Studi Asosiasi Lintas Genom: pendekatan molekuler baru untuk

26
Studi Asosiasi Lintas Genom: pendekatan molekuler baru untuk
mempersingkat waktu pemuliaan tanaman
Pemuliaan tanaman identik dengan pekerjaan yang rumit dan membutuhkan waktu lama
apabila dilakukan dengan cara konvensional. Studi Asosiasi Lintas Genom (GWAS)
menjadikan proses pemuliaan tanaman lebih terarah, efektif dan efisien dengan mempelajari
hubungan keterkaitan antara karakter yang tampak (fenotipe) dan gen-gen di dalamnya
(genotipe). Fenotipe yang diinginkan oleh pemulia dapat disasar dengan akurat setelah
diketahui basa nukleotida penyusun gen yang terlibat dalam ekspresi karakter tersebut.
Pada awalnya, Studi Asosiasi Lintas Genom atau dikenal dengan sebutan Genome-Wide
Association Study (GWAS) digunakan untuk mempelajari genom manusia yang terkait dengan
gen-gen fungsional penyebab penyakit pada manusia [1]. Para peneliti berusaha untuk mencari
penyebab genetis beberapa penyakit kronis seperti kanker, asma, serangan jantung, parkinson,
sklerosis, dan diabetes [2-6]. Keberhasilan studi GWAS pertama kali dilaporkan pada tahun
2005, ketika kelompok peneliti menemukan dua SNP (Single Nucleotide Polymorphism) yang
berbeda dibandingkan dengan kontrol pada pasien yang mengalami penuaan dini [7]. Hingga
tahun 2017, lebih dari 3000 pasien telah diuji melalui pendekatan ini sehingga lebih dari 1800
penyakit berhasil diketahui penyebab dan mekanisme infeksinya [1,8]. Saat ini, Studi Asosiasi
Lintas Genom sudah banyak juga digunakan untuk mempelajari penyebab genetik penyakit
pada tanaman maupun karakter-karakter fenotipik lainnya yang berguna untuk program
pemuliaan tanaman.
Ilustrasi Studi Asosiasi Lintas Genom (GWAS) sebagai uji klinis empiris untuk mengidentifikasi dan
mengkarakterisasi penyebab penyakit pada manusia [9]
www.iribb.org | April 2017 | 5(1), 26-29
Irfan Martiansyah & Riza Arief Putranto - Peneliti PPBBI
27
Pemuliaan tanaman semakin berkembang seiring sejak revolusi hijau yang terus melangkah
maju hingga sekarang. Pemanfaatan penanda molekuler dalam pemuliaan berpotensi
mempercepat dan meningkatkan presisi dari proses seleksi tanaman. Teknik ini antara lain
diaplikasikan untuk menganalisis keterpautan antara gen dengan sifat penting pada populasi
segregasi sehingga gen target dapat terpetakan dalam genom tanaman [10,11]. Studi Asosiasi
Lintas Genom merupakan pengembangan dari teknologi pemetaan gen dengan menggunakan
data genotipe dan fenotipe untuk analisisnya. Berbeda dengan studi pemetaan gen, GWAS
dapat dicobakan pada beberapa aksesi plasma nutfah tanpa memerlukan populasi segregasi
hasil silangan antara dua tetua. Melalui teknologi GWAS, keragaman plasma nutfah dapat
diungkap lebih detil sebagai sumber genetik dalam perbaikan varietas [8,12]. Umumnya, Studi
Asosiasi Lintas Genom dilakukan pada populasi tetap spesies tanaman tertentu yang tersebar
dalam beberapa fenotipe karakter dan menghasilkan peta populasi spesifik untuk karakter
tersebut [13].
Ilustrasi Studi Asosiasi Lintas Genom (GWAS) untuk pemuliaan tanaman padi
(http://ricewiki.big.ac.cn/index.php/Genome-Wide_Association_Studies_in_Rice)
Studi Asosiasi Lintas Genom pada tanaman pertanian digunakan untuk pemetaan persilangan
biparental dan pemetaan genetik multikarakter yang berkelanjutan. Lebih jauh penggunaan
studi ini untuk mengungkap secara genetik morfologi tanaman, hasil produksi dan fisiologi
tanaman liar maupun budidaya [14]. Hingga saat ini, GWAS telah berhasil diimplementasikan
pada Oryza sativa, Zea mays, Brassica napus, Hordeum vulgare, Sorgum sp., dan Setaria sp.,
[14-19]. Pada padi, studi ini mendukung terciptanya varietas-varietas baru yang tahan
cekaman abiotik (toleran salinitas, suhu tinggi, dan suhu rendah) [20,21] maupun biotik
(resistensi terhadap nematoda akar dan ketahanan terhadap penyakit blas) [22,23] serta dapat
memunculkan karakter agronomi yang diinginkan (waktu berbunga, arsitektur akar, ukuran
dan bentuk bulir) [24,25].
Pada tanaman perkebunan, saat ini GWAS digunakan dalam program pemuliaan tanaman
kelapa sawit untuk (1) peningkatan toleransi terhadap perubahan iklim dan (2) peningkatan
www.iribb.org | April 2017 | 5(1), 26-29
Irfan Martiansyah & Riza Arief Putranto - Peneliti PPBBI
28
kandungan minyak tinggi pada mesokarp [26,27]. Selain itu studi molekuler ini berhasil
diaplikasikan untuk meningkatkan karakter kuantitatif tanaman tebu dan merakit varietas tebu
resisten sugarcane yellow leaf virus (SCYLV) [28,29]. Pada tanaman kakao, GWAS
digunakan untuk mencari gen-gen yang terlibat dalam inkompatibilitas seksual akibat
banyaknya bunga yang berguguran [30]. Namun, sejauh ini publikasi terkait penerapan
GWAS belum pernah ditemukan pada pemuliaan tanaman karet.
Dengan perkembangan teknologi sekuensing dan metode komputasi yang cepat, Studi
Asosiasi Lintas Genom dapat menjadi salah satu pendekatan molekuler “terbaik” untuk
mendeteksi variasi alami suatu tanaman dan merakit varietas-varietas baru dalam program
pemuliaan tanaman masa kini.
Referensi
1. Burton PR, Clayton DG, Cardon LR, Craddock N, Deloukas P, et al. (2007) Genome-wide
association study of 14,000 cases of seven common diseases and 3,000 shared controls.
nature 447: 661-678.
2. Cookson MR, Bandmann O (2010) Parkinson's disease: insights from pathways. Human
Molecular Genetics 19: R21-R27.
3. Garcia-Sanchez A, Isidoro-García M, Garcia-Solaesa V, Sanz C, Hernandez-Hernandez L,
et al. (2015) Genome-wide association studies (GWAS) and their importance in
asthma. Allergologia et immunopathologia 43: 601-608.
4. Lee J-Y, Lee B-S, Shin D-J, Woo Park K, Shin Y-A, et al. (2013) A genome-wide
association study of a coronary artery disease risk variant. J Hum Genet 58: 120-126.
5. Stadler ZK, Thom P, Robson ME, Weitzel JN, Kauff ND, et al. (2010) Genome-Wide
Association Studies of Cancer. Journal of Clinical Oncology 28: 4255-4267.
6. van Rheenen W, Shatunov A, Dekker AM, McLaughlin RL, Diekstra FP, et al. (2016)
Genome-wide association analyses identify new risk variants and the genetic
architecture of amyotrophic lateral sclerosis. Nat Genet 48: 1043-1048.
7. Klein RJ, Zeiss C, Chew EY, Tsai J-Y, Sackler RS, et al. (2005) Complement Factor H
Polymorphism in Age-Related Macular Degeneration. Science (New York, NY) 308:
385-389.
8. Bush WS, Moore JH (2012) Genome-wide association studies. PLoS Comput Biol 8:
e1002822.
9. Ko DC, Urban TJ (2013) Understanding human variation in infectious disease susceptibility
through clinical and cellular GWAS. PLoS Pathog 9: e1003424.
10. Crossa J, Pérez P, Hickey J, Burgueño J, Ornella L, et al. (2014) Genomic prediction in
CIMMYT maize and wheat breeding programs. Heredity 112: 48-60.
11. Heffner EL, Lorenz AJ, Jannink J-L, Sorrells ME (2010) Plant breeding with genomic
selection: gain per unit time and cost. Crop science 50: 1681-1690.
12. Utami DW (2014) Pemanfaatan Asosiasi Lintas Genom (Studi asosiasi Genom) dalam
Pemuliaan Tanaman. Jurnal Penelitian dan Pengembangan Pertanian 33: 141-148.
13. Borém A, Fritsche-Neto R (2014) Biotechnology and Plant Breeding: Applications and
Approaches for Developing Improved Cultivars: Elsevier.
14. Bian Y, Holland J (2017) Enhancing genomic prediction with genome-wide association
studies in multiparental maize populations. Heredity.
www.iribb.org | April 2017 | 5(1), 26-29
Irfan Martiansyah & Riza Arief Putranto - Peneliti PPBBI
29
15. Visioni A, Tondelli A, Francia E, Pswarayi A, Malosetti M, et al. (2013) Genome-wide
association mapping of frost tolerance in barley (Hordeum vulgare L.). BMC
Genomics 14: 424.
16. Sun C, Wang B, Wang X, Hu K, Li K, et al. (2016) Genome-Wide Association Study
Dissecting the Genetic Architecture Underlying the Branch Angle Trait in Rapeseed
(Brassica napus L.). Scientific Reports 6.
17. Spindel J, Begum H, Akdemir D, Collard B, Redoña E, et al. (2016) Genome-wide
prediction models that incorporate de novo GWAS are a powerful new tool for tropical
rice improvement. Heredity.
18. Morris GP, Ramu P, Deshpande SP, Hash CT, Shah T, et al. (2013) Population genomic
and genome-wide association studies of agroclimatic traits in sorghum. Proceedings of
the National Academy of Sciences 110: 453-458.
19. Jia G, Huang X, Zhi H, Zhao Y, Zhao Q, et al. (2013) A haplotype map of genomic
variations and genome-wide association studies of agronomic traits in foxtail millet
(Setaria italica). Nature genetics 45: 957-961.
20. Kumar V, Singh A, Mithra SA, Krishnamurthy S, Parida SK, et al. (2015) Genome-wide
association mapping of salinity tolerance in rice (Oryza sativa). DNA Research:
dsu046.
21. Lv Y, Guo Z, Li X, Ye H, Li X, et al. (2016) New insights into the genetic basis of natural
chilling and cold shock tolerance in rice by genome‐wide association analysis. Plant,
cell & environment 39: 556-570.
22. Dimkpa SO, Lahari Z, Shrestha R, Douglas A, Gheysen G, et al. (2015) A genome-wide
association study of a global rice panel reveals resistance in Oryza sativa to root-knot
nematodes. Journal of experimental botany: erv470.
23. Wang C, Yang Y, Yuan X, Xu Q, Feng Y, et al. (2014) Genome-wide association study of
blast resistance in indica rice. BMC plant biology 14: 311.
24. Huang X, Wei X, Sang T, Zhao Q, Feng Q, et al. (2010) Genome-wide association studies
of 14 agronomic traits in rice landraces. Nat Genet 42: 961-967.
25. Huang X, Zhao Y, Wei X, Li C, Wang A, et al. (2012) Genome-wide association study of
flowering time and grain yield traits in a worldwide collection of rice germplasm.
Nature genetics 44: 32-39.
26. Teh C-K, Ong A-L, Kwong Q-B, Apparow S, Chew F-T, et al. (2016) Genome-wide
association study identifies three key loci for high mesocarp oil content in perennial
crop oil palm. Scientific Reports 6.
27. Rival A (2017) Breeding the oil palm (Elaeis guineensis Jacq.) for climate change. OCL
24: D107.
28. Débibakas S, Rocher S, Garsmeur O, Toubi L, Roques D, et al. (2014) Prospecting
sugarcane resistance to sugarcane yellow leaf virus by genome-wide association.
Theoretical and Applied Genetics 127: 1719-1732.
29. Racedo J, Gutiérrez L, Perera MF, Ostengo S, Pardo EM, et al. (2016) Genome-wide
association mapping of quantitative traits in a breeding population of sugarcane. BMC
plant biology 16: 142.
30. da Silva MR, Clément D, Gramacho KP, Monteiro WR, Argout X, et al. (2016) Genomewide association mapping of sexual incompatibility genes in cacao (Theobroma cacao
L.). Tree Genetics & Genomes 12: 1-13.
www.iribb.org | April 2017 | 5(1), 26-29
Irfan Martiansyah & Riza Arief Putranto - Peneliti PPBBI