PEMULIAAN TANAMAN MENYERBUK SENDIRI Tujuan pemuliaan Dasar genetik tanaman Keragaman genetik Metode pemuliaan Pengujian dan pelepasan varitas Tujuan Mendapatkan tanaman superior yang memiliki sifat-sifat unggulan TUGAS 1 : Cari 10 tanaman menyerbuk sendiri Cari tujuan pemuliaan pada tanaman menyerbuk sendiri (5 tanaman) Keluaran (output) pemuliaan tanaman menyerbuk sendiri Mendapatkan tanaman homosigot (galur) superior yang memiliki sifat-sifat unggulan (INBRIDA) Mendapatkan tanaman heterosigot yang memiliki keunggulan (HIBRIDA) Mendapatkan populasi yang terdiri dari galurgalur yang serupa hanya berbeda pada sifat ketahanan yang dimiliki (MULTILINE=MULTIGALUR) Dasar genetik tanaman Tanaman menyerbuk sendiri sebagian besar memiliki komposisi genetik HOMOSIGOT Dari generasi ke generasi memiliki sifat yang sama Proses homosigositas pada pasangan alel heterosigot berlangsung cepat. Proporsi tanaman homosigot tergantung pasangan alel dan generasi selfing Dasar genetik tanaman Rumus untuk mengetahui proporsi tanaman homosigot : {1-(1/2)m}n dimana m=generasi dan n=pasangan alel heterosigot Contoh : n=5 dan m=5, proporsi tanaman homosigot untuk ke 5 pasangan alel setelah 5 generasi selfing adalah 85% Tugas 2 1. Pada sepasang alel heterosigot Aa, berapa proporsi tanaman homosigot AA setelah 1,2,3,4,5,6 generasi selfing? 2. Pada 5 pasang alel heterosigot AaBbCcDdEe, berapa proporsi ke 5 pasang alel homosigot setelah 1,2,3,4,5,6 generasi selfing Keragaman genetik Pengertian : Keragaman genetik adalah keragaman yang disebabkan oleh faktor genetik (diwariskan). Keragaman yang teramati (fenotip) merupakan keragaman yang disebabkan oleh faktor genetik dan lingkungan Keragaman lingkungan adalah keragaman yang disebabkan oleh faktor lingkungan Keragaman genetik Keragaman genetik sebagai bahan dasar dalam kegiatan pemuliaan tanaman menyerbuk sendiri. Pusat keragaman genetik (center of origin) Cara mendapatkan keragaman genetik : 1. Introduksi 2. Koleksi 3. Hibridisasi 4. Mutasi, 5. Poliploidisasi http://static-p3.fotolia.com Sumber : www.thechileman.org Tugas 3 Cari pusat keragaman (origin of diversity, Vavilov) tanaman menyerbuk sendiri (10 tanaman) Daerah penyebaran di Indonesia (5 tanaman) Introduksi Introduksi : mendatangkan tanaman dari tempat yang berbeda (antar kota atau antar negara,antar lembaga) Penanganan varietas introduksi : 1. Bahan tetua (sumber gen) 2. Koleksi 3. Bahan seleksi 4. Langsung digunakan sebagai varietas baru Lengkeng lokal var. mutiara poncokusumo (A); lengkeng introduksi var. Itoh (B) Sumber : balitjestro Bunga krisan Koleksi Koleksi : kegiatan pengumpulan tanaman sebagai sumber gen atau keragaman genetik. Koleksi tanaman dapat berupa : 1. Varietas liar/kerabat liar 2. Varietas introduksi 3. Varietas lokal 4. Galur-galur hasil persilangan https://www.crops.org www.treehugger.com Tugas 4 Cari lembaga-lembaga (dalam atau luar negeri) yang berhubungan dengan koleksi tanaman menyerbuk sendiri (10 tanaman) Bentuk koleksi Hibridisasi Hibridisasi : persilangan buatan yang dilakukan antar tanaman dalam satu spesies, antar spesies dalam satu genus, antar genus atau kerabat liarnya Tujuan : mendapatkan kombinasi genetik (sifat) yang diinginkan dari beberapa tetua. Cara hibridisasi : 1. Pemilihan tetua (selection) 2. Emaskulasi (emasculation) 3. Penyerbukan (pollination) dan pembungkusan bunga (bagging) 4. Pelabelan (Labeling) 1. Pemilihan tetua/jumlah tetua Pemilihan tetua : tergantung pada sifat unggul yang diinginkan, kualitatif atau kuantitatif. 1. Sifat kualitatif: lebih mudah diseleksi, gen sederhana (monogenik). Perbedaan phenotipa = perbedaan gen pengendali,pengaruh lingkungan kecil. Diperlukan cukup 1 tetua, Contoh : warna bunga 2. Sifat kuantitatif : seleksi tidak mudah dilakukan, gen kompleks (poligenik),pengaruh lingkungan besar. Contoh : hasil tanaman. Diperlukan lebih banyak tetua sebagai sumber gen. 2. Emaskulasi dan penyerbukan Emaskulasi : pengambilan kepala sari dari tetua betina; untuk mencegah masuknya polen sendiri atau polen asing. Perlu mengetahui biologi bunga (morfologi dan saat anthesis) Cara emaskulasi : a. Mekanis b. Fisik c. Kimia Emasculation is necessary to prevent self-pollination 2. Emaskulasi dan penyerbukan Penyerbukan (pollinating): a. pengumpulan polen, perlu mengetahui fertilitas dan viabilitas polen b. kesiapan stigma (kepala putik) menerima polen (receptivitas stigma). Perlu mengetahui kompatibilitas polen-stigma brush the anther across the stigma of the seed parent 3. Pembungkusan bunga betina Pembungkusan bunga betina dilakukan sebelum/setelah emaskulasi, menghindari polinator lain ( (serangga) To protect the flower from unwanted pollen, Catatan : pembungkusan bunga kadang perlu dilakukan pada bunga jantan untuk menghindari tercemarnya polen dengan polen yang lain. 4. Pelabelan Pelabelan (labeling) : nama/kode tetua, tgl penyerbukan, kode persilangan a label containing the name of the parents, the letter X (to signify a cross), the name of the pollen parent, and the date of the cross Tugas 5 1. Cari gambar morfologi bunga tanaman menyerbuk sendiri (5 tanaman) a. Saat anthesis (pecahnya kepala sari) dan masaknya polen dari setiap tanaman (5 tanaman) b. Receptivitas kepala putik dari setiap tanaman (5 tanaman) 2. kompatibilitas polen-stigma 3. teknik hibridisasi (pilih 1 tanaman ) Mutasi Perubahan genetik yang terjadi pada gen (mutasi gen) atau kromosom (mutasi kromosom) Terjadi secara : 1. Alami (mutasi spontan) 2. Buatan (mutasi buatan) Mutagen: 1. Fisik : Radiasi (sinar X, sinar gamma, sinar neutron, dll) 2. Kimia : (ethylene imine, diethyl sulfate, dimethyl sulfate, N-nitrosoethyl urea, N-nitrosomethyl urea, methal sulfonate, diepoxy butane, ethyleneoxide) Contoh tanaman hasil mutasi Sorghum hasil mutasi Sumber : www.batan.go.id Poliploidi Perubahan pada jumlah kromosom (trisomik= 2n+1) atau penggandaan set kromosom (x) (triploid =3X, tetraploid =4X) Penggandaan set kromosom menggunakan kolkhisin Allopoliploidi : hasil persilangan antar tanaman berbeda genom, Contoh : Semangka 3X tanpa biji, berasal dari persilangan semangka 2X dengan 4X Autopoliploidi: Penggandaan langsung dengan menggunakan Kolkhisin Contoh : semangka 2X 4X Induksi poliploidi pisang secara in vitro telah menghasilkan beberapa tanaman pisang tetraploid (Mas Madu) dengan daun jatuh, berbeda dibanding yang diploid dengan daun ke atas. Ploidi sudah dikonfirmasi dengan flow cytometer Metode Pemuliaan Tanaman Menyerbuk Sendiri Introduksi Seleksi : Seleksi massa Seleksi galur Hibridisasi penanganan generasi bersegregasi dengan menggunakan : Metode silsilah (pedigree) Metode curah (bulk) Single Seed Descent (SSD) Metode silang balik (back cross) INTRODUKSI INTRODUKSI KOLEKSI PLASMA NUTFAH Bahan Tetua KOLEKSI PLASMA NUTFAH SELEKSI Hibridisasi seleksi Pengujian Varietas Baru Pengujian Varietas Baru Langsung digunakan Sebagai Varietas Baru Seleksi massa Tujuan seleksi massa 1. Untuk memurnikan varietas pengotoran dari percampuran, persilangan alami, dan mutasi alami dalam produksi benih. 2. Memperbaiki sifat-sifat dalam varietas lokal Diperoleh varietas unggul yang merupakan campuran genotipa dengan fenotip yang seragam. Seleksi Massa Pelaksanaan: a. Dari populasi dasar yang ditanam → dipilih individu-individu terbaik berdasarkan fenotipe yang sesuai dengan kriteria seleksi b. Biji dari individu terpilih dipanen →di campur c. Diambil sejumlah biji secara acak → ditanam pada satu petak → Dipilih individu-individu terbaik sesuai dengan kriteria seleksi d. Biji dari individu terpilih dipanen → dicampur e. Diambil sejumlah biji secara acak → ditanam pada satu petak → dipilih individu-individu terbaik sesuai dengan kriteria seleksi f. Demikian seterusnya sampai diperoleh suatu populasi yang seragam dengan sifat-sifat sesuai dengan kriteria seleksi yang telah ditentukan xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx - Populasi Dasar : xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Biasanya berupa varietas lokal xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx (landrace) xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx - Biji dari hasil seleksi generasi pertama → dipanen → dicam- Biji Dicampur pur xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx - Biji diambil sebagian secara acak → ditanam → Diseleksi. xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx - Dst sampai beberapa gene- xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx rasi seleksi → Diperoleh po- pulasi yang seragam dng. siBiji Dicampur fat yang diinginkan. Perhatikan cara memilih individu yg diinginkan dst Bagan Seleksi Massa Alasan Mengembangkan Varietas Bergalur Banyak Adalah : a. Menghasilkan varietas yang dapat beradaptasi luas karena lebih dapat menyesuaikan diri terhadap lingkungan yang beragam b. Memberikan kestabilan hasil walaupun pada kondisi alam yang beragam c. Lebih dapat bertahan terhadap kerusakan yang menyeluruh serangan suatu penyakit Keterbatasannya : a. Kurang menarik dibandingkan dengan varietas yang berasal dari galur murni (seragam) b. Lebih sulit untuk memberikan tanda pengenal diri pada program seleksi benih. c. Biasanya memberi hasil lebih rendah dari galur terbaik dalam campuran. Seleksi Galur Murni Galur : Individu-individu yang dikembangkan melalui penyerbukan sendiri dari tanaman tunggal. Jika galur tersebut dapat dianggap sudah sebagai suatu populasi dari genotip tunggal → galur murni → populasi seragam karena sudah homosigot. Seleksi galur murni Tujuan Seleksi Galur Murni : Untuk mendapatkan varietas yang dikembangkan dari individu homosigot superior Pemilihan berdasarkan fenotip Keberhasilan tergantung ragam tanaman homosigot Hasil seleksi berupa galur murni Populasi campuran bahan seleksi dapat berupa : Varietas lokal Kelebihan dan kelemahan seleksi galur murni Kelebihan : lebih menarik karena lebih seragam baik genotip maupun fenotip Lebih mudah diidentifikasi Hasil biasanya lebih tinggi daripada hasil seleksi massa Kelemahannya : Kurang adaptif terhadap perubahan lingkungan Tahapan Seleksi galur murni : a. Tahap Pertama Memilih individu-individu terbaik (sesuai dengan yang diinginkan) dari populasi dasar → diadakan penyerbukan sendiri. b. Tahap Kedua Keturunan individu-individu terpilih ditanam terpisah dalam baris-baris untuk diamati/dinilai → Penilaian dilakukan beberapa generasi → 7 – 8 generasi. Penilaian ditekankan pada : galur dengan sifat tertentu yang terbaik keseragaman dalam galur c. Tahap ketiga Jumlah galur sudah terbatas → diadakan pengujian yang berulangan x x x x x x x x x x x x x x x x x x Tahap kesatu x x x x x x x x x Dari populasi dasar dipilih Individu-individu terbaik x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Tahap kedua Terdiri dari 7 – 8 generasi x x x ………..x x x x x x ………..x x x x x x ………..x x x x x x ………..x x x Tahap ketiga Sejumlah galur murni yang baik diuji dengan beberapa ulangan Bagan Seleksi Galur Percobaan Uji Berulangan Murni Tugas ! 1. Pelajari perbedaan antara seleksi masa dan seleksi galur ! Hibridisasi……… Untuk menggabungkan sifat dari sepasang atau lebih tetua Diawali dengan pemilihan tetua didasarkan atas tujuan program Hibridisasi keragaman genetik Sepasang tetua Lebih sepasang tetua Persilangan campuran (poly cross) Metode seleksi terhadap hasil hibridisasi Metode silsilah (pedigree) Metode curah (bulk) Single seed descent (SSD) METODE PEDIGREE Metode ini disebut pedigree atau silsilah karena dilakukan pencatatan pada setiap anggota populasi bersegregasi dari hasil persilangan. Seleksi dilakukan pada karakter yang memiliki heritabilitas tinggi • Seleksi pada famili terbaik, barisan terbaik dan tanaman terbaik. • Seleksi dapat dilakukan pada generasi F2. • Famili adalah kelompok galur yang berasal dari satu tanaman terseleksi pada generasi sebelumnya PROSEDUR METODE PEDIGREE Persilangan sepasang tetua homozigot yang berbeda diperoleh F1 seragam Biji F1 ditanam disesuaikan dengan kebutuhan pertanaman generasi F2 Sebagian benih F1 disimpan Biji F2 ditanam, jumlah biji yang ditanam tergantung pada banyaknya famili F3 yang akan ditangani biasanya 10 : 1 atau 100 : 1. Seleksi dilakukan pada individu terbaik. Tanam biji F3. Masing-masing biji dari satu tanaman ditanam dalam barisan. Pada generasi ini terlihat jelas ada perbedaan antar famili. Tanaman yang dipilih adalah tanaman yang terbaik pada barisan yang lebih seragam. Generasi F4 – F5 generasi ini banyak famili lebih homozigot. Seleksi di antara famili, dipilih 2 atau lebih tanaman dari famili terbaik. Generasi F6- F7 dilakukan uji daya hasil dengan varietas pembanding Generasi F8 dilakukan uji multilokasi (pada beberapa lokasi dan musim) Pelepasan varietas dan perbanyakan benih sebar. Tahapan seleksi Pedigree Tetua A x Tetua B F1 Ditanam dalam barisan berjarak lebar F2 F3 Seleksi tanaman tunggal Baris-baris keturunan dari satu tanaman Seleksi tanaman tunggal F4-F5 F6- F7 F8-F12 Pelepasan Varietas Baris-baris keturunan dari satu tanaman Uji Daya hasil pendahuluan Uji multilokasi Pedigree Breeding Method (Source: Acquaah, 2006) Kelebihan Metode Pedigree Hanya keturunan-keturunan unggul yang dilanjutkan pada generasi selanjutnya, Tanaman yang jelek dibuang Seleksi tiap generasi, sehingga tanaman tidak terlalu banyak Menghemat lahan, karena jumlah tanaman tiap generasi semakin sedikit Silsilah dari suatu galur dapat diketahui Kekurangan Metode Pedigree Tiap generasi persilangan harus dilakukan pencatatan misal (sifat morfologi, ketahanan hama dan penyakit, umur panen dll), sehingga perlu banyak catatan dan pekerjaan Kemungkinan ada galur terbuang pada generasi segregasi akibat seleksi METODE CURAH (BULK) Merupakan metode untuk membentuk galur homozigot dari populasi bersegregasi melalui selfing selama beberapa generasi tanpa seleksi. Seleksi ditunda sampai generasi lanjut biasanya pada generasi F5 dan F6. Dari generasi F1 s/d F4 benih ditanam secara massa (bulk) Pada generasi tersebut adanya seleksi alami Seleksi untuk karakter dengan heritabilitas rendah sampai sedang Tahapan Seleksi Curah (Bulk) Tetua A x Tetua B F1 F2- F4 F5 F6 F7 F8 F9 Pelepasan varietas Menanam F1 dalam Rumah Kaca Populasi Bulk ditanam dilapang Seleksi tanaman tunggal Seleksi pada baris (famili) terbaik Ditanam dalam jarak rapat Uji daya hasil pendahuluan dengan varietas pembanding Uji Multilokasi Bulk Breeding Method (Source: Acquaah, 2006) Kelebihan seleksi bulk Relatif murah dan sederhana untuk memelihara populasi bersegregasi. Generasi F1 – F4 pekerjaan tidak terlalu berat, karena pada generasi tersebut tidak ada seleksi. Ekonomis untuk tanaman berumur pendek dan jarak tanam sempit seperti padi, gandum dll. Tanaman yang baik tidak terbuang, karena tidak dilakukan seleksi pada generasi awal. Beberapa generasi dapat dilakukan pada tahun sama Kekurangan metode bulk Silsilah galur tidak tercatat sejak awal Seleksi alam pada generasi awal dapat menghilangkan genotipe-genotipe yang baik Jumlah tanaman pada generasi lanjut sangat banyak sehingga memerlukan lahan yang luas. Tugas : Apa persamaan metode seleksipedigree dan bulk? Apa berbedaan antara seleksipedigree dan bulk? METODE SSD Metode ini banyak diterapkan pada tanaman berpolong Pada metode ini panen dilakukan satu biji dari setiap tanaman, mulai F2 – F5, kemudian setiap biji tersebut dicampur untuk ditanam pada generasi berikutnya Tahapan Seleksi SSD Tetua A x Tetua B F1 F2- F4 F5 F6 F7 F8-F10 Pelepasan varietas Bulk Ambil secara acak 1 biji dari 1 tanaman Seleksi tanaman terbaik Barisan tanaman tunggal Uji daya hasil pendahuluan Uji multilokasi Kelebihan Metode SSD Keperluan lahan sempit Waktu dan tenaga yang diperlukan saat panen lebih sedikit Pencatatan dan pengamatan jauh lebih sederhana Seleksi untuk sifat yang heritabilitas tinggi dapat dikerjakan lebih efektif. Dimungkinkan menanam sejumlah generasi melalui pengendalian lingkungan misal dalam rumah kaca. Kekurangan metode SSD Seleksi untuk karakter-karakter yang heritabilitasnya rendah tidak efisien, misal hasil Identitas tanaman unggul F2 tidak diketahui Bila seleksi pada awal generasi tidak tajam dalam pengamatan, dapat mengakibatkan hilangnya tanaman superior karena tidak ikut terpilih. A F 1 F 2 F F F F F F 12 3 X B Bulk 50-100 tanaman Pertanaman tunggal 2000 – 3000 galur Pertanaman tunggal 2000 – 3000 galur 4 Pertanaman tunggal 2000 – 3000 galur 5 Pertanaman tunggal 2000 – 3000 galur 6 7 8–F Seleksi tanaman superior 3000 – 5000 galur Pertanaman barisan 300 – 500 galur (10%) Uji daya hasil 30-50 galur (10%) Gambar 3. Bagan metode single seed descent (SSD). (Sumber : Poehlman, 1979). Single Seed Descent Method (Source: Acquaah, 2006) Action Grow F1 plants, harvest all F2 seeds per plant Grow F2 population, harvest one seed per plant Grow F3 population, harvest one seed per plant Grow F4 population, harvest one seed per plant Space-plant to grow F5, select best single plants Grow F5-derived plant rows In the F6 generation (F5:6) Yield Test in F7 (F5:7 rows) Yield Test in F8 (F5:8 rows) Yield Test in F9 (F5:9 rows) Large-scale seed increase for variety release Metode Silang Balik (Back Cross) Silang Balik : persilangan antara keturunan dengan salah satu tetuanya. Kegunaan : untuk memperbaiki suatu sifat yang dikendalikan oleh gen tunggal dari varietas unggul pada tanaman menyerbuk sendiri. Perbaikan sifat kuantitatif melalui silang balik → sulit dicapai. Masalah yang paling besar dalam pelaksanaan Metode Silang Balik adalah adanya pautan atau “linkage” antara gen atau allel yang diinginkan dengan allel yang tidak diinginkan / jelek. Galur pendonor gen (alel) → Tetua Donor (=Donor Parent) Galur yang menerima → Tetua Penerima (=Recipient Parent atau Recurrent Parent) Tahapan Metode Silang Balik Persilangan pertama antara tetua penerima (Resipien=Recurrent=R) dengan tetua pemberi (Donor=D) menghasilkan F1 Silang balik pertama, F1 disilangkan dengan R untuk mendapatkan populasi BC1. (F1 sebagai betina dan R sebagai tetua jantan) Silang balik kedua, BC1 disilangkan dengan tetua R untuk mendapatkan BC2. Tetua BC1 sebagai betina dan R sebagai tetua jantan. Silang balik ketiga, BC2 disilangkan dengan tetua R untuk mendapatkan BC3. Tetua BC2 sebagai betina dan R sebagai tetua jantan. Silang balik keempat, BC3 disilangkan dengan tetua R untuk mendapatkan BC4. Tetua BC3 sebagai betina dan R sebagai tetua jantan. Populasi BC4 sudah mengandung kembali 93,75% gen R. Tahapan Metode Silang Balik Pada akhir kegiatan, BC4 dikawinkan sendiri sehingga terjadi segregasi dan diseleksi untuk mendapatkan galur harapan baru SKEMA METODE SILANG BALIK Persilangan tetua Dimana : HS / MLG 15151 HS : resipien (penerima) Silang balik pertama F1 / HS 50% Silang balik ke dua BC1 / HS 75% Silang balik ke tiga BC2 / HS MLG 15151 : donor 87,5% i Silang balik ke empat BC3 / HS 93,75 BC4 Contoh kasus PT menyerbuk sendiri Persyaratan yang harus dipenuhi dalam program silang balik Tersedianya tetua timbal-balik yang sesuai Sifat-sifat yang dipindahkan dari tetua penyumbang masih mungkin dipelihara dengan intensitas yang tidak berkurang walaupun mengalami beberapa kali persilangan balik Untuk mendekati kemiripan sifat-sifat tetua timbal balik, kecuali sifat yang diperbaiki tetap serupa dengan tetua penyumbang (tetua donor), diperlukan banyak persilangan balik Single Gene Transfer : Linkage Drag with Traditional Backcross Breeding Commercial Variety Donor variety Resistance Gene X New Variety Prosedur silang balik (i) Musim pertama Recurrent Parent (RP) disilangkan dengan Donor Parent (DP) → menghasilkan generasi F1. (ii) Musim kedua F1 x RP → BC1F1 50% RP/DP 50% RP/RP (iii) Benih BC1F1 ditanam xxxxxxxxxxxxx x x x x BC1F1 x x x x xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx (iv) Benih BC1F2 ditanam xxxxxxxxxxxxx x x x x x x F2 x x x x x xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx Tanamanan terpilih dari populasi BC1F1 yg mengandung sifat yg diinginkan dibiarkan menyerbuk sendiri ↓ Benih BC1F2 BC1F2 terpilih→ menyerbuk send ↓ Benih BC1F3 (iv) Benih BC1F3 ditanam xxxxxxxxxxxxx x x x x x x F3 x x x x x xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx ↓ BC1F3 terpilih x RP ↓ Benih BC2F3 (v) Benih BC2F3 ditanam xxxxxxxxxxxxxx x x x x x BC2F3 x x x x x xxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxx Tanaman terpilih yg mengan dung yg diinginkan dan fenotipnya mendekati RP disilang balik dengan RP → BC2F3 x RP ↓ BC3F3 (vi) Demikian seterusnya dilakukan silang balik ke empat, lima dan enam secara berturut-turut BC3F3 x RP ↓ BC4F3 x RP ↓ BC5F3 x RP → BC6F3 (vii) BC6F3 → Penyerbukan sendiri → BC6F4 (viii) Galur-galur homosigot untuk sifat yang diinginkan dari tetua donor (DP) dan memiliki kemiripan dengan tetua penerima (RP) benihnya disatukan → diperbanyak → dilepas sebagai varietas baru.