ditembakkan
pada sel tanaman. Partikel akan mempenetrasi dinding sel
tanaman sehingga masuk ke dalam sitoplasma. Partikel akan
tercuci oleh cairan sel sehingga gen target yang menempel
akan lepas dan kemudian masuk ke dalam nukleus dan
menyisip pada kromosom sel tanaman.
1
2
3
Gene gun: (1) pengatur
gas helium, (2) wadah
microprojectile yang
sudah ditempeli DNA,
(3) wadah kultur
jaringan tanaman target
Setelah gen target berhasil disisipkan pada genom
tanaman maka sel rekombinan harus diinduksi
untuk menjadi individu baru (tanaman transgenik)
dengan proses:
•
Sel transgenik ditumbuhkan pada media multiplikasi untuk
diperbanyak (pembentukan kalus).
•
Kultur sel/kalus kemudian dipindahkan/ ditumbuhkan pada
media diferensiasi agar mampu berdiferensiasi sehingga
membentuk individu baru (plantlets)
•
Terakhir, plantlet dipindahkan ke tanah/lahan (aklimatisasi)
agar tumbuh selayaknya tanaman normal (tanaman
transgenik).
Tanaman-tanaman transgenik yang sudah dikembangkan :
Insect Resistence Plant (tanaman tahan hama)
- Bt toxin gene
Virus-Resistant Plants (tanaman tahan virus)
- vaksinasi dengan viral coat protein gene
- RNA antisense yang mengarah pada „gene silencing‟
Herbicide-Resistant Plants (tanaman tahan herbisida)
- gen nitrilase
Stress and Senescence-Tolerant Plants (tanaman toleran terhadap
stress dan senesens (penuaan)
- gen ACC deaminase
Flower Pigmentation
Plant as Bioreactors
Genetically Engineered Purple Tomato Could
Fight Cancer
Using a gene from a snapdragon flower,
researchers have created a purple tomato rich in
antioxidants, and a new study has shown that
cancer-prone mice that were fed the altered
tomatoes had significantly longer lifespans than
those that dined on regular tomatoes. The
tomatoes’ purple hue was a side effect of the
type of antioxidants produced, called
anthocyanins.
The tomatoes produce levels of anthocyanins about on par with blackberries,
blueberries and currants, which recent research has touted as miracle fruits.
But because of the high cost and infrequent availability of such berries,
tomatoes might be a better source, says [lead researcher Cathie] Martin [USA
Today].