Induksi Mutasi Dengan Radiasi Sinar Gamma pada

TINJAUAN PUSTAKA
Kondisi Cekaman Aluminium pada Lahan
Pembukaan areal pertanian di luar Jawa, khususnya tanaman pangan di
lahan kering ditujukan pada jenis tanah Podsolik Merah Kuning dengan luas areal
31,7 juta ha (23,5%) dari luas tanah asam (Leiwakabessy 1988). Kendala utama
yang dihadapi dalam pengembangan tanah asam untuk meningkatkan produksi
padi gogo adalah pH rendah dan kandungan Al tinggi (Kochian 1995), kendala
fisiko-kimia diantaranya kahat hara makro N, P, K, Ca, Mg, dan mikro Mo, Cu,
Zn, kandungan bahan organik rendah, dan sangat peka terhadap erosi
(Roesmarkan et al. 1992), serta mikroba tanah kurang aktif (Gunn et al. 1988;
Soepardi 1988).
Kekahatan hara pada tanah asam terjadi karena sebagian daerah jerapan
pada mineral liat dikuasai oleh Al dengan menggantikan Mg dan Ca. Aluminium
yang ada pada daerah jerapan juga dapat menjerap P dan Mo dengan kuat.
(Marschner 1995) sehingga P dan Mo tidak tersedia bagi tanaman. Menurut
Marschner (1995) lebih dari 70% tanah asam tropis mengalami defisiensi Ca dan
Mg karena memiliki kapasitas fiksasi P yang sangat tinggi.
Pada lahan dengan tingkat kemasaman tinggi, pertumbuhan tanaman
dihambat oleh ion-ion logam seperti Al, Fe dan Mn. Namun diantara ion-ion
tersebut Al merupakan faktor penghambat utama bagi pertumbuhan dan bersifat
racun bagi tanaman. Keracunan Al juga dapat menurunkan dan merusak sistem
perakaran yang menyebabkan tanaman rentan terhadap cekaman kekeringan dan
mengalami defisiensi unsur hara.
Respon Fisiologis Tanaman terhadap Cekaman Al
Keracunan Al merupakan faktor utama yang menghambat pertumbuhan
tanaman pada tanah asam. Pada pH rendah bentuk Al yang utama adalah Al3+
yang merupakan bentuk Al paling beracun bagi tanaman (Delhaize & Ryan 1995).
Keracunan Al bagi tanaman dapat terjadi baik secara langsung dalam
menghambat pertumbuhan akar maupun secara tidak langsung mengganngu
pengambilan, transpor dan penggunaan hara dan air (Ma 2000; Kochian et al.
6
2004). Penghambatan pertumbuhan akar telah dilaporkan pada banyak tanaman
seperti padi (Sivaguru & Paliwal 1993), dan gandum (Delhaize et al. 1993). Oleh
karena itu parameter pertumbuhan akar pada kondisi cekaman Al biasanya
digunakan untuk menilai toleransi suatu tanaman terhadap keracunan Al (Delhaize
& Ryan 1995).
Pada akar tanaman yang mendapat perlakuan Al dengan konsentrasi
rendah, hanya apoplas dan dinding sel saja yang dipengaruhi oleh Al (Ma 2000).
Kerusakan tanaman oleh Al diawali dengan gangguan pada tudung akar yang
mempunyai sinyal gaya gravitasi dan merupakan sumber pengatur hormon
endogen pertumbuhan. Sebagian besar Al di akar berada pada bagian luar dinding
sel kortek. Sebagian besar Al di akar berada dalam dinding sel bagian luar kortek.
Pemelaran dan kelenturan dinding sel merupakan prasyarat yang diperlukan untuk
pembesaran dan pemanjangan sel. Interaksi Al dengan gugus karboksil dari
senyawa pektat dinding sel menggantikan kation penstabil dinding sel seperti Ca.
Hal ini mengakibatkan pemelaran dan kelenturan dinding sel menurun sehingga
pembelahan sel terhambat dan pertumbuhan akar juga terhambat (Matsumoto
2000; Kochian et al. 2005).
Aluminium tidak hanya mempengaruhi dinding sel tetapi juga
mengakibatkan kerusakan struktur membran plasma akar. Salah satu penyebab
kerusakan akar oleh ion polimer Al adalah terbentuknya ikatan antara polimer Al
dengan membran plasma akar yang menyebabkan kerusakan pada membran dan
kebocoran K+ dari sel akar (Matsumoto et al. 1992; Ishikawa & Wagatsuma
1998). Interaksi Al dengan senyawa lipid dan protein membran dapat memicu
peroksidasi lipid sehingga sel kehilangan integritas membran plasma (Yamamoto
et al. 2003). Padi varietas IR64 yang sensitif Al mengalami peroksidasi lipid lebih
tinggi dibanding padi Hawara Bunar yang toleran Al ketika mendapat cekaman
Al (Wahyuningsih, 2009).
Secara morfologi akar yang mengalami keracunan Al umumnya pendek
gemuk (stubby) dan rapuh. Ciri ini merupakan akibat terhambatnya pemanjangan
akar utama dan lateral melalui dua mekanisme; (1) penghambatan pemanjangan
sel akar, dan (2) penghambatan pembelahan sel akar (Tan et al. 1993). Meristem
akar merupakan tempat utama terjadinya keracunan Al (Delhaize & Ryan 1995).
7
Mekanisme Toleransi Tanaman terhadap Cekaman Aluminium
Spesies tanaman tertentu dapat bertahan hidup pada tanah asam karena
mempunyai mekanisme untuk mentolerir kelebihan Al yang ada pada media
tanam. Taylor (1991) dan Kochian (1995) mengelompokan mekanisme toleransi
tanaman terhadap cekaman Al menjadi : (1) mekanisme eksternal (pengusiran Al),
dan (2) mekanisme internal. Perbedaan utama antara dua mekanisme tersebut
adalah tempat detoksifikasi Al, yaitu di apoplas untuk mekanisme eksternal dan di
simplas untuk mekanisme internal.
Pada mekanisme eksternal, Al dicegah agar tidak melintasi membran
plasma dan masuk ke simplas. Mekanismenya adalah selektivitas membran
plasma terhadap pengambilan Al, peningkatan pH rizosfer, imobilisasi Al di
dinding sel dan pelepasan asam organik sebagai ligan pengkelat Al. Sejumlah
tanaman dapat melepaskan asam organik terutama malat, sitrat, dan oksalat dari
akar dalam merespon keracunan Al (Ma 2000). Mekanisme toleransi Al eksternal
diantaranya pada tanaman padi dan kedelai. Hasil penelitian Kasim et al. (2001)
melaporkan bahwa tanaman kedelai mampu mensekresikan asam sitrat sebagai
mekanisme eksternal dalam menghadapi cekaman Al. Pada tanaman padi, asam
malat dan sitrat disekresikan dari akar ketika mendapat cekaman Al. Padi varietas
Hawara Bunar yang toleran Al mensekresikan kedua jenis asam organik tersebut
tiga kali lebih tinggi dibanding padi varietas IR64 yang sensitif Al ketika
mendapat cekaman Al 15 ppm selama 24 hingga 72 jam (Martiansyah 2008;
Wahyuningsih 2009). Akan tetapi hasil penelitian Ma et al. (2000) menunjukkan
hasil yang berbeda dimana sekresi asam sitrat mengalami peningkatan baik pada
varietas yang sensitif maupun toleran Al, sehingga sekresi asam sitrat tidak dapat
membedakan secara nyata antara varietas yang sensitif dan toleran cekaman Al
(Ma et al. 2002).
Pada mekanisme internal, tanaman membiarkan Al masuk ke dalam
simplas dan tidak memperlihatkan gejala keracunan. Mekanismenya meliputi
pengkelatan Al di sitosol, mengurung Al dalam vakuola, sintesis protein pengikat
Al, penurunan aktivitas beberapa enzim, dan induksi akumulasi protein tertentu.
Mekanisme toleransi Al internal umumnya dimiliki oleh spesies tanaman
8
pengakumulasi Al, seperti tanaman teh (Camelia sinensis L.) dan melastoma
(Melastoma sp).
Pemanfaatan Tanah Asam dengan pH Rendah
Pada tanah asam terdapat kendala sulfat masam, yakni adanya sulfat
terlarut dengan konsentrasi tinggi dan dapat meracuni tanaman. Pada tanah asam
terdapat kendala kimia yang secara individual atau interaksi dapat menekan
pertumbuhan tanaman dan yang lebih berperan menekan pertumbuhan tanaman
bukan pH rendah tetapi keracunan dan atau kekurangan unsur hara mineral
(Marschner 1995). Swasti (2004) melaporkan bahwa pada kondisi tanah asam
selain mengalami cekama Al juga kekurangan hara P. Kondisi lahan seperti ini
dapat diatasi melalui dua pendekatan, yaitu (1) pendekatan masukan tinggi dengan
pengapuran dan pemupukan, dan (2) pendekatan masukan rendah dengan
menggunakan galur-galur atau varietas tanaman toleran Al dan efisien P. Cara
yang kedua dianggap lebih efisien untuk menanggulangi kendala pengembangan
tanah asam dengan meminimalkan pengapuran untuk meningkatkan pH tanah.
Perbaikan Varietas Padi Toleran Al pada Tanah Asam
Di Indonesia perakitan varietas unggul padi yang toleran Al merupakan
salah satu prioritas untuk menghasilkan tanaman padi yang mampu beradaptasi
pada tanah asam (Partohardjono et al. 1997). Teknik perakitan varietas unggul
dapat dilakukan melalui dua cara, yaitu (1) secara konvensional melalui
persilangan dari berbagai tetua yang memiliki sifat toleran terhadap keracunan Al,
dan (2) secara non konvensional yang salah satunya melalui penggunaan
teknologi nuklir yang diharapkan dapat mempercepat proses pemuliaan pada masa
yang akan datang. Teknologi nuklir dengan cara radiasi pada dosis yang tepat
sudah mampu menghasilkan tanaman yang memiliki sifat berbeda dengan
induknya pada generasi M0. Radiasi dengan sinar gamma umumnya digunakan
dalam pemuliaan mutasi untuk mendapatkan keragaman genetik (Harsanti &
Ishak 1999).
Usaha perbaikan varietas padi gogo antara lain untuk mendapatkan padi
genjah, meningkatkan potensi hasil, ketahanan terhadap kendala utama seperti
9
penyakit blas (Pyricularia orizae L.) dan adaptasi terhadap lahan bermasalah
(Soejono 2003). Beberapa padi gogo lokal di Indonesia sperti Grogol, Krowal dan
Hawara Bunar mempunyai kemampuan dapat tumbuh dan bereproduksi dalam
kondisi tercekam aluminium (Al) pada tanah asam. Sedangkan IR64 merupakan
galur padi sawah yang sensitif Al (Khatiwada et al. 1996; Suparto 1999; Jagau
2000).
Beberapa penelitian untuk mendapatkan galur padi gogo toleran Al dengan
menggunakan metode yang berbeda sudah dilaksanakan. Hasil penelitian Swasti
(2004)
untuk
mendapatkan
galur
padi
gogo
yang
efisien
P,
dan
Trikoesoemaningtyas (2002) padi gogo efisien K dalam cekaman Al. Bakhtiar
(2007) melakukan penapisan padi gogo menggunakan kultur anter untuk toleransi
Al dan ketahanan terhadap panyakit blas, dan Edi (2004) meningkatkan toleransi
Al pada padi menggunakan kombinasi keragaman somaklonal dan radiasi dengan
sinar gamma.
Beberapa ciri morfologi yang dapat diamati pada galur padi gogo toleran
Al seperti Hawara Bunar adalah batang yang mendukung bulir berwarna putih,
warna lamina daun hijau tua, jumlah anakan pada tanaman dewasa (umur 4 bulan)
paling banyak 4 anakan dan memiliki postur tanaman yang tinggi (Jagau 2000).
Varietas IR64 yang sensitif Al merupakan padi sawah, mempunyai bentuk biji
panjang, tinggi tanaman lebih rendah daripada Hawara Bunar, jumlah anakan
pada tanaman dewasa (umur 4 bulan) sekitar 10 anakan, warna lamina daun hijau
dan waktu berbunganya lebih cepat 12 – 14 hari daripada Hawara Bunar (Jagau
2000).
Mutasi
Mutasi adalah perubahan yang terjadi pada materi genetik yang dapat
menyebabkan perubahan ekspresi. Perubahan dapat terjadi pada tingkat pasangan
basa, tingkat satu ruas DNA, bahkan pada tingkat kromosom (Jusuf 2001). Mutasi
dapat terjadi pada setiap bagian dan pertumbuhan tanaman, namun lebih banyak
pada bagian yang sedang aktif mengadakan pembelahan sel, misalnya tunas dan
biji yang sedang berkembang. Bila mutasi terjadi pada sel somatik, maka
perubahan hanya pada bagian sel tersebut dan tidak diwariskan. Sedang bila
10
mutasi terjadi pada organ generatif, maka akan diwariskan pada generasi
berikutnya (Poespodarsono 1986).
Mutasi atau perubahan struktur gen dapat dideteksi dengan melihat
perubahan pada tingkat struktur gen atau perubahan pada tingkat ekspresinya.
Untuk melihat perubahan tersebut dapat dilakukan dengan membandingkan antara
mutan dan tipe liarnya. Secara garis besar penampilan mutan dapat dibedakan dari
tipe liarnya dengan tiga cara : perbedaan morfologi, perbedaan tingkat kimia dan
perbedaan tingkat adaptasi terhadap lingkungan tumbuh. Hasil mutasi yang paling
mudah dilihat ialah bila terjadi perubahan bentuk, ukuran atau warna (Jusuf,
2001). Mutasi dapat terjadi secara spontan dan induksi. Induksi dengan bahan
kimia dan radiasi merupakan salah satu cara yang paling efisien (Djojosoebagio
1988).
Mutasi dapat terjadi pada tingkat gen maupun kromosom. Jika perubahan
hanya mengenai satu gen maka disebut mutasi gen atau mutasi titik (point
mutation). Jika perubahan mengenai lebih dari satu gen disebut mutasi kromosom
(Jusuf 2001). Mutasi titik dalam suatu gen dapat terjadi karena substitusi pasangan
basa, penyisipan (insersi), atau pengurangan (delesi) pasangan basa. Mutasi
kromosom dapat terjadi karena perubahan jumlah kromosom atau perubahan
struktur kromosom. Perubahan struktur kromosom dimana jumlah kromosom
tetap tetapi terjadi perubahan komposisi dan susunan bahan kromosom, yaitu
delesi, duplikasi, inversi dan translokasi (Griffiths et al. 2005; Campbell et al.
2002).
Beberapa cara untuk memperluas keragaman genetik untuk bahan seleksi
adalah dengan cara mengumpulkan material koleksi lokal, introduksi dari luar
negeri, persilangan, dan dengan mutasi buatan. Mutasi buatan pada hakekatnya
adalah upaya untuk meningkatkan frekuensi terjadinya mutasi. Mutasi buatan
tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan bahan fisik seperti radiasi dan
bahan kimia. Sumber radiasi yang sering digunakan adalah sinar X, sinar gamma
dari Cobalt-60, sinar beta dari radioisotop dan sinar neutron dari reaktor atom
yang mudah diaplikasikan dan menghasilkan frekuensi mutasi yang tinggi
(Poespodarsono 1986). Teknik mutasi penting dalam meningkatkan produksi padi
di Asia Pasifik, kurang lebih 434 mutan padi telah dilepas, dan sebanyak 225
11
(67%)
mutan yang didapatkan diantaranya menggunakan sinar gamma
(Ahloowalia et al. 2004).
Penerapan mutasi induksi di Indonesia dimulai tahun 1967 setelah
berdirinya instalasi sinar gamma yang bersumber dari Cobalt-60 di Pusat Aplikasi
Teknologi Isotop dan Radiasi (PATIR) BATAN di Pasar Jum’at Jakarta. Prioritas
kegiatan diarahkan pada perbaikan varietas padi, yakni umur genjah, tanaman
agak pendek, tahan terhadap serangan patogen dan kekeringan serta kualitas biji
disukai oleh konsumen (Soejono 2003).
Sinar Gamma
Radiasi sinar gamma merupakan radiasi ionisasi yang banyak digunakan
pada penelitian biologis, bentuk radiasi ini dapat menembus sel-sel dan jaringan
dengan mudah karena mempunyai daya tembus tinggi (Poespodarsono 1986).
Sinar gamma merupakan salah satu mutagen fisik yang memiliki panjang
gelombang pendek dengan energi yang sangat besar. Sumber radiasi sinar gamma
berasal dari Cobalt-60 atau Cesium-137 (Herawati & Setiamihardja 2000).
Menurut Soejono (2003) dosis radiasi yang diberikan untuk mendapatkan
mutan tergantung pada jenis tanaman, fase tumbuh, ukuran, kadar air, dan bahan
yang akan dimutasi. Pada umumnya dosis radiasi dibagi menjadi tiga, yaitu tinggi
(>10 kGy), sedang (1 – 10 kGy) dan rendah (< 1 kGy). Perlakuan radiasi sinar
gamma pada tanaman padi mengakibatkan beberapa gen dapat termutasi dalam
waktu bersamaan, karena mutagen yang diperlakukan pada jaringan atau sel akan
mengenai sasaran secara random (Ishak 1997). Radiasi sinar gamma pada biji padi
dapat mengakibatkan mutasi pada berbagai segmen kromosom dari sel embrio
seperti daerah “scutelum” dan sumbu embrio. Perlakuan radiasi ini diharapkan
dapat menyebabkan terjadinya variasi genetik yang luas diantara individu
tanaman. Keragaman genetik yang luas ini akan memberikan peluang untuk
mendapatkan karakter tanaman yang diinginkan dalam proses seleksi. Hal ini akan
membantu program pemuliaan untuk mendapatkan tanaman yang unggul.
Efektivitas radiasi yang diberikan pada tanaman dipengaruhi oleh faktor
lingkungan dan faktor biologi. Faktor lingkungan terdiri dari oksigen, kadar air,
12
suhu, sedangkan faktor biologi meliputi volume inti dan faktor genetik yaitu
adanya perbedaan kepekaan terhadap radiasi (Ismachin 1988).
Hasil penelitian Mugiono & Rustandi (1991) memberi gambaran bahwa
penerapan teknik mutasi induksi untuk mendapatkan varietas padi berumur genjah
mempunyai peluang besar untuk berhasil. Penggunaan radiasi dengan dosis 0.2 –
0.3 kGy memberikan hasil yang terbaik untuk mendapatkan mutan genjah pada
padi varietas Cisadane.