bahan ajar dasar-dasar genetika oleh: ir. supriyanta

BAHAN AJAR
DASAR-DASAR GENETIKA
OLEH:
IR. SUPRIYANTA, MP.
JURUSAN BUDIDAYA PERTANIAN
FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS GADJAH MADA
2004
Universitas Gadjah Mada
Topik 1
Pendahuluan
Dalam bidang biologi, kita mengenal suatu organisme sebagai suatu
organispsi atau sistem yang tertutup. Suatu organisme bisa kita bedakan atas
komponen penyusunnya yang biasa dikenal dengan organ, jaringan dan sel.
Secara sederhana organ dimaksudkan sebagai bagian dari sistem organisme
dengan fungsi tertentu. Sebagai contoh dalam suatu sistem tubuh tanaman
maka dikenal adanya organ vegetatif misalnya akar, batang dan daun, dan
organ generatif yaitu bunga, buah dan biji. Dalam suatu organ terdiri dari
berbagai jaringan. Jaringan merupakan sekumpulan sel yang memiliki fungsi
tertentu, maka dikenal istilah jaringan pengangkut, jaringan epidermis, jaringan
meristem, dll. Berbeda dari jaringan dan organ, maka sel dipandang sebagai
unit terkecil sebagai penyusun unit-unit yang lebih besar (jaringan, organ,
organisme). Sel sering diberi pengertian sebagai 'building block' atau 'bath bata'
penyusun suatu bangunan.
Sel yang dipandang sebagai unit terkecil suatu organisme tersusun atas
beberapa komponen yakni, dinding sel, dinding plasma, inti sel dan berbagai
organel seperti mitokondria, ribosom dll. Didalam inti sel terdapat kromosom
yang diketahui sebagai pembawa informasi sifat baka suatu organisme. Bidang
inilah yang menjadi fokus kajian ilmu genetika.
1.1. Pengertian genetika
Genetika dapat diberi pengertian sebagai ilmu yang mempelajari tentang
suatu proses bagaimana suatu karakter diwariskan dari suatu generasi ke
generasi berikutnya. Dengan demikian bidang kajian genetika ditekankan
terhadap persoalan untuk menjawab apakah materi genetik yang diwariskan
tersebut, bahan-bahan materi genetik tsb, proses pewarisannya, bagaimana
prinsip-prinsip/hukum yang mengatur proses tersebut, faktor-faktor apa saja
yang mempengaruhinya, konsekuensi-konsekuensi apa yang akan terjadi dari
proses-proses tersebut, dli.
Universitas Gadjah Mada
1.2. Siklus hidup tanaman
Tanaman dan organisma pada umumnya mengalami siklus hidup yang
secara garis besar dibedakan menjadi fase gametofitik dan sporofitik. Pada
organisme tingkat tinggi fase gametofitik ditandai sel berada pada keadaan
haploid, sebaliknya fase sporofitik ditandai oleh sel dalam keadaan diploid.
Siklus ini berulang terus selama proses perkembangbiakan tanaman. Secara
seluler, setiap individu sel juga mengalami siklus semacam ini selama proses
pembelahan mitosis dan meiosis.
1.3. Kromosom, lokus, garnet, gen, dan alel
Secara sederhana kromosom dimengerti sebagai pembawa informasi
genetik dari satu generasi ke generasi berikutnya. Suatu individu tanaman
merupakan pewaris dari kedua tetuanya (jantan dan betina), sehingga memiliki 1
set (seperangkat) kromosom dari tetua jantan dan 1 set kromosom dari tetua
betina yang terbawa daiam garnet (sel kelamin) selama proses fertilisasi. 1 set
kromosom suatu organisme disebut genom. Dengan demikian suatu individu
memiliki 2 set kromosom yang dalam kodifikasinya dituliskan 2n. Individu seperti
itu disebut memiliki tingkat ploidi diploid (2n=2x).
Dimaklumi bahwa suatu individu suatu organisme memiliki berbagai
macam karakter atau sifat. Bagian dari kromosom yang secara kimiawi
merupakan sequen DNA yang mengendalikan penampilan suatu karakter biasa
disebut gen. Dengan demikian secara kasar dapat dimaklumi bahwa kromosom
merupakan untaian/kumpulan gen. Dalam perspektif ini setiap gen biasa juga
dikenal sebagai lokus atau tempat gen. Mengingat bahwa setiap individu
mewarisi kromosom dari kedua tetuanya (jantan dan betina) maka setiap
karakter
(fenotipe)
merupakan
resultante
dari
aksi
kedua
gen
yang
bersangkutan. Dalam konteks pasangan seperti ini. maka masing-masing gen
penyusun pasangan disebut alel dari pasangannya. Sebagai contoh misalnya
karakter warna bunga pada tanaman bunga pukul empat dikendaiikan oleh lokus
Universitas Gadjah Mada
A, maka genotipe suatu individu tanaman bunga pukul empat bisa berupa AA,
Aa dan aa. Gen A merupakan alel dari a dan sebaliknya a merupakan alel dari A.
1.4. Pembelahan sel
Dalam suatu siklus hidup organisme secara garis besar dibedakan
menjadi dua tahap yakni fase vegetatif atau pertumbuhan dan fase reproduktif
yang juga dikenal sebagai fase perkembangbiakan (berkembang dan berbiak).
Dalam perspektif seluler, kedua fase hidup organisme terkait erat dengan
peristiwa pembelahan sel. Pembelahan sel dibedakan menjadi dua tipe yaitu
pembelahan mitosis dan pembelahan meiosis. Secara umum dapat dikatakan
bahwa pembelahan mitosis terkait erat dengan fase pertumbuhan, sedang
pembelahan meiosis terkait erat dengan fase perkembangbiakan.
Mitosis merupakan tipe pembelahan sel yang menghasilkan dua sel anak
yang identik. Sebaliknya pembelahan meiosis merupakan suatu proses
pembelahan sel yang menghasilkan sel anak yang tidak identik, dimana materi
genetik yang dikandung masing-masing sel anak mengalami pengurangan
(separoh dari sel tetuanya), sehingga biasa dikenal dengan istilah pembelahan
reduksi.
Pembelahan mitosis terjadi pada jaringan vegetatif/meristematik yang
secara organis menyebabkan terjadinya proses pertumbuhan sebagai akibat
dari pertambahan ukuran volume masing-masing individu sel dan pertambahan
jumlah sel yang identik. Sebagai contoh pembelahan mitosis pada jaringan
meristem ujung batang suatu tanaman akan mengakibatkan bertambah
besamya ukuran batang dan bertambah banyaknya cabang sehingga tanaman
semakin besar dan rimbun. Berbeda dengan mitosis, pembelahan meiosis yang
juga dikenal sebagai pembelahan reduksi terjadi pada organ reproduksi, pada
tanaman berupa bunga, yang akan diikuti suatu proses pembuahan/fertilisasi
sehingga suatu tanaman akan membentuk buah dan biji. Dengan asumsi bahwa
suatu tanaman bersifat diploid (2n), maka suatu sel reproduksi yang mengalami
pembelahan reduksi akan menghasilkan sel anak yang bersifat haploid (n).
Dalam tanaman pembelahan reduksi terjadi pada PMC (Pollen Mother Cell atau
Universitas Gadjah Mada
sel induk tepungsari) dan EMC (Embryosac Mother Cell atau sel induk kandung
lembaga). Dengan demikian suatu butir tepungsari yang berada dalam
kantongsari dan suatu sel telur yang berada dalam kandung lembaga bersifat
haploid (n). Dilihat dari sudut pandang genetika, pembelahan meiosis
memungkinkan terjadinya penggabungan sifat-sifat baru (rekombinasi) yang
merupakan gabungan dari kedua tetua.
1.4.1. Pembelahan mitosis
Secara umum pembelahan mitosis terdiri dari beberapa fase yakni,
interfase, profase, metafase, anafase dan telofase.
a. Interfase.
Fase ini sering disebut fase istirahat karena sel tidak menunjukkan
adanya gejala pembelahan. Pada fase ini aktivitas sel berupa penggandaan
material genetik sebagai bahan proses pembelahan. Dengan pertimbangan ini
ada sementara ahli yang berpandangan bahwa fase ini merupakan fase
terpenting selama proses pembelahan.
b. Profase
Fase ini diawalai dengan selesainya proses penggandaan bahan genetik
sehingga sel slap melakukan pembelahan/pembagian material genetik kedalam
sel anak yang akan dihasilkan di akhir proses pembelahan. Fase ini ditandai
dengan memendeknya benang-benang kromosom karena memilin sehingga
kromosom nampak jelas apabila diamati dibawah mikroskop.
c. Metafase
Kromosom yang telah mengganda (masing-masing disebut kromatid
atau kromosom anakan) berkumpul di bidang ekuator dilanjutkan dengan proses
pembentukan benang spindel yang akan berfungsi sebagai penarik kromosom
ke masing-masing kutub sel.
d. Anafase
Universitas Gadjah Mada
Kromosom anakan (kromatid) memisah satu sama lain akibat ditarik
benang spindel ke masing-masing kutub sel.
e. Telofase
Kromatid telah tertarik ke kutub-kutub sel dan diikuti pembentukan dinding
pemisah sehingga terbentuk dua sel inti. Pada akhir fase ini diikuti proses
pembelahan sitoplasma (sitokenesis) sehingga terbentuk dua sel anak yang
memiliki ciri bahan genetiknya identik.
1.4.2. Pembelahan meiosis
Secara garis besar proses pembelahan meiosis terjadi dalam dua tahap yang
biasa disebut meiosis I dan meiosis II. Proses pembelahan meiosis lebih rumit
dibanding pembelahan mitosis. Ada 4 hal pokok yang terjadi selama proses
pembelahan meiosis dan tidak terjadi pada pembelahan mitosis, yakni:
kromosom homolog berpasangan, terjadi pertukaran bahan genetik (proses
pindah silang) selama keadaan berpasangan dari kromosom homolog, terjadi
penyebaran kromosom kedalam 4 sel anak (haploid) yang terbentuk, dan
pembelahan meiosis memungkinkan terjadinya pengaturan bahan genetik
kromosom yang berbeda dari kedua induknya akibat terjadinya pindah silang.
a. Meiosis I
Sebelum sel memasuki fase pembelahan, sel berada dalam fase
premeiotik. Selanjutnya tahapan pembelahan meiosis I terdiri dari fase-fase sbb.:
1. Profase I
Periode profase pada proses pembelahan meiosis berlangsung jauh lebih
lama dibanding profase pada pembelahan mitosis. Profase pada meiosis
dibedakan menjadi 5 tahap, yakni:
a. Leptoten
Periode ini merupakan proses pengumpulan material genetik yang ditandai
dengan merenggangnya kromonemata sehingga kelihatan sebagai benang-
Universitas Gadjah Mada
benang halus. Filamen protein mulai terbentuk secara lateral dan kemudian
melekat pada sentromer.
b. Zigoten
Kromosom memendek karena proses memilin dan kromosom homolog
berpasangan (sinapsis). Keadaan berpasangannya kromosom-kromosom
homolog ini merupakan perbedaan mendasar antara pembelahan mitosis
dengan pembelahan meiosis. Pasangan kromosom homolog disebut
bivalen.
Pada
synaptinemal
periode
complex.
ini
dikenali
Selama
dengan
keadaan
terbentuknya
berpasangan
struktur
inilah
memungkinkan terjadinya proses pertukaran bahan genetik (pindah silang)
sehingga memungkinkan terbentuknya kombinasi baru dari sifat-sifat induk
betina dan induk jantan.
c. Pakhiten
Periode ini merupakan tahap akhir proses berpasangan dimana masingmasing bivalen dalam keadaan mengganda sehingga masing-masing
pasangan kromosom homolog terdiri dari 4 kromatid, itulah mengapa
periode ini disebut fase tetrad. Pada keadaan ini terjadi peristiwa
pertukaran bahan genetik dari kromosom yang berbeda (non-sister
chromatid).
d. Diploten
Fase ini ditandai dengan peristiwa pemisahan pasangan-pasangan
kromosom. Terjadinya proses pindah silang akan bisa dikenali dengan
terbentuknya kiasma. Struktur synaptinemal complex terlepas dari
kromatid.
e. Diakinesis
Fase ini ditandai dengan proses memisah atau menjauhnya anggota
pasangan kromosom yang membentuk bivalen. Pada fase ini proses
pemendekan
kromosom
mencapai
terbentuknya benang gelendong.
Universitas Gadjah Mada
maksimum
dan
ditandai
mulai
2. Metafase I
Seperti pada pembelahan mitosis, pada metafase pasangan-pasangan
kromosom homolog mengumpuf dan berderet di bidang equator, benangbenang gelendong berjajar teratur dan melekat pada sentromer bivalen.
Perbedaan fase ini dari metafase pada mitosis terdapat pada keadaan
kromosom yang berderet merupakan pasangan kromosom, bukan kromosom
tunggal.
3. Anafase I
Kromosom-kromosom
homolog
memisah
sehingga
terjadi
reduksi/pengurangan jumlah kromosom dan menuju kutub yang berlawanan.
Kromosom-kromosom yang memisah ini sesungguhnya terdiri dari dua
kromatid, sehingga biasa disebut dyad. Proses memisahnya kromosom ini
terjadi secara rambang, proses inilah yang mendasari prinsip segregasi Mendel
(Hk. Mendel I).
4. Telofase I
Fase ini ditandai dengan sampainya dyad pada kutub-kutub yang
berlawanan. Pada fase ini terjadi difusi kromosom dan kadang-kadang terbentuk
selaput inti. Fase ini merupakan akhir meiosis I, selanjutnya sel mengalami
interkinesis sebelum dilanjutkan dengan meiosis II.
b. Meiosis II
Sekilas pembelahan meiosis II mirip dengan pembelahan mitosis,
perbedaannya terletak pada macam kromosomnya. Oleh karena pada
pembelahan meiosis I sel telah mengalami reduksi jumlah kromosom, maka
pada pembelahan meiosis II ini tidak dijumpai adanya kromosom homolog.
Kromatid-kromatid yang ada berbeda satu sama lain akibat adanya peristiwa
pindah silang dari kromosom lain (non-sister chromatids). Pembelahan meiosis
II dibedakan menjadi 4 fase sbb.:
1. Profase II
Dyad masih terhubung oleh sentromer dan kromosom menjadi sangat
pendek kemudian bergerak ke bidang equtor.
Universitas Gadjah Mada
2. Metafase II
Dyad berjajar di bidang equator. Setiap kromosom tersusun atas 2
kromatid, sentromer melekat pada benang gelendong, sentromer membelah
dan kromatid mulai bergerak ke arah kutub pada akhir fase ini.
3. Anafase II
Karena kromatid tertarik oleh benang gelendong ke arah kutub, maka
kromatid akan memisah dari pasangannya (menjadi kromosom baru) dan
bergerak ke kutub-kutub yang berlawanan secara rambang. Pada fase inilah
terjadinya proses reduksi yang sebenamya, yakni dari status diploid menjadi
haploid.
4. Telofase II
Pada fase ini merupakan tahap pembentukan 4 sel anak yang haploid
atau biasa dikenal sebagai proses pembentukan tetrad. Fase ini ditandai
dengan pembentukan selaput inti yang mengelilingi keempat kromatid
(kromosom anakan), bentuk kromosom menjadi kabur (tidak jelas) dan bersifat
haploid, selanjutnya terjadi modifikasi bentuk sel untuk membentuk sel garnet.
Gambar skematis siklus hidup sel, pembelahan mitosis dan pembelahan
meiosis disajikan dalam gambar 1, 2, dan 3.
Universitas Gadjah Mada
Gambar 1. Siklus hidup sel secara umum (a) siklus hidup sel binatang (b)
siklus hidup sel tanaman
Universitas Gadjah Mada
Universitas Gadjah Mada
Universitas Gadjah Mada
Gambar 3. Tahapan pembelahan meiosis (reduksi)
Universitas Gadjah Mada