B i o t e k n o l o g i Standar Kompetensi : mengaplikasikan konsep

Bioteknologi
Standar Kompetensi : mengaplikasikan konsep pertumbuhan dan perkembangan, kelangsungan
hidup dan pewarisan sifat pada organisme serta kaitannya dengan lingkungan teknologi dan
masyarakat.
Kompetensi Dasar : memahami peran bioteknologi tanaman dalam upaya mendukung
kelangsungan hidup manusia
Indikator :
-produk bioteknologi tanaman
erapan bioteknologi tanaman
No Materi Pokok Indikator
No
1
2
Pokok Materi
Definisi bioteknologi; beberapa bidang
kajian bioteknologi tanaman
Dukungan bioteknologi tanaman di bidang
pertanian; manfaat dan dampak
3
Produk bioteknologi tanaman melalui
teknik kultur jaringan
4
Mekanisme pembuatan produk
bioteknologi modern
Indikator
Mengetahui definisi bioteknologi; mengetahui
bidang-bidang kajian bioteknologi tanaman
Mendata dukungan bioteknologi tanaman di bidang
pertanian; Mengidentifikasi manfaat dan dampak
penerapan bioteknologi tanaman
Mengetahui pembuatan produk bioteknologi
tanaman (sederhana) yang dapat dimanfaatkan
dalam kehidupan sehari-hari
Mengetahui mekanisme fusi protoplas untuk
menghasilkan tanaman berkualitas tinggi
MODUL TEORI
1. Definisi
Kata / istilah bioteknologi pertama kali dicetuskan pada tahun 1919 oleh ilmuwan dari
Hungaria Karl Ereky yang berarti ‘berbagai produk yang dihasilkan dari suatu bahan dasar dengan
bantuan makhluk hidup’. Selanjutnya Konvensi Diversitas Biologi mendifinisikan bioteknologi sebagai
aplikasi teknologi yang memanfaatkan sistem biologi, makhluk hidup atau derivatnya untuk
menghasilkan atau memodifikasi produk atau proses untuk tujuan tertentu’.
Bioteknologi adalah disiplin ilmu yang menitikberatkan pada eksploitasi substansi metabolik
makhluk hidup dari berbagai tingkat organsisasi dan struktur untuk menghasilkan produk
yang bernilai demi keuntungan manusia. Produknya dapat berupa organisme itu sendiri (contoh,
biomasa atau bagian tubuh organisme), produk metabolisme selular atau organisme (contoh,
enzim dan senyawa metabolit), dan produk dari substrat endogen atau eksogen dengan bantuan
enzim tunggal atau lintasan metabolik yang kompleks. Selain organisme utuh, sel yang diisolasi
atau enzim yang dipreparasi juga digunakan dalam bioteknologi. Produk bioteknologi sangat
penting untuk ilmu kedokteran, farmasi, pertanian, produksi pangan, kimia dan sejumlah disiplin
ilmu lain.
Dalam dua dasa warsa terakhir, biologi molekular dan teknologi gen telah mendukung spektrum
disiplin ilmu yang berkaitan dengan bioteknologi. Dalam sejarah perkembangan bioteknologi, yang
lebih sering digunakan adalah mikroba karena berpotensi tinggi dalam aplikasi bioteknologi. Sistem
hewan dan sel-selnya juga mempunyai sistem yang bermanfaat terutama dalam
menghasilkan produk yang cukup mahal (antibodi dan vaksin). Walaupun secara kronologis
munculnya lebih akhir, bioteknologi tanaman yang merupakan suatu bidang kajian dalam
bioteknologi modern juga telah mengalami perkembangan yang cukup pesat.
Saat ini bioteknololgi tanaman telah menekankan pada tiga bidang kajian utama, yaitu :
Kultur Jaringan Tanaman – Suatu teknik yang dikerjakan pada kondisi laboratorium dengan
menggunakan sebagian kecil bagian tanaman seperti akar, daun atau batang atau bahkan sel
tunggal yang memungkinkan dihasilkannya suatu individu tanaman baru.
Rekayasa genetika tanaman – Transfer gen secara selektif dari suatu organisme ke organisme
lain untuk menghasilkan tanaman, hewan atau suatu materi dengan kualitas yang lebih baik.
Teknik ini sudah dilakukan pada tanaman kapas, jagung, ubi jalar kedelai dll. Penanda molekular
pada persilangan tanaman – Suatu teknik yang menggunakan penanda molekular untuk
menseleksi sifat khusus suatu tanaman. Penanda molekular berupa rangkaian pendek DNA yang
berikatan erat pada sifat yang diinginkan (mis. tahan penyakit) dimana seleksi keberadaannya
merupakan batas seleksi sifat yang diinginkan.
Contoh : jagung yang toleran terhadap kekeringan.
2. Dukungan Bioteknologi Tanaman di Bidang Pertanian : manfaat dan dampak
Saat ini bioteknologi tengah mengubah prospek tanaman pertanian dalam tiga hal utama, yaitu:
(1) kontrol pertumbuhan dan perkembangan (vegetatif, generatif dan reproduksi/propagasi) (2)
perlindungan tanaman terhadap meningkatnya cekaman abiotik dan biotik, serta
(3) perluasan prospek pada produksi pangan, biokimia dan farmasi.
(1) Kontrol pertumbuhan dan perkembangan (vegetatif, generatif dan reproduksi/propagasi).
Pemahaman yang lebih baik pada regenerasi tanaman, morfogenesis dan pola
pertumbuhan dikarenakan adanya penemuan-penemuan mengenai : a) totipotensi dan kemampuan
regenerasi sel dan jaringan tanaman, seperti yang ditunjukkan pada kultur sel dan mikroproagasi,
b) penjelasan gen-gen yang bertanggungjawab terhadap produksi dan aktivasi hormon tanaman, dan
c) penelitian-penelitian tentang mekanisme dan kontrol molekuler pada siklus sel maupun
lintasan sinyal transduksi. Ketiga hal tersebut telah memungkinkan kontrol dan manipulasi
bioteknologi pada pertumbuhan vegetatif, pola generatif dan mikropropagasi.
Pertumbuhan vegetatif. Pemahaman mekanisme kontrol morfogenetik memungkinkan
manipulasi bioteknologi yang berkaitan dengan laju pertumbuhan dan arsitektur tanaman.
Contohnya, kontrol ketersediaan hormon auksin yang penting untuk propagasi/
perbanyakan tanaman, pemanjangan sel dan organ untuk produksi biomassa, dll berpengaruh pada
pembentukan akar adventif. Sedangkan kontrol ketersediaan sitokinin dapat berpengaruh
pada penundaan senesensi daun serta pada peningkatan mekarnya kuncup (sangat penting untuk
arsitektur tanaman, maupun percabangan) yang merupakan suatu karakter penting untuk tanaman
hias. Perkembangan generatif. Bunga, buah dan biji mempunyai nilai/peran yang sangat penting
pada pertanian. Target utama perkembangan bunga adalah warna, aroma dan senesensi. Strategi
molecular breeding yang telah dilakukan banyak ditekankan pada warna dan aroma bunga termasuk
over dan undrekspresi warna (antosianin dan karotenoid) dan aroma (senyawa volatile
atau senyawa yang mudah menguap) yang berkaitan dengan biosintesis dan transport selular.
Sedangkan target penting pengontrolan perkembangan buah meliputi pertumbuhan, pemasakan
dan senesensi (seperti halnya pertumbuhan vegetatif), warna dan aroma (sama dengan bunga)
serta selain itu adalah rasa – terutama kontrol metabolik gula, asam dan komponen rasa
yang lain. Strategi bioteknologi telah berperan dalam menghasilkan buah tanpa biji melalui
partenokarpi (overproduksi auksin) dan destruksi polen (tanpa fertilisasi). Hal ini penting
dilakukan mengingat industri biji membuat/menghasilkan plasma nutfah untuk berbagai tipe
sistem produksi tanaman. Bioteknologi dan strategi molekuler telah dapat menghasilkan biji hibrid,
generasi biji sintetik dan pengembangan bank plasma nutfah yang dapat menyelesaikan beberapa
masalah biodiversitas.
Miropropagasi secara rutin telah digunakan untuk meregenerasi sejumlah
besar klon tanaman pertanian dengan kualitas tinggi, termasuk species tanaman hias dan sayuran,
dan pada beberapa kasus juga tanaman perkebunan dan buah. Mikropropagasi yang mempunyai
manfaat cukup signifikan melebihi teknik propagasi tradisional, meliputi penggabungan genotipe
baru secara cepat untuk propagasi berskala besar, penggunaan original plasma nutfah
dan menghasilkan propagul tanaman bebas virus. Teknik-teknik terus dikembangkan untuk
peningkatan efisiensi mikropropagasi, termasuk : menyederhanakan bioreaktor berskala
besar, penggunaan fasilitas yang lebih murah, produksi biji sintetik dan embriogenesis
somatik yang lebih murah, meningkatkan pemanfaatan kultur pertumbuhan autotrof, serta
penjaminan kualitas tanaman yang dihasilkan melalui mikropropagasi.
(2) Perlindungan tanaman terhadap meningkatnya cekaman abiotik dan biotik. Cekaman yang
menyerang tanaman dapat bersumber dari komponen biotik maupun abiotik. Contoh
sumber cekaman biotik adalah : berbagai serangga, virus serta beberapa jamur fitopatogen dan
nematoda termasuk herbisida. Aplikasi genetika molekuler dan transformasi gen pada
tanaman terhadap diagnosis dan kontrol penyakit tanaman
merupakan salah satu
keberhasilan besar pada bioteknologi tanaman pada satu dasa warsa terakhir.
Contoh sumber cekaman abiotik adalah : kondisi kekeringan, salinitas, temperatur ekstrem
dan toksisitas bahan kimia. Kekeringan dan salinasi adalah penyebab terjadinya kehilangan pangan
dan kelaparan yang paling umum di daerah kering dan semi kering, dan merupakan ancaman
lingkungan yang paling serius terhadap pertanian di berbagai belahan bumi. Walaupun lebih sulit
mengontrol dan merekayasa sifat ketahanan terhadap penyakit biotik dan herbisida, tetapi respon
genetik yang lebih kompleks terhadap cekaman abiotik secara regional maupun global jauh lebih
penting. Oleh karena itu pemuliaan tanaman yang toleran terhadap cekaman kekeringan
maupun salinitas seharusnya mendapat prioritas yang cukup tinggi pada semua program
bioteknologi pertanian mendatang.
(3) Perluasan prospek pada produksi pangan, biokimia dan farmasi. Secara tradisional, pertanian
ditargetkan untuk meningkatkan produksi pangan yang berasal dari tanaman baik secara kuantitatif
maupun kualitatif. Hal ini juga yang merupakan target awal bioteknologi tanaman. Saat ini secara
gradual bioteknologi tanaman juga tengah mengimplementasikan perubahan dari komoditi pangan
yang bernilai ekonomi rendah menjadi bernilai ekonomi tinggi. Hal tersebut meliputi : 1) perbaikan
dan modifikasi langsung pada konstituen yang berasal dari tanaman dan 2) pembuatan senyawa
non-tanaman di dalam tubuh tanaman. Keduanya berdasar pada rekayasa lintasan
metabolik (karbohidrat, protein, minyak dan lemak) yang saat ini digunakan untuk memodifikasi
konstituen tanaman di industri pangan, kimia dan energi. Beberapa konstituen lain yang merupakan
komponen minor atau non-pangan tetapi mempunyai nilai tinggi seperti asam lemak sebagai
alternatif sumber energi dan enzim yang tahan garam dan temperatur untuk industri pangan. Selain
itu pemanfaatan tanaman sebagai biorekator produksi senayawa asing non-tanaman merupakan
alternatif baru pada bidang pertanian. Hal ini meliputi produksi peptida bioaktif, vaksin, antibodi
dan sejumlah enzim yang sebagian besar digunakan untuk industri farmasi. Pada industri kimia,
tanaman digunakan untuk memproduksi polihidroksi butirat yang dimanfaatkan untuk produksi
plastik tahan panas yang dapat dibiodegradasi.
3. Produk Bioteknologi Tanaman melalui Teknik Kultur Jaringan
Kultur jaringan terdiri dari berbagai jenis teknik atau metode dengan variasi produk yang dihasilkan
(Tabel 1). Dari sumber bahan yang sama, misalnya eksplan daun dengan melalui teknik kultur yang
berbeda (kultur organ, kultur kalus, kultur suspensi, dll) dapat dihasilkan produk yang berbeda-beda
sesuai dengan kebutuhan.
Tabel 1. Bebagai jenis teknik kultur jaringan dan produk yang dihasilkan
Jenis-jenis teknik / metode kultur jaringan tanaman
Contoh : produk yang dihasilkan
Kultur meristem Tanaman bebas virus
Embriogenesis somatik Tanaman tahan cekaman
Kultur protoplas; fusi protoplas; transformasi genetik Tanaman transgenik; hibrid somatik
Kultur kalus dan suspensi sel Peningkatan kuantitas/kualitas senyawa metabolit sekunder
Kultur anther atau mikrospora Tanaman haploid
4. Mekanisme Fusi protoplasma (bioteknologi modern) untuk menghasilkan produk-produk yang
berkualitas tinggi
Dinding sel tanaman merupakan struktur ‘lapis banyak’ yang tersusun dari polisakarida dan
protein. Dinding sel berperan penting dalam (i) memberikan kekuatan regang dan
plastisitas sehingga sel dapat mengalami/menghadapi tekanan turgor yang tinggi tanpa mengalami
kerusakan, dan (ii) memberikan pembatas fisik yang melindungi interior sel tanaman dari
serangan mikroorganisme. Ukuran pori dinding sel cukup kecil bahkan untuk dilalui virus sekalipun.
Sifat-sifat dinding sel tersebut membatasi penggunaan sel tanaman untuk berbagai teknik
kultur sel dan jaringan, termasuk memasukkan molekul berukuranbesar ke dalam sel,
hibridisasi somatic dan manipulasi genetik. Oleh karena itu, teknik-teknik tersebut hanya dapat
dilakukan setelah dinding sel dihilangkan. Penghilangan dinding sel menghasilkan protoplas yang
terdiri dari kandungan sel yang dibatasi oleh membran plasma. Dibawah kondisi kultur yang sesuai
protoplas dapat meregenerasi dinding sel dan selanjutnya mengalami pembelahan sel untuk
membentuk kalus dan menghasilkan tanaman baru.
Penghilangan dinding sel untuk isolasi protoplas dapat dilakukan secara mekanik atau
penggunaan enzim ‘pencerna’ dinding sel. Protoplas yang telah diisolasi dari spesies yang sama atau
berbeda dapat difusikan dengan perlakuan yang sesuai sehingga terjadi penggabungan inti dan
sitoplasma dari keduanya. Fusi protoplas dapat dilakukan dengan metode kimia dengan
menggunakan polyethylene glycol (PEG) atau elektrik dengan memaparkan protoplas pada aliran
listrik lemah (Gambar 1). Setelah metode fusi dilakukan akan diperoleh campuran hasil fusi yang
terdiri dari protoplas tetua yang tidak mengalami fusi, hasil fusi dari tetua yang sama, atau berbeda
dimana diinginkan diperoleh heterokarion (sel dengan lebih dari satu inti). Selanjutnya
perlu dilakukan konfirmasi terhadap tanaman heterokarion dengan cara analisis morfologi
yang menunjukkan karakter tetua, analsis sitologi yang menunjukkan apakah terjadi
penghilangan kromosom selama hibridisasi serta analisis biokimia yang melibatkan
pembandingan pola pita protein/enzim antara tanaman tetua dan hibrid atau analisis genom.
Pada awalnya hibridisasi sel dipandang sebagai cara ‘membawa’ dua genotype ‘berbeda’ secara
bersama-sama dimana hal ini tidak dapat terjadi melalui hibridisasi konvensional (proses
penyerbukan). Dengan metode ini persilangan antar species dengan hubungan kekerabatan yang
cukup jauh menjadi mungkin terjadi. Salah satu contoh fusi protoplas yang berhasil adalah fusi
antara kentang domestik Solanum tuberosum dengan kentang liar S. brevidens yang bertujuan untuk
mengintroduksi karakter tahan virus yang dimiliki species ketang liar ke species kentang domestic.
Beberapa permasalahan pada fusi protoplas adalah tidak dimungkinkannya mendapatkan
heterokarion yang stabil dari species-species tanaman dengan hubungan kekerabatan yang jauh,
adanya materi genetic yang tidak diinginkan pada tanaman heterokarion yang yang
harus dihilangkan dengan metode tradisional yaitu pengulangan backcross dan seleksi. Untuk
mengatasi hal ini, transfer spesifik gen dengan materi genetic yang sudah terseleksi telah banyak
dilakukan. Dalam hal ini protoplas tanaman menunjang kesiapan pengambilan materi
genetik yang akan disisipkan ke dalam protoplas/sel lain.
Daftar Pustaka
Altman, A. 1999. Plant Biotechnology in the 21st
century : the challenges ahead. Electronic Journal of
Biotechnology. Vol. 2. No. 2
Collin, H.A. dan S. Edwards. 1998. Plant Cell Culture. Bios Scientific Publisher. London.
Evans, D.E., J.O.D. Coleman dan A. Kearns. 2003. Plant Cell Culture. Bios Scientific Publisher. London.
Kirsi-Marja Oskman-Caldentey dan W.H. Barz. 2002. Plant Biotechnology and Transgenic Plants.
Marcel Dekker, Inc. New York.