Teknologi RNA sequencing pada tanaman karet : menungkap

29
Teknologi RNA sequencing pada tanaman karet : menungkap metabolisme
lateks dan ketahanan terhadap stres biotik serta abiotik
Teknologi RNA sequencing tengah menjadi primadona untuk analisis keseluruhan transkrip
di dalam sel tanaman karet. Selama kurun waktu singkat, teknologi tersebut telah digunakan
oleh ilmuwan-ilmuwan dunia untuk mengungkap metabolisme lateks yang terkait ketahanan
klon-klon karet terhadap stres biotik serta abiotik. Beberapa belas database transkriptomik
publik terkait beberapa tema riset tanaman karet kini telah tersedia dan dapat diakses.
Analisis transkriptomik membuka peluang untuk mendapatkan gambaran menyeluruh dalam
memahami proses biologis yang terjadi di dalam sel latisifer tanaman karet. Kombinasi
analisis transkriptomik, genomik dan aplikasi dalam pemuliaan tanaman dapat
mengakselerasi proses mendapatkan material genetik dengan vigor tinggi serta toleran
terhadap cekaman lingkungan.
Ilustrasi gambar aliran lateks dari panel sadap batang tanaman karet
Karet alam (1,4-cis-polyisopren) merupakan komoditas yang sangat penting untuk pembuatan
lebih dari puluhan ribu produk di dunia. Setidaknya terdapat 2500 spesies tanaman yang dapat
mensintesis karet alam, namun hanya Hevea brasiliensis yang hingga saat ini digunakan
sebagai sumber komersial utama di dunia [1]. Panen lateks dari tanaman karet tersebut
dilakukan secara lazim dengan cara penyadapan dan stimulasi hormon etilen. Penyadapan
batang karet dilakukan dengan menyayat batang lunak tanpa melukai kambium hingga
terbentuk panel sadap. Lateks akan mengalir dari panel sadap tersebut karena tekanan turgor di
dalam jaringan penghasil lateks [2]. Tanaman karet selama bertahun-tahun beradaptasi dengan
sistem panen yang cukup ekstrim tersebut ditambah stres biotik dan abiotik dengan tetap
mempertahankan metabolisme untuk menghasilkan lateks [3]. Hal menakjubkan tersebut
mendorong ilmuwan untuk lebih memahami proses yang terjadi di dalam sel dengan
mengungkap metabolisme lateks ditambah ancaman cekaman biotik dan abiotik. Selama tiga
dekade terakhir, para ilmuwan menggunakan pendekatan gene par gene untuk memahami
proses molekuler di dalam sel latisifer (sel penghasil lateks). Kini, teknologi RNA sequencing
telah banyak digunakan pada tanaman karet untuk berbagai analisis biologis.
RNA sequencing (disingkat sebagai RNA-seq) adalah pendekatan baru yang dikembangkan
untuk profiling data transkrip (sering disebut sebagai transkriptom) dengan menggunakan
teknologi deep-sequencing [4]. Sebuah set lengkap transkrip RNA dalam sel termasuk
www.iribb.org | September 2015 | 3(2), 29-32
Riza Arief Putranto - Peneliti PPBBI
30
kuantitasnya pada tahapan perkembangan atau kondisi fisiologis tertentu disebut sebagai
transkriptom. Memahami transkriptom sangat penting untuk menafsirkan unsur-unsur
fungsional genom dan mengungkap konstituen molekul, sel dan jaringan serta untuk
memahami perkembangan atau penyakit tanaman. Transkriptom dapat pula disebut sebagai
katalog untuk semua jenis transkrip seperti mRNA, non-coding RNAs dan small RNAs. Tujuan
lain dari transkriptom adalah untuk menentukan struktur transkripsi dari gen dan mengukur
tingkat ekspresinya pada waktu dan kondisi tertentu [5].
Analisis transkriptomik terkait biosintesis karet pertama kali dipublikasi pada tahun 2007 oleh
ilmuwan dari Malaysia [6]. Namun demikian, penggunaan teknologi sekuensing generasi
kedua baru dilakukan pada tahun 2011 di Tiongkok [7]. Inisiasi tersebut kemudian diikuti oleh
ilmuwan-ilmuwan internasional lainnya. Terhitung hingga tahun 2015, setidaknya terdapat
lebih dari 10 database transkriptom yang telah dipublikasi [8-14]. Bahkan analisis
transkriptomik juga digunakan untuk validasi draft genom tanaman karet pada tahun 2013
[15]. Analisis tersebut penting untuk memperkirakan jumlah gen pada genom. Validasi
tersebut berhasil mengkonfirmasi tingginya tingkat duplikasi gen pada genom tanaman karet
yang berukuran ~2.1 GB (terbagi dalam 18 kromosom).
Pada tema yang lebih spesifik, teknologi RNA-seq tersebut telah berhasil digunakan untuk
mengidentifikasi beberapa famili gen yang terkait dengan regulasi metabolisme lateks seperti
AP2/ERF dan ABC Transporter [9,16,17]. Ilmuwan dari Tiongkok juga menggunakan
pendekatan yang sama untuk melihat pada skala lebih luas seluruh gen yang berpotensi
menentukan lama aliran lateks [13]. Perbandingan antara analisis transkrip dari satu klon
terhadap klon karet lainnya pun dapat dilakukan dengan relatif mudah untuk mengungkapkan
perbedaan metabolisme lateks antara keduanya [11]. Analisis transkriptomik terkait penyakit
fisiologis Kering Alur Sadap (KAS) pun telah dilakukan dengan melakukan skrining setiap
aktor molekuler yang berpotensi mempengaruhi metabolisme lateks selama serangan penyakit
tersebut [12]. Puluhan ribu gen diperkirakan diekspresikan dalam sel latisifer yang terkena
KAS. Sekelompok kecil gen responsif terhadap etilen juga diperkirakan memiliki peran
spesifik dalam toleransi terhadap KAS [3]. Pendekatan yang sama juga dilakukan terhadap
klon karet terserang South American Leaf Blight (SALB). Hasil analisis klon toleran SALB
menungkapkan terdapatnya puluhan gen yang terekspresi pada tingkat tinggi [18]. Gen-gen
tersebut terlibat dalam perubahan proses biologi seperti peningkatan hormon pertahanan
tanaman hingga sintesis dinding sel sebagai respon terhadap serangan pathogen.
Saat ini, high-debit analysis dengan pengembangan database transkriptomik dan genomik
tengah menjadi tren riset molekuler. Hal tersebut didukung oleh teknologi sekuensing yang
telah memasuki generasi ketiga dan dalam beberapa tahun akan berkembang lebih baik lagi.
Pengamatan terhadap berbagai faktor pada satu waktu dan kondisi tertentu tidak dapat ditawar
lagi untuk mendapatkan kesimpulan terhadap permasalahan pada tanaman perkebunan.
Terkhusus pada tanaman karet, problematika terkait metabolisme lateks, sistem penyadapan
dan penyakit tanaman seperti KAS dan SALB sebaiknya ditangani secara multidisipliner.
Analisis transkriptomik membuka peluang untuk mendapatkan gambaran lebih baik dalam
memahami proses biologis yang terjadi di dalam sel latisifer tanaman karet. Kombinasi
analisis transkriptomik, genomik dan aplikasi dalam pemuliaan tanaman dapat mengakselerasi
proses mendapatkan material genetik dengan vigor tinggi serta toleran terhadap cekaman
lingkungan.
www.iribb.org | September 2015 | 3(2), 29-32
Riza Arief Putranto - Peneliti PPBBI
31
Referensi
1. Clément-Demange A, Priyadarshan PM, Thuy Hoa TT, Venkatachalam P (2007) Hevea
Rubber Breeding and Genetics. Plant Breeding Reviews: John Wiley & Sons, Inc. pp.
177-283.
2. Venkatachalam P, Jayashree R, Rekha K, Sushmakumari S, Sobha S, et al. (2006) Rubber
Tree (Hevea brasiliensis Muell. Arg). Methods in molecular biology (Clifton, NJ) 344:
153-164.
3. Putranto R-A, Herlinawati E, Rio M, Leclercq J, Piyatrakul P, et al. (2015) Involvement of
Ethylene in the Latex Metabolism and Tapping Panel Dryness of Hevea brasiliensis.
International Journal of Molecular Sciences 16: 17885.
4. Ozsolak F, Milos PM (2011) RNA sequencing: advances, challenges and opportunities. Nat
Rev Genet 12: 87-98.
5. Wang Z, Gerstein M, Snyder M (2009) RNA-Seq: a revolutionary tool for transcriptomics.
Nature reviews Genetics 10: 57-63.
6. Chow KS, Wan KL, Isa MN, Bahari A, Tan SH, et al. (2007) Insights into rubber
biosynthesis from transcriptome analysis of Hevea brasiliensis latex. J Exp Bot 58:
2429-2440.
7. Xia Z, Xu H, Zhai J, Li D, Luo H, et al. (2011) RNA-Seq analysis and de novo
transcriptome assembly of Hevea brasiliensis. Plant Mol Biol 77: 299-308.
8. Chow K-S, Ghazali A-K, Hoh C-C, Mohd-Zainuddin Z (2014) RNA sequencing read depth
requirement for optimal transcriptome coverage in Hevea brasiliensis. BMC Research
Notes 7: 69.
9. Piyatrakul P, Yang M, Putranto R-A, Pirrello J, Dessailly F, et al. (2014) Sequence and
Expression Analyses of Ethylene Response Factors Highly Expressed in Latex Cells
from Hevea brasiliensis. PLoS ONE 9: e99367.
10. Salgado LR, Koop DM, Pinheiro DG, Rivallan R, Le Guen V, et al. (2014) De novo
transcriptome analysis of Hevea brasiliensis tissues by RNA-seq and screening for
molecular markers. BMC Genomics 15: 236.
11. Chao J, Chen Y, Wu S, Tian W-M (2015) Comparative transcriptome analysis of latex
from rubber tree clone CATAS8-79 and PR107 reveals new cues for the regulation of
latex regeneration and duration of latex flow. BMC Plant Biology 15: 104.
12. Liu JP, Xia ZQ, Tian XY, Li YJ (2015) Transcriptome sequencing and analysis of rubber
tree (Hevea brasiliensis Muell.) to discover putative genes associated with tapping
panel dryness (TPD). BMC Genomics 16: 398.
13. Wei F, Luo S, Zheng Q, Qiu J, Yang W, et al. (2015) Transcriptome sequencing and
comparative analysis reveal long-term flowing mechanisms in Hevea brasiliensis latex.
Gene 556: 153-162.
14. Shearman JR, Sangsrakru D, Jomchai N, Ruang-Areerate P, Sonthirod C, et al. (2015)
SNP identification from RNA sequencing and linkage map construction of rubber tree
for anchoring the draft genome. PLoS ONE 10: e0121961.
15. Rahman AYA, Usharraj A, Misra B, Thottathil G, Jayasekaran K, et al. (2013) Draft
genome sequence of the rubber tree Hevea brasiliensis. BMC Genomics 14: 75.
16. Putranto R-A, Duan C, Kuswanhadi, Chaidamsari T, Rio M, et al. (2015) Ethylene
Response Factors Are Controlled by Multiple Harvesting Stresses in Hevea
brasiliensis. PLoS ONE 10: e0123618.
www.iribb.org | September 2015 | 3(2), 29-32
Riza Arief Putranto - Peneliti PPBBI
32
17. Zhiyi N, Guijuan K, Yu L, Longjun D, Rizhong Z (2015) Whole-Transcriptome Survey of
the Putative ATP-Binding Cassette (ABC) Transporter Family Genes in the LatexProducing Laticifers of Hevea brasiliensis. PLoS ONE 10: e0116857.
18. Hurtado Paez UA, Garcia Romero IA, Restrepo Restrepo S, Aristizabal Gutierrez FA,
Montoya Castano D (2015) Assembly and Analysis of Differential Transcriptome
Responses of Hevea brasiliensis on Interaction with Microcyclus ulei. PLoS ONE 10:
e0134837.
www.iribb.org | September 2015 | 3(2), 29-32
Riza Arief Putranto - Peneliti PPBBI