tinjauan pustaka

TINJAUAN PUSTAKA
Produksi dan Kebutuhan Kedelai
Produksi kedelai nasional pada tahun 2011 sebesar 851 ribu ton
mengalami penurunan sebesar 56 ribu ton dibandingkan produksi tahun 2010
(BPS 2012). Penurunan produksi diperkirakan terjadi akibat dari penurunan luas
panen (Tabel 1). Sebaliknya, kebutuhan kedelai di Indonesia setiap tahun
mengalami peningkatan, misalnya kebutuhan pada tahun 2011 adalah sebesar 2.16
juta ton, kemudian kebutuhan pada tahun 2012 meningkat menjadi sebesar 2.2
juta ton kedelai. Produksi kedelai nasional hanya sebesar 851 ribu ton atau 29%
dari total kebutuhan, sehingga Indonesia harus mengimpor kedelai sebanyak 2.09
juta ton untuk memenuhi 71% kebutuhan kedelai dalam negeri (BPS 2012).
Tabel 1. Produksi, luas panen dan rataan produktivitas kedelai nasional tahun
2006-2011
Tahun
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Produksi
(ribu ton)
747.61
592.53
775.71
974.51
907.03
851.30
Luas Panen
(Ha)
580 534
459 116
590 956
722 791
660 823
620 928
Produktivitas
(Ku/Ha)
12.88
12.91
13.13
13.48
13.73
13.59
Sumber : BPS (2012)
Taksonomi, Morfologi dan Budidaya Kedelai
Kedelai dikelompokkan pada divisi Spermatophyta, kelas Dicotyledoneae,
ordo Rosales, famili Leguminoseae, sub famili Papilionaceae, genus Glycine,
spesies Glycine max (L.) Merill. Kedelai memiliki jumlah kromosom somatik 2n
= 40. Tanaman kedelai merupakan tanaman semusim, tanaman tegak dengan
tinggi 40-90 cm, bercabang, dan umur tanaman antara 72-90 hari. Sistem
perakaran kedelai terdiri dari dua macam, yaitu akar tunggang dan akar sekunder
(serabut) yang tumbuh dari akar tunggang (Adie & Krisnawati 2007).
8
Kedelai merupakan tanaman menyerbuk sendiri, yakni pada kepala putik
diserbuki oleh tepung sari dari bunga yang sama. Bunga kedelai biasanya
membuka pada pagi hari pada kondisi suhu relatif rendah dengan kelembaban
yang cukup. Biasanya bunga kedelai telah terserbuki sebelum bunga membuka.
Kemungkinan untuk terjadi penyerbukan silang sangat kecil yaitu kurang dari 1%.
Keadaan ini mengakibatkan kedelai menjadi homozigot dan kemurnian varietas
dapat dipertahankan selama beberapa generasi, sehingga biji-biji dalam satu
polong adalah identik (Poelhman 1996).
Pertumbuhan batang kedelai dibedakan menjadi dua tipe, yaitu tipe
determinate dan indeterminate. Perbedaan sistem pertumbuhan batang ini
didasarkan atas keberadaan bunga pada pucuk batang. Pertumbuhan batang tipe
determinate ditunjukkan dengan batang yang tidak tumbuh lagi pada saat tanaman
mulai berbunga. Sementara pertumbuhan batang tipe indeterminate dicirikan bila
pucuk batang tanaman masih bisa tumbuh daun, walaupun tanaman sudah mulai
berbunga. Kedelai diklasifikasikan sebagai tanaman hari pendek dikarenakan hari
yang pendek akan menginisisasi pembungaan, karena lama periode gelap
merupakan faktor yang menentukan dalam pembungaan. Penelitian menunjukkan
bahwa dalam satu menit periode gelap dapat menghambat perkembangan bunga.
Suhu hangat dapat mempercepat pembungaan dan pemasakan kedelai dan
sebaliknya, suhu dingin akan menghambat dua proses tersebut (Adie &
Krisnawati 2007).
Kedelai dibudidayakan melalui tahapan pemilihan benih, persiapan lahan,
penanaman, dan pemeliharaan. Dalam upaya meningkatkan produktivitas kedelai
sangat diperlukan ketersediaan varietas unggul dan benih yang bermutu tinggi.
Kedelai dapat tumbuh di berbagai agroekosistem dengan jenis tanah, kesuburan
tanah, iklim, dan pola tanam yang berbeda sehingga kendala satu agroekosistem
akan berbeda dengan agroekosistem yang lain. Oleh karena itu, ketersediaan
varietas yang beradaptasi dengan setiap wilayah agroekosistem sangat diperlukan
(Arsyad 2000). Tanaman kedelai biasanya ditanam pada lahan sawah (irigasi dan
tadah hujan), lahan kering (masam dan non masam) dan lahan pasang surut
(Adisarwanto & Sunarlim 2000).
9
Pengaruh Cekaman Al dan Mekanisme Toleransi Al pada Tanaman
Lahan marginal di Indonesia sebagian besar berupa tanah kering masam
dan memiliki potensi untuk dikembangkan sebagai perluasan areal tanam karena
luasnya mencapai 102.8 juta ha di Indonesia dan tersebar di wilayah Sumatra,
Kalimantan, dan Papua. Luas tanah kering masam yang sesuai untuk usaha
pertanian sekitar 55.8 juta ha (Mulyani et al. 2004). Tanah masam memiliki pH
tanah ≤ 5.5 (Kochian et al. 2005). Saat pH tanah berada dibawah 5 maka
aluminium (Al) dalam bentuk Al3+ akan meracuni perakaran tanaman. Sementara
itu Sanchez (1992) menyatakan bahwa pertumbuhan tanaman yang buruk pada
tanah masam berkaitan dengan kejenuhan Al yang tinggi. Tanah masam dapat
mengubah populasi dan aktivitas jasad mikro yang berperan pada transformasi N,
S dan P dalam tanah, sehingga secara tidak langsung akan mempengaruhi
ketersediaan unsur-unsur tersebut bagi tanaman.Tanah masam akan meningkatkan
ketersediaan unsur-unsur Mn dan Al (Kennedy 1992). Unsur-unsur ini merupakan
racun bagi tanaman. Keberadaan Mn dan Al ada pada saat pH tanah rendah.
Gejala keracunan Al sangat cepat (dimulai pada hitungan menit) akan
menyebabkan kerusakan pada akar dan penyerapan air dan nutrisi akan terhambat.
Respon yang sangat cepat mengindikasikan bahwa Al pertama kali akan
menghambat perkembangan dan sel pada akar serta perpanjangan akar. Daerah
keracunan Al terlokalisasi pada ujung akar (Ryan et al. 1997). Karena Al sangat
reaktif maka banyak daerah yang menjadi target keracunan yaitu dinding sel,
permukaan plasma membran, sitoskleton dan nukleus. Aluminium tidak hanya
mempengaruhi dinding sel tetapi juga mengakibatkan kerusakan struktur
membran plasma akar. Interaksi Al dengan senyawa lipid dan protein membran
dapat memicu peroksidasi lipid sehingga sel kehilangan integritas membran
plasma (Yamamoto et al. 2003). Dampak dari Al yaitu akan menginduksi reactive
oxygen species (ROS) dan juga rusaknya membran oleh peroxidative (Horst et al.
1992).
Mekanisme toleransi terhadap Al pada tanaman secara garis besar dibagi
menjadi dua yaitu mekanisme eksternal dan internal. Perbedaan utama antara dua
mekanisme tersebut adalah tempat detoksifikasi Al, yaitu pada mekanisme
eksternal di apoplas dan pada mekanisme internal di simplas. Mekanisme
10
eksternal merupakan mekanisme eksklusi Al (mencegah Al agar tidak melintasi
membran plasma masuk ke simplas), yaitu selektivitas membran plasma terhadap
pengambilan Al, meningkatkan pH dalam rizosfir atau apoplas akar, eksudasi
senyawa organik pengkelat Al, dan immobilisasi Al pada dinding sel. Mekanisme
internal merupakan mekanisme yang menyebabkan tanaman memiliki daya
toleransi untuk mengakumulasi Al dalam sel (tanaman membiarkan Al masuk ke
dalam simplas dan tidak memperlihatkan gejala keracunan). Mekanisme internal
yaitu kompartementasi (pengurungan) Al di vakuola, sintesis protein pengikat Al
yang akan menurunkan serapan Al, dan kelatisasi oleh asam organik (asam malat,
oksalat, fenolat, fulfat dan tartat) di sitosol (Kochian et al. 2005). Mekanisme
internal umumnya dimiliki oleh spesies tanaman pengakumulasi Al seperti
tanaman teh (Camelia sinensis L.) dan melastoma (Melastoma sp).
Kedelai tumbuh baik pada tanah yang sedikit masam sampai mendekati
netral, pada pH 5.5-7.0 dan pH optimal 6.0-6.5. Pada kisaran pH tersebut hara
makro dan mikro tersedia bagi tanaman kedelai. Pada tanah yang bereaksi masam
(pH < 5.5), hara fosfor (P), kalsium (Ca), magnesium (Mg), kalium (K), dan
sulfur (S) tidak mudah tersedia bagi tanaman kedelai (Khan et al. 2001). Pada
tanah masam, unsur Mn, Al, dan Fe tersedia secara berlebihan, sehingga dapat
bersifat racun bagi tanaman. Pada tanah masam yang mengandung Al tinggi yaitu
lebih dari 20% akan menyebabkan terjadinya keracunan pada akar kedelai,
sehingga akar tidak berkembang (pendek dan tebal), tanaman tumbuh kerdil, daun
berwarna kuning kecoklatan, dan tidak mampu membentuk polong (Sumarno &
Manshuri 2007).
Pemanfaatan Variasi Somaklonal untuk Seleksi In Vitro
Variasi somaklonal adalah keragaman genetik yang berasal dari kultur in
vitro (Larkin & Scowcroft 1981). Keragaman genetik merupakan faktor yang
sangat penting dalam program pemulian tanaman. Variasi somaklonal pada
tanaman yang dihasilkan dari kultur in vitro dapat digunakan untuk mendapatkan
sumber keragaman genetik baru dalam upaya perbaikan sifat tanaman yang
diinginkan serta untuk menghasilkan kultivar baru (Jain 2001). Perubahan genetik
yang terjadi dalam kultur in vitro disebabkan oleh penggandaan kromosom,
11
perubahan struktur kromosom (pindah silang), perubahan gen dan sitoplasma
(Bairu et al. 2011). Menurut Evans dan Sharp (1986) perubahan genetik yang
terjadi dalam kultur in vitro meliputi mutasi gen pada genom nukleus dan
sitoplasma, translokasi, delesi, inversi, transposabel elemen dan amplifikasi gen.
Beberapa faktor yang mempengaruhi munculnya variasi somaklonal yaitu
sumber eksplan yang digunakan, lamanya sel atau jaringan tanaman yang
dikulturkan secara in vitro, tipe regenerasi yang digunakan, genotipe tanaman
donor, konsentrasi dan tipe zat pengatur tumbuh yang digunakan. Pada tanaman
kedelai telah dilaporkan terjadi variasi somaklonal yang diregenerasikan melalui
proses embriogenesis dan organogenesis. Penggunaan auksin 2,4-D dengan
konsentrasi yang tinggi juga telah dilaporkan dapat menginduksi variasi
somaklonal. Berbagai karakter dapat berubah akibat variasi somaklonal, akan
tetapi karakteristik yang lain dilaporkan tetap menyerupai tanaman induknya
(Gesteira et al. 2002).
Seleksi in vitro adalah teknik yang sangat berguna untuk menghasilkan
somaklon yang mempunyai karakteristik tertentu. Dengan teknik ini, variasi
somaklonal akan dapat diinduksi dan hasilnya dapat diseleksi dalam media
selektif yang sesuai. Dengan menggunakan seleksi in vitro, intensitas seleksi yang
lebih besar dan lebih homogen dapat diberikan ke populasi sel dan jaringan
tanaman sehingga dapat meningkatkan efisiensi didapatkannya varian tanaman
yang diinginkan (Widholm 1996).
Husni et al. (2006) menunjukkan bahwa
metode seleksi in vitro dapat meningkatkan toleransi kedelai terhadap kekeringan
yang ditunjukkan oleh kandungan prolin dari somaklon lebih tinggi daripada
tanaman asalnya. Masalah yang sering dihadapi dalam seleksi in vitro adalah
sulitnya induksi kalus dan teknik regenerasi dari sel yang tahan terhadap
komponen seleksi menjadi planlet. Dengan demikian, induksi kalus serta teknik
regenerasi perlu dikuasai terlebih dahulu.
Variasi somaklonal dapat dimanfaatkan sebagai sumber keragaman
genetik pada seleksi in vitro untuk memperoleh suatu sifat unik yang diinginkan.
Teknik seleksi in vitro digunakan untuk mengembangkan tanaman toleran
terhadap cekaman abiotik seperti toleran terhadap cekaman kekeringan, cekaman
temperatur rendah dan tinggi, cekaman aluminium serta cekaman salinitas (Bajji
12
et al. 2004). Seleksi in vitro lebih efisien karena melalui seleksi in vitro jutaan sel
dapat diseleksi dengan hanya menggunakan beberapa botol kultur, sedangkan
seleksi di lapang harus menggunakan beratus-ratus tanaman yang diuji pada areal
yang lebih luas, selain itu seleksi in vitro tidak terlalu dipengaruhi oleh
lingkungan serta memungkinkan melakukan seleksi pada tingkat sel (Biswas et al.
2002).
Embriogenesis Somatik Kedelai
Tersedianya metode embriogenesis somatik merupakan salah satu syarat
untuk melakukan seleksi in vitro. Embriogenesis somatik merupakan suatu proses
dimana sel somatik (baik haploid maupun diploid) berkembang membentuk
tumbuhan baru melalui tahap perkembangan embrio yang spesifik tanpa melalui
fusi gamet (Williams & Maheswaran 1986). Keuntungan embriogenesis
dibandingkan metode lain adalah bahwa pada proses embriogenesis dilaporkan
dapat dipertahankan dalam waktu yang relatif lama melalui pembentukkan kalus
embriogenik yang berulang-ulang sehingga tidak tergantung sumber eksplan
(Raemakers et al. 1995). Proses embriogenesis kedelai dilakukan melalui enam
tahap yaitu induksi, proliferasi, histodifferensiasi, desikasi, germinasi dan
konversi (Gambar 3). Proses induksi kalus yang ditunjukkan angka satu pada
Gambar 3, dapat dilakukan dengan menggunakan eksplan yang berasal dari
embrio zigotik, kotiledon muda dan bagian tanaman seperti kotiledon, daun serta
petiol. Untuk eksplan embrio zigotik, induksi dilakukan dengan menggunakan
ZPT auksin, sedangkan untuk eksplan yang berasal dari kotiledon muda,
digunakan auksin sebagai sumber ZPT, dan pada eksplan yang berasal dari bagian
tanaman seperti kotiledon, daun serta petiol digunakan sumber ZPT kombinasi
antara auksin dan sitokinin. Tahap proliferasi pada embrio somatik yang berasal
dari eksplan kotiledon muda membutuhkan ZPT jenis auksin. Proses selanjutnya
adalah maturasi atau pendewasaan kemudian desikasi lalu germinasi atau
perkecambahan dan proses terakhir adalah konversi menjadi tanaman.
13
Embrio zigotik
Bagian kotiledon,
daun, petiol
Kotiledon Muda
Eksplan
Sitokininn
Auksin
Eksplan
Eksplan
Auksin +
Sitokinin
Induksi
Proliferasi
Auksin
Ekspl
an
Histodifferensiasi/
Maturasi
Desikasi
Gambar 3.
Germinasi
Konversi
Proses embriogenesis pada kedelai. (Sumber : Wiebke-Strohm et al.
2012)
Eksplan yang digunakan dapat berasal dari embrio zigotik, kotiledon
muda, dan bagian dari jaringan tanaman yaitu kotiledon, buku batang, daun
(Lazzeri 1985). Embriogenesis somatik pada kedelai dilaporkan pertama kali oleh
Christianson et al. (1983). Beberapa penelitian menunjukkan bahwa embrio
somatik dapat diperoleh secara langsung atau tidak langsung (melalui kalus)
14
(Ranch et al. 1985; Barwale et al. 1986). Keberhasilan dalam somatik
embriogenesis sangat dipengaruhi oleh berbagai macam faktor yaitu genotipe,
jenis dan umur eksplan dan konsentrasi ZPT (Jimènez 2005). Penelitian mengenai
embriogenesis somatik kedelai telah dilakukan oleh para peneliti baik di
Indonesia dan di manca negara yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Penelitian embriogenesis somatik kedelai di manca negara dan di
Indonesia
Varietas/Genotipe
Eksplan
Komposisi media
ZPT
Hasil penelitian
Pustaka
10 kultivar
kedelai
Kotiledon
muda 4-6
mm
Induksi : ½ MS + vit
B5 + sukrosa 30 g/l +
phytagel 2 g/l , pH 7.0
Proliferasi : ½ MS + vit
B5 + sukrosa 30 g/l +
phytagel 2 g/l , pH 5.8
Histodifferensiasi : MS
+ vit B5 + maltosa 60
g/l + 5 g/l arang aktif +
phytagel 2 g/l , pH 5.8
Maturasi : MS + Vit B5
+ maltosa 60 g/l +
phytagel 2 g/l , pH 5.8
Germinasi : MS0 + vit
B5 + sukrosa 30 g/l +
phytagel 2 g/l , pH 7.0
2,4-D
180µM
(40 mg/l)
2,4-D
90µM
(20 mg/l)
cv. CD 12
merupakan
genotipe harapan
untuk
menghasilkan
somatik embrio.
Untuk
mendapatkan
tanaman pada
metode
embriogenesis
memerlukan waktu
sepuluh bulan.
Texeira et
al. 2011
BRSMG 68
Vencedora, IAS-5
Kotiledon
muda 3-4
mm
Induksi : MS + vit B5 +
sukrosa 30 g/l +
phytagel 2 g/l, pH 7.0
Proliferasi : MS + vit
B5 + sukrosa 30 g/l +
phytagel 2 g/l , pH 5.8
2,4-D
180µM
(40 mg/l)
2,4-D
90µM (20
mg/l)
BRSMG 68
Vencedora
memiliki potensi
untuk menginduksi
embrio yang tinggi
Droste et al.
2010
cv. K10
Kotiledon,
pucuk,
buku akar,
kotiledon
muda,
embrio
aksis
muda
Induksi embrio somatik
primer : MS + vit B5 +
sukrosa 60 g/l + gelrite
2 g/l + asparagin 5 mM
+ glutamin 684μM, pH
5.8
Induksi embrio somatik
sekunder : MS + vit B5
+ sukrosa 30 g/l +
gelrite 2 g/l + asparagin
5 mM + glutamin
684μM, pH 5.8
Maturasi : MS + vit B5
+ maltosa 60 g/l +
gelrite 2 g/l + arang
aktif 5 g/l, pH 5.8
2,4-D
164.8μM
Pemilihan jenis
dan umur eksplan
berpengaruh
terhadap
keberhasilan
embriogenesis
somatik.
Penggunaan
eksplan embrio
muda (2-3 minggu
setelah anthesis)
sesuai pada
genotipe cv. K10
dibandingkan
penggunaan
eksplan yang lain.
Loganathan
et al. 2010
2,4-D
123.6μM
15
Varietas/
Genotipe
98 varietas
kedelai dari Cina
Ceneng,
Pangrango, CG30-10, CG-76-10,
Godek, Slamet
Eksplan
Komposisi media
Kotiledon
muda
Germinasi: MS0 + vit
B5 + sukrosa 30 g/l +
gelrite 2 g/l , pH 7.0
Regeneras i: MS0 + vit
B5 + manitol 30 g/l+
gelrite 2 g/l
Induksi : MS + 2 g/l
gelrite B5 + 30 g/l
sukrosa
Kotiledon
muda
Proliferasi : MS + 2 g/l
gelrite B5 + 30 g/l
sukrosa
ZPT
ABA 5
mg/l
NAA 10
mg/l +
2,4-D 10
mg/l
NAA 5
mg/l +
2,4-D 5
mg/l
Ceneng, Godek,
CG-76-10, Cg30-10
Kotiledon
muda
Induksi : MS + 2 g/l
gelrite B5 + 30 g/l
sukrosa
NAA 5
mg/l
14 genotipe
kedelai
Kotiledon
muda
Induksi embrio somatik
primer : MS + 2 g/l
gelrite + vit B5 + 30 g/l
sukrosa
2,4-D 40
mg/l
Induksi embrio somatik
sekunder : MS + 2 g/l
gelrite + vit B5 + 30 g/l
sukrosa
Germinasi: MS + 2 g/l
gelrite + vit B5 +
sukrosa 30 g/l arang
aktif 1g/l
2,4-D 10
mg/l +
NAA 10
mg/l
GA3 2
mg/l +
BAP 2
mg/l
Regenerasi: MS + 2 g/l
gelrite + vit B5 +
sukrosa 30 g/l
10 var Kedelai
Embrio
aksis
muda
MS + 2 g/l gelrite + 60
g/l sukrosa + glisin 2
mg/l +arginin 100 mg/l
+ glutamin 100 mg/l
2,4-D 40
mg/l
Hasil penelitian
Pustaka
Eksplan kotiledon
muda (4-5 mm)
paling sesuai
untuk
embriogenesis
somatik.
Genotipe Ceneng
menunjukkan
respon induksi dan
proliferasi kalus
embriogenik
terbaik.
Yang et al.
2009
Genotipe Ceneng
menghasilkan
rataan embrio fase
globular tertinggi.
Eksplan kotiledon
yang ditanam
dalam media yang
mengandung 2,4D dengan atau
tanpa NAAA
membentuk ES
lebih banyak
dibandingkan
dalam media
dengan NAA.
Media dengan 2,4D lebih cocok
untuk menginduksi
pembentukan
embrio somatik
sekunder dari
embrio somatik
primer.
Riyadi 2009
varietas Bromo,
Wilis, Tambora,
Black
Manchu,
Agromulyo
menunjukkan sifat
lebih
embrionik
Mariska et
al. 2004
Khumaida
dan
Handayani
2010
Widoretno
et al. 2003
16
Zat Pengatur Tumbuh
Beberapa faktor penting yang mempengaruhi induksi kalus dan regenerasi
tanaman yaitu pemilihan jenis eksplan, genotipe dan suplemen media yang
digunakan mencakup tipe dan kuantitas zat pengatur tumbuh. Zat pengatur
tumbuh adalah senyawa organik bukan hara yang dalam jumlah sedikit dapat
mempengaruhi proses-proses fisiologi dari pertumbuhan dan perkembangan
tanaman. Dalam perbanyakan in vitro, auksin berperan dalam merangsang
pembentukan kalus, pemanjangan sel, pembesaran jaringan dan pembentukan
akar. Pengaruh sitokinin dalam perbanyakan in vitro adalah merangsang
pembelahan sel dan multiplikasi tunas (George & Sherrington, 1984). Dari
berbagai hasil penelitian menunjukkan bahwa 2.4-D merupakan auksin yang
efektif untuk induksi kalus embriogenik pada kedelai (Texeira et al. 2011, Droste
et al. 2010, Loganathan et al. 2010). Tahap proliferasi pada embrio somatik yang
berasal dari eksplan kotiledon muda membutuhkan ZPT jenis auksin.
Perbandingan konsentrasi auksin dan sitokinin perlu diperhatikan karena
adanya sifat antagonis dari sitokinin terhadap auksin dalam inisiasi dan
perbanyakan akar. Tunas akan terbentuk apabila media mengandung sitokinin
yang tinggi dan auksin yang rendah, sedangkan akar terbentuk apabila
perbandingan zat-zat tersebut didalam media adalah sebaliknya. Morfogenesis
eksplan tergantung kepada keseimbangan auksin dan sitokinin di dalam media dan
interaksi antara zat pengatur tumbuh endogen pada tanaman serta zat pengatur
tumbuh eksogen yang diserap dari media tumbuh (Wattimena 1992).
Komposisi auksin dan sitokinin dalam media kultur in vitro sangat
berperanan dalam induksi kalus serta regenerasi kalus menjadi tunas. Interaksi
antara sitokinin dan auksin merupakan hal yang sangat penting dalam mengontrol
proses pertumbuhan dan perkembangan dalam kultur in vitro. Walaupun auksin
berperan utama dalam pembelahan sel, namun dalam beberapa tanaman sitokinin
juga sangat dibutuhkan untuk poliferasi kalus (Wattimena 1992).