Karakterisasi Faktor Transkripsi Hd-Zip Untuk

PENDAHULUAN
Formatted: Different first page header
1 Latar belakang
Padi (Oryza sativa L.) merupakan salah satu tanaman pangan pokok
penting dunia yang dikonsumsi oleh sekitar tiga miliar penduduk dunia. Di
Indonesia padi merupakan tanaman yang bernilai strategis karena lebih dari 50%
dari total kalori penduduk Indonesia berasal dari padi (beras). Oleh karena itu
Faktor tersebut yang menyebabkan padi dibudidayakan secara intensif baik
melalui usaha intensifikasi maupun ekstensifikasi. Dua dari 23 spesies genus
Oryza yaitu Oryza O. sativa dan Oryza glaberrima merupakan spesies yang
dibudidayakan sejak lama (Ge et al. 1999).
Di Indonesia, produksi padi
ditingkatkan dari tahun ke tahun, dari 1.76 ton/ha pada tahun 1961 menjadi 4.57
ton/ha pada tahun 2005. Sejumlah kultivar dari spesies ini telah dikembangkan
pada lahan budidaya sawah antara lain melalui penggunaan IR36 pada tahun
1976, PB 42 dan Cisadane di tahun 1980, IR64 padasaat tahun 1985, dan
Mamberamo pada tahun 1995.
Usaha intensifikasi dengan penggunaan kultivar-kultivar tersebut merupakan
salah satu faktor yang mengantarkan Indonesia pada swasembada beras pada
Seiring dengan berjalannya waktu, usaha intensifikasi dengan
Formatted: Spanish (Mexico)
kultivar terbatas, dandan luasan lahan sawah yang tetap tidak dapat memenuhi
Formatted: Spanish (Mexico)
tahun 1984.
kebutuhan konsumsi beras di Indonesia yang terus meningkat. Konsumsi beras di
Indonesia pada tahun 2000 mencapai 30.8 juta ton dan diprediksi pada tahun 2020
akan menjadi 42.3 juta ton. Dengan kondisi tersebut, Indonesia harus mengimpor
beras untuk mencukupi kebutuhan beras nasional. Impor beras pada akhir 2005
telah mencapai 70 ribu ton (BPS 2005).. Jika produksi beras nasional konstan tiap
tahun dan lahan pertanian sekitar 0.1 juta ha, maka untuk mencukupi kebutuhan
beras tersebut diperlukan lahan baru sekitar 600 juta (BPS, 2005).
Pada saat ini lahan sawah sudah jenuh oleh sistem pertanaman yang sudah
ada, sehingga upaya untuk meningkatkan produksi padi nasional sebaiknya
diarahkan pada areal tanam di lahan-lahan marginal dengan sistem pertanian padi
padi lahan kering, gogo, dan gogorancah (perpaduan sistem gogo dan sawah).
Masalahnya, lahan-lahan marginal yang ada biasanya mempunyai kendala dalam
2
ketersediaan air yang berpotensi untuk terpaparnya tanaman padi oleh kondisi
kekeringan.
Kira-kira 90% budidaya padi dipengaruhi oleh kekeringan yn.ang dapat
Formatted: Spanish (Mexico)
Terpaparnya padi oleh kondisi kekeringan bisa berakibat pada menurunnya
Formatted: Spanish (Mexico)
produktivitas. Untuk menjaga produktivitas padi di lahan-lahan tersebut perlu
dikembangkan
kultivar
yang
beradaptasi
dengan
lahan
kering
Formatted: Spanish (Mexico)
dan
bermenghasilkan produksi tinggi. Pemuliaan konvensional dengan bantuan marka
molekular atau melalui rekayasa genetika telah dikembangkan untuk mendapatkan
varietas padi tahan kekeringan (O’toole 2004). Caranya adalah dengan
mengintroduksi sifat tahan kering melalui protein fungsional dengan tujuan
mengatur dan melindungi metabolisme sel padi serta mendetoksifikasi senyawa
beracun selama tanaman padi tercekam terpapar kekeringan.
Pendekatan lain yang potensial untuk dikembangkan guna mendapatkan padi
tahan kekeringan adalah dengan mengontrol gen protein regulator yaitu gen
protein yang berperan dalam mengatur ekspresi protein gen fungsional. Dengan
mengontrol gen protein regulator diharapkan dapat mengatur ekspresi sejumlah
gen protein fungsional atau regulator lain yang berada di bawah kendali gen
protein regulator tersebut. Salah satu keluarga gen protein regulator yang hanya
terdapat pada tanaman adalah gen yang mengkode protein homeodomain leucine
zipper (HD-Zip). Protein HD-Zip dicirikan oleh adanya homeodomain yang
berdampingan langsung dengan motif leusin zipper. yang berulang. Protein HDZip merupakan faktor transkripsi yang memiliki peran penting pada tanaman
dalam merespon sinyal lingkungan (Schena et al. 1993), termasuk salah satunya
sinyal terhadap kekeringan.
Berkaitan dengan tanaman padi, sejumlah gen HD-Zip padi telah
diidentifikasi (Meijer et al. 2000). Salah satu gen dari famili HD-Zip II padi, yaitu
gen Oshox1 diperkirakan berfungsi dalam perkembangan tanaman antara lain
sebagai penentu spesifikasi sel pada perkembangan jaringan pembuluh (Scarpella
et al. 2000; Scarpella et al. 2002). Walaupun demikian, respon gen-gen HD-Zip
padi pada saat mengalami cekaman abiotik, misal: kekeringan, belum pernah
dievaluasi. Oleh sebab itu perlu dilakukan karakterisasi gGen HD-Zip padi yang
Formatted: Indent: First line: 0,95
cm
3
memiliki potensi untuk dimanfaatkan pada program perbaikan genetik tanaman
padi tahan kekeringan. Sampai saat ini belum pernah dilakukan kKarakterisasi dan
analisis fungsional untuk memahami fungsi dari gen-gen famili HD-Zip. sampai
saat ini belum pernah dilakukan. Untuk mengetahui fungsi gen dalam suatu
Formatted: Swedish (Sweden)
tanaman dapat dipelajari melalui 3 metode yaitu dengan meningkatan tingkat
ekspresinya (over expression), menghilangkan ekspresi (knockout), dan
mengidentifikasi pola ekspresi gen tersebut.
Formatted: Swedish (Sweden)
Meskipun metode kontrol protein regulator gen HD-Zip diharapkan dapat
mengatasi akibat buruk yang ditimbulkan oleh kondisi kekeringan, namun
dibutuhkan pendekatan lain untuk mengembangan sistem pertahanan tanaman
padi pada saat terpapar kekeringan. Cekaman kekeringan mengakibatkan tanaman
padi rentan terhadap cekaman lain termasuk cekaman biotik, misalnya penyakit
blas. Kondisi tanah yang aerob, kekeringan, dan kandungan nitrogen yang tinggi
pada tanah merupakan kondisi ideal bagi berkembangnya Magnaporthe grisea.
Magnaporthe grisea merupakan cendawan yang menyebabkan bertanggung jawab
pada munculnya penyakit blas. Penyakit blas menyerang sampai 12% dari luas
areal padi di Indonesia (Utami et al. 2005). Oleh sebab itu penyakit blas
merupakan penyakit penting pada areal pertanian padi sistem sawah dan gogo.
Ketahanan tanaman padi terhadap penyakit blas, terutama pada saat
kondisi kekeringan, dapat ditingkatkan melalui kontrol sinyal yang berperan
dalam mekanisme pertahanan biotik seperti asam salisilat (SA). Hasil penelitian
yang ada menunjukkan bahwa kandungan asam salisilat pada padi berkorelasi
positif dengan ketahanan terhadap serangan blas (Silverman et al. 1995). Pada
tanaman dan mikroorganisme, asam salisilat atau produk perantaranya disintesis
melalui beberapa lintasan metabolime. Asam salisilat dapat dibentuk melalui
lintasan fenilalanin atau asam korismat. Lintasan biosintesis asam salisilat melalui
isokorismat adalah lintasan penting untuk ketahanan tanaman terhadap cekaman
biotik (Wildermuth et al. 2001). Jika produksi asam salisilat melalui isokorismat
dapat ditingkatkan maka diharapkan ketahanan tanaman padi dapat meningkat.
Asam salisilat dapat diproduksi dengan mengubah asam korismat menjadi
isokorismat oleh enzim isokorismat sintase yang selanjutnya dikonversi menjadi
asam salisilat oleh enzim isokorismat piruvat liase.
Formatted: Swedish (Sweden)
4
Sejumlah mikroorganisme memiliki gen yang mengkode kedua enzim
tersebut. Escherichia E. coli memiliki gen entC yang menyandi enzim isokorismat sintase sedangkan Pseudomonas fluorescens memiliki gen pmsB yang
menyandi iso-korismat piruvat liase. Masing-masing gen tersebut memerlukan
promoter tanaman agar dapat terekspresi pada sel tanaman. Introduksi kedua gen
tersebut ke
dalam tembakau di bawah kendali promoter virus tanaman
memperlihatkan peningkatan ketahanan terhadap penyakit pada tembakau
transgenik (Verberne et al. 2000). Konstruksi gen yang menyandi kedua enzim ini
telah tersedia untuk penelitian, sehingga . Dengan demikian, gen-gen iso-korismat
sintase dan iso-korismat piruvat liase dapat ditransformasikan ke dalam tanaman
padi dan ekspresinya diharapkan dapat meningkatkan konsentrasitingkat asam
salisilat pada tanaman padi. Tingkat asam salisilat yang tinggi diharapkan dapat
menjadi pembatas terhadapcegah serangan penyakit blas pada padi.
2 Tujuan dan manfaat penelitian
2.1 Tujuan penelitian
Secara umum, tujuan penelitian ini
adalah
meningkatkan ketahanan
Formatted: Font: Not Bold
tanaman padi terhadap kekeringan dan penyakit blas dengan menganalisis fungsi
gen famili HD-Zip padi yang respon terhadap kondisi kekeringan dan
mengintroduksi gen-gen penyandi lintasan biosintesis asam salisilat untuk
ketahanan terhadap penyakit blas. Perakitan tanaman padi yang tahan kekeringan
dan penyakit blas diharapkan dapat membantu pengembangan penanaman padi
dengan sistem lahan kering pada lahan marginal. Dampak dari perluasan
penanaman padi di lahan-lahan marginal ini akan meningkatkan produksi beras
nasional dan mengurangi jumlah impor beras.
Sedangkan
tujuan
khusus
penelitian
ini
adalah
untuk:
(i)
mengkarakterisasi salah satu gen tanaman padi keluarga HD-Zip yang diketahui
memperlihatkan respon saat padi tercekamterpapar kekeringan setelah dilakukan
penapisan gen-gen HD-Zip padi yang merespon cekaman kekeringan; (ii)
mengintroduksi gen-gen penyandi lintasan biosintesis asam salisilat yang berasal
dari bakteri ke dalam genom tanaman padi.
Formatted: Font: Not Bold
5
Untuk merealisasikan tujuan tersebut dilakukan serangkaian percobaan
dilakukan yang meliputi: (1) penapisan gen HD-Zip yang merespon kekeringan,
(2) peningkatkan ekspresi (overexpression) gen Oshox4 yang merupakan salah
satu gen HD-Zip di bawah kendali promoter konstitutif 35S dari CaMV, (3)
penghilangan (knockout) atau penurunan (knockdown) ekspresi gen Oshox4
menggunakan RNAi, (4) studi pola ekspresi gen Oshox4, (5) transformasi gengen penyandi lintasan biosintesis asam salisilat yaitu gen entC dan gen pmsB ke
tanaman padi, (6) analisis integrasi dan ekspresi gen entC dan gen pmsB pada
level transkripsi dengan analisis Southern dan Northern, dan (7) analisis
kandungan asam salisilat pada tanaman trangenik. Secara keseluruhan diagram
alur penelitian disajikan pada Gambar 1.
2.2 Manfaat penelitian
Manfaat yang diperoleh dari hasil penelitian karakterisasi gen-gen famili
HD-Zip terhadap cekaman kekeringan adalah tersedianya informasi tentang gen
HD-Zip yang responsif terhadap cekaman kekeringan. Manfaat lebih jauh adalah
diperoleh sumber gen yang dapat digunakan sebagai gen donor untuk merakit padi
transgenik yang tahan kekeringan.
Hasil yang diperoleh dari penelitian introduksi gen-gen penyandi lintasan
biosintesis asam salisilat yang berasal dari bakteri ke dalam genom tanaman padi
adalah selain diperoleh tanaman transgenik padi dengan kandungan asam salisilat
tinggi, juga menghasilkan tanaman padi transgenik yang tahan terhadap penyakit
blas. Tanaman ini dapat dipakai untuk mengembangkan usaha ekstensifikasi
tanaman padi pada lahan-lahan marginal yang biasanya mengalami kondisi
kekeringan yang berakibat tanaman padi menjadi rentan terhadap penyakit blas.
6