aplikasi variasi jumlah kromosom dalam pemuliaan...

M. Syukur | Aplikasi Variasi Jumlah Kromosom dalam Pemuliaan TanamanCopyright Muhamad Syukur [email protected]://muhsyukur.staff.ipb.ac.id/2010/06/03/aplikasi-variasi-jumlah-kromosom-dalam-pemuliaan-tanaman/

Aplikasi Variasi Jumlah Kromosom dalamPemuliaan Tanaman

APLIKASI VARIASI JUMLAH KROMOSOM DALAM

PEMULIAAN TANAMAN

Muhamad Syukur

(dalam Buku Sitogenetika (Editor Sarsidi S.))

Dalam pemuliaan tanaman, seleksi merupakan kegiatan utama. Terdapatnyakeragaman genetik dalam populasi bahan seleksi penting karena seleksi tidakmenciptakan keragaman tetapi berperan atas adanya keragaman, dan seleksihanya akan efektif berlangsung jika terdapat perbedaan-perbedaan mewaris(genetik).

Pada pemuliaan tanaman poliploid, upaya manipulasi kromosom dapat sangatmembantu tercapainya tujuan program pemuliaan yang hendak dicapai.Pemanfaatan spesies liar dalam pembentukan alopoliploid, yang biasanyadilanjutkan dengan autopoliploid sering dilakukan. Biasanya hanya sebagian kecildari sifat spesies liar yang dimanfaatkan untuk disisipkan ke dalam spesiesbudidaya, oleh karena itu memerlukan teknik khusus, seperti substitusi kromosom.

Secara umum, tanaman poliploid dapat digolongkan ke dalam kelompok disomikpoliploid dan polisomik poliploid. Karakteristik kemudahan dalam memperolehrekombinasi baru pada zuriat dari kedua kelompok poliploid tersebut bertolak

page 1 / 10


belakang; pada disomik poliploid rekombinasi sukar diperoleh, sebaliknya polisomikpoliploid rekombinasinya kompleks sehingga sukar diinterpretasikan.

Pemanfaatan Spesies Liar dalam Pemuliaan Tanaman

Pengembangan keragaman genetik sangat diperlukan dalam usaha mendapatkanvarietas unggul tanaman. Keragaman genetik dapat diperoleh selain dari pooltanaman budidaya seperti varietas lokal, varietas unggul nasional, dan galur-galurpercobaan, juga diperoleh dari kerabat liar. Sudah banyak dilaporkan bahwaspesies liar merupakan sumber gen-gen yang menyandikan sifat-sifat penting yangbermanfaat dalam kegiatan pemuliaan, seperti ketahanan terhadap sebagian besarhama dan penyakit tanaman serta toleransi terhadap stres lingkungan abiotik.Dengan memindahkan gen pengendali sifat yang bermanfaat ke tanamanbudidaya akan dihasilkan perluasan genetik untuk keperluan program pemuliaantanaman.

Salah satu cara memindahkan gen spesies liar ke varietas budidaya adalah denganpersilangan kerabat jauh (interspecific hybridization), yang dilanjutkan silang balikdengan salah satu tetuanya (Brar, 1991). Silang balik mempunyai dua sasaran.Pertama, memperbaiki fertilitas; kedua, mengembalikan genom tetua resipien yangkemudian mengandung satu atau beberapa gen donor. F1 yang steril umumnyadisebabkan adanya ketidakseimbangan perpasangan kromosom. Denganmelakukan silang balik beberapa kali (misalnya sampai BC5), perpasangankromosom menjadi normal kembali (Welsh, 1981).

Melalui metode ini, telah berhasil diperoleh tanaman baru dengan sifat yangdiharapkan. Diantaranya adalah pemindahan gen ketahanan terhadap tungro danbusuk batang dari O. officinalis, sifat mandul jantan sitoplasma dari O.glumaepatula dan O. perrenis (IRRI 1993), dan ketahanan terhadap hawar daun danpenyakit blast dari O. minuta (Amante-Bordeos et al., 1992) ke padi budidaya (O.sativa).

Pemanfaatan spesies liar dalam pemuliaan tanaman dibahas dalam berikut yaitu chromosome addition lines, subsitusi kromosom, transfer sebagian kromosom,induksi translokasi secara genetik dan penggandaan kromosom.

page 2 / 10


Galur-galur dengan Kromosom Tambahan

Galur-galur dengan kromosom tambahan (chromosome addition lines) adalahgalur-galur dari tanaman budidaya yang mendapat tambahan kromosom darispesies lain, biasanya dari spesies liarnya. Apabila penambahan hanya satukromosom asing saja ke genom tanaman budidaya disebut monosomic alienaddition line (MAAL), sedangkan penambahan satu pasang kromosom asing disebutdisomic alien addition line (DAAL). Pembentukan MAAL dan DAAL dimulai daripersilangan kerabat jauh (interspecific hybridization) yang dilanjutkan silang balikdengan tetua tanaman budidaya.

Umumnya kromosom dari spesies liar dalam tanaman MAAL tidak stabil.Ketidakstabilan ini disebabkan gagalnya perpasangan kromosom monosomiktersebut. Untuk meningkatkan kesetabilan kromosom monosomik, dibentuklahDAAL dengan cara melakukan selfing tanaman MAAL.

MAAL antara lain digunakan untuk menguji efek dari penambahan kromosom.Dengan mengamati fenotipe dari tanaman MAAL akan diketahui efek daripenambahan kromosom asing tersebut, sekaligus juga dapat memetakan genpengendalinya. Misalkan jika terjadi MAAL untuk kromosom I, maka fenotipe yangditampilkan dikendalikan oleh gen-gen yang terletak pada kromosom I tersebut.Tanaman MAAL yang mempunyai komplemen kromosom lengkap dari O. sativa dansatu kromosom dari O. officinalis berhasil diproduksi oleh Jena dan Khush (1989),sedangkan tanaman MAAL dari O. sativa yang mempunyai satu kromosom dari O.punctata oleh Yasui and Iwata (1991). Prosedur pembentukan MAAL disajikan padaGambar 8.1. Melalui prosedur tersebut, Yasui dan Iwata (1991) dapatmengidentifikasi 11 grup tipe MAAL berdasarkan morfologinya sesuai denganjumlah kromosom O. punctata (Gambar 8.2). Secara sitologi dapat dilihat adanyakromosom asing (O. punctata) dalam genom O. sativa .

Melalui pembentukan MAAL, transfer gen dari spesies liar yang berkerabat jauhdengan spesies budidaya dapat dilakukan. Misalnya pada tanaman padi, hinggasaat ini telah diinventarisasi sekitar 22 spesies padi liar, beberapa diantaranya yaituO. officinalis, O. rufipogon, dan O. ridleyi menunjukkan ketahanan terhadap infeksivirus tungro (Kobayashi et al., 1994), O. minuta memiliki ketahanan terhadap Xanthomonas campestris pv. oryzae penyebab penyakit hawar daun dan Pyriculariaoryzae penyebab penyakit blas (Sitch et al., 1989), serta beberapa spesies padiliar dengan karakter penting lainnya. Dengan memindahkan gen pengendali

page 3 / 10


karakter yang bermanfaat ke dalam padi budidaya, akan dihasilkan perluasangenetik untuk keperluan pemuliaan tanaman.

Karakter ketahanan terhadap wereng punggung coklat berhasil ditransfer dari O.officinalis ke padi budidaya (Jena dan Khush, 1990), ketahanan terhadap nematodapenyebab root-knot dari tomat spesies liar Lycopersicon peruvianum ke tomatbudidaya Lycopersicon esculentum (Doganlar et al., 1997), ketahanan terhadap Fusarium, Erwinia dan Pseudomonas dari spesies liarnya ke tanaman bunga potong Cyclament persicum (Ishizaka, 1996), ketahanan terhadap hawar daun bakteri danwereng coklat dari O. australiensis ke padi budidaya (IRRI, 1995), ketahananterhadap hawar daun bakteri dan blas dari O. minuta (Amante-Bordeos et al.,1992), ketahanan terhadap virus kerdil rumput dan busuk pelepah dari O. nivaraserta ketahanan terhadap hawar daun bakteri dan wereng coklat dari Oryzagranulata (IRRI, 1993).

Substitusi Kromosom

Untuk lebih meningkatkan kestabilan kromosom, maka dari tanaman DAAL dibuatmenjadi substitution line melalui substitusi kromosom. Substitusi kromosom adalahpertukaran sepasang kromosom spesies tanaman tertentu dengan sepasangkromosom kerabat dekatnya. Kultivar gandum roti di Jerman tahun 1930-an telahdihasilkan melalui proses substitusi kromosom. Kromosom donor berasal dari ryesedangkan resipien adalah gandum (wheat).

Kromosom asing hanya akan disubstitusi oleh group kromosom homoeolognya.Sebagai konsekuensi dari subsitusi tersebut, ada kromosom resipien yangtereliminasi dari genom tanaman. Jika kromosom asing tanaman tersebut telahmasuk ke dalam genom suatu tanaman komersial maka akan mempunyai perilakumengikuti perilaku genom tanaman komersial tersebut.

Transfer Sebagian Kromosom

Subsitusi kromosom umumnya lebih stabil dan sukses daripada penambahankromosom, tetapi keberadaan gen-gen pautan/linkage yang tidak diinginkan

page 4 / 10


membatasi kegunaannya sebagai bahan pemuliaan tanaman. Keadaan yangdiharapkan adalah memasukkan gen-gen target dan mengeluarkan gen-gen lainyang tidak berhubungan yang terbawa dalam kromosom. Kendala tersebut dapatdiatasi melalui transfer sebagian kecil dari kromosom asing.

Transfer sebagian kecil dari kromosom merupakan hal yang biasa terjadi padaproses rekombinasi. Transfer sebagian kromosom dari spesies liar sudah banyakdilakukan pemulia tanaman. Sebagai contoh adalah transfer gen blast dari spesiesliar padi, O. minuta, ke padi budidaya. Tanaman BC2 yang tahan blast dan progeniselfingnya fertil serta tidak menunjukkan adanya sifat-sifat morfologi dari O.minuta, secara tidak langsung menunjukkan bahwa materi genetik yang ditransferdari tetua liarnya hanya dalam jumlah yang kecil. Bukti lainnya adalah perpasangankromosom saat meiosis berjalan normal berdasarkan uji sitologi (Amante-Bordeoset al., 1992).

Induksi Translokasi melalui Kendali Genetik

Kontrol genetik terhadap perpasangan bivalen pada gandum terjadi karena adanyagen Ph yang terletak pada kromosom 5B. Gen Ph menghambat perpasangan antarakromosom asing dengan homoeolognya pada gandum sehingga tidak ditemukanrekombinannya pada zuriat. Mutasi delesi pada kromosom 5B mengakibatkankromosom homoeolog dapat berpasangan. Manipulasi kromosom 5B dapatdilakukan untuk meningkatkan rekombinasi antara kromosom gandum dengankromosom asing lainnnya.

Transfer kromosom atau gen dengan cara memodifikasi kromosom 5B pertama kaliberhasil dilakukan pada gandum. Pendekatan yang sama digunakan dalam transfersifat ketahanan embun tepung dari Avena barbata ke tanaman oat (Avena sativa)menggunakan Avena longiglumis untuk menginduksi perpasangan kromosomhomoeolog.

Induksi perpasangan kromosom homoeolog dengan cara delesi pada kromosom 5Bmerupakan metode yang digunakan dalam transfer ketahanan leaf rust resistancedari A. elongastum ke gandum. Penggunaan galur substitusi untuk kromosom 3Agdan 7Ag telah menghasilkan hibrid yang heterozigot untuk kromosom Ag, nulisomikuntuk kromosom 5B dan trisomik untuk kromosom 5D.

page 5 / 10


Penggandaan Kromosom sebagai Jembatan Transfer Gen

Penggandaan kromosom (genom) terjadi ketika semua kromosom lengkapmengalami replikasi tanpa diikuti oleh pembelahan sel. Salah satu mekanismenyaadalah gagalnya terbentuk benang-benang gelendong. Benang-benang gelendongberperanan menarik kromosom ke kutub, melalui sentromer, setelah terjadipembelahan sentromer. Benang-benang gelendong muncul pada saat metafaseakhir. Gagalnya pembentukan benang gelendong ini menyebabkan tidak terjadipembelahan inti yang selanjutnya tidak terjadi pembelahan sel (Jensen, 1974).

Mekanisme penggandaan kromosom diantaranya adalah endomitosis,endoreduplikasi, C-mitosis dan fusi inti. Pada endoreduplikasi terjadi dua kalireplikasi pada saat interfase, sehingga setelah interfase jumlah kromatid menjadi 4.Mitosis tetap berjalan normal akan tetapi jumlah kromosom sel anak menjadi duakali lipat dari sel induknya. Pada endomitosis, mitosis gagal membentuk benanggelendong dan mitosis berhenti lebih awal, membran inti gagal larut sehingga tidakterjadi pembelahan inti akan tetapi kromosom telah mengalami replikasi. C-mitosisadalah gagalnya mitosis karena pengaruh kolkisin, baik secara parsial maupunkromosom lengkap. Kolkisin menghalangi aktifnya mekanisme pembentukanbenang gelendong. Gagalnya pembentukan benang gelendong menyebabkankromosom tidak tertarik ke kutub pada saat anafase. Dengan demikian pembelahaninti tidak terjadi, akan tetapi kromosom telah mengalami replikasi. Fusi inti adalahperistiwa terjadinya penggabungan antara dua sel yang berdekatan atau antaradua inti sel (Jensen, 1974).

Penggandaan kromosom dapat terjadi secara spontan (alami) maupun diinduksi.Ada beberapa teknik yang dapat menyebabkan terjadi penggandaan kromosomyaitu perlakuan panas, perlakuan pelukaan, dan bahan kimia. Bahan kimia yangsering digunakan adalah kolkisin, podophyllin, dinitrogen monoksida (N2O) (Jensen,1974), antimicrotubule herbicides (amiprophos-methil atau APM), oryzalin,pronamide, dan trifluralin) serta hormon (Hansen et al., 1998).

Dalam penggunaan metode silang balik (backcross), tanaman BC1F1 diperolehdengan dua cara, yaitu: 1) hibrid F1 langsung disilangbalikkan dengan tetuaberulangnya tanpa melalui penggandaan kromosom (Jena dan Khush, 1986), dan 2)hibrid F1 digandakan terlebih dahulu kromosomnya baru kemudian disilangbalikkandengan tetua berulangnya (Mariam et al., 1996).

page 6 / 10


Penggandaan kromosom mampu meningkatkan jumlah benih padi BC1dibandingkan tanpa penggandaan. Silang balik F1 (dari tunas aksilar yang diberiperlakuan kolkisin) dengan Oryza sativa menghasilkan benih (seed set) yangmeningkat enam kali lipat (dari 0,02% menjadi 0,12%) dibandingkan F1 tanpaperlakuan kolkisin (Amante-Bordeos et al., 1992).

Penggandaan kromosom juga diperlukan untuk mendapatkan tanaman doublehaploid yang fertil. Akhir-akhir ini, pembentukan tanaman haploid dari kultur anteratau metode lainnya memberikan metode yang cepat untuk menghasilkan galurmurni dengan tingkat homozigositas yang tinggi. Tanaman haploid ini harusditingkatkan ploidinya menjadi dihaploid sebelum digunakan untuk pengujian danevaluasi (Wong, 1989).

Kendala Hibridisasi Interspesifik

Dalam pelaksanaannya, upaya persilangan kerabat jauh tidak mudah karenaadanya kendala alami seperti benih hibrid yang lemah dan tidak mampu bertahanhidup, serta tanaman F1 yang diperoleh menjadi steril. Sejauh ini penghalang yangdijumpai dapat dikelompokkan menjadi dua. Pertama adalah hambatan sebelumterjadinya pembuahan (pre-fertilization barrier), yaitu berupa kegagalan dalamperkecambahan serbuk sari atau lambatnya pertumbuhan tabung serbuk sari.Kedua adalah hambatan sesudah terjadinya pembuahan (post-fertilization barrier),antara lain aborsi embrio saat masih muda dan terjadinya eliminasi kromosom.

Kegagalan perkembangan embrio menjadi biji dewasa merupakan fenomena palingumum dijumpai pada persilangan kerabat jauh (Khush dan Brar, 1986).Ketidakmampuan untuk tumbuh tersebut terjadi karena adanya mekanisme yangdapat mempengaruhi perkembangan zigot sejak pembelahan sel pertama hinggapembuahan dan hingga diferensiasi akhir dari organ reproduktif dan pembentukangamet. Penyebab lain kegagalan perkembangan embrio adalah adanya aksi genspesifik, serta tidak ada keserasian antara inti dan sitoplasma atau antara embriodan endosperm dari spesies yang digunakan dalam persilangan (Khush dan Brar,1986). Pada gandum berhasil diidentifikasi gen Kr sebagai penghambat utamaterjadinya persilangan kerabat jauh (Snape et al., 1979).

Informasi mengenai halangan persilangan kerabat jauh dalam pemuliaan padi

page 7 / 10


adalah ketidakserasian antarspesies (Sitch et al.. 1989). Halangan tersebutdiidentifikasikan sebagai ketidakserasian nukleo-sitoplasmik dan embrio-endospermpada silangan tak sempurna dan ketidakseimbangan kromosom pada hibrid F1.Studi terhadap spesies tanaman pangan memperlihatkan bahwa ketidakserasiandapat berperan pada sejumlah tahapan, yaitu dari tahap penyerbukan hingga tahapperkembangan biji hibrid yang diperoleh.

Berbagai penghalang tersebut menyebabkan rendahnya tingkat keberhasilan dalampersilangan kerabat jauh. Keberhasilan persilangan (crossability) pada beberapakombinasi persilangan dibatasi oleh kemampuan dalam pembentukan biji (seed set), yang tergantung pada genom kedua tetua (Brar, 1991). Pada Triticale, keringnyabiji hibrid dikaitkan dengan terjadinya aberasi pembelahan mitotik dalamendosperm, yang dapat dikaitkan dengan terjadinya keterlambatan duplikasiheterokromatin pada bagian ujung kromosom rye (Pickersgill, 1993).

Ketidakserasian Genom F1 Interspesifik

Genotipe tetua adalah faktor yang sangat menentukan dalam proses pembentukanembrio hibrid (Mariam et al., 1996). Tingkat pembentukan embrio hibridinterspesifik tergantung pada spesies atau galur yang disilangkan, karena setiapspesies atau galur memiliki tingkat keberhasilan persilangan berbeda-beda(Choi-Yonghwan et al., 1996). Penelitian Masyhudi et al. (1994) mendapatkanpersen pembentukan embrio hasil persilangan tiga kultivar padi, yaitu Ranau,Cisadane dan IR 64 dengan O. australiensis sebesar 1.47%, persilangan Cisadanedan IR 64 dengan O. officinalis sebesar 8.47%. Mariam et al (1996) mendapatkanpersilangan O. sativa dengan O. minutaO. sativa dengan O. australiensis0.5-3.2%. 9.5-25.1% dan Brar (1991) mendapatkan persilangan

Perbedaan spesies yang mempengaruhi tingkat pembentukan biji hibrid tersebutjuga berhubungan dengan tingkat kekerabatan antara tetua yang disilangkan.Persilangan kerabat jauh antara padi spesies liar (O. minuta x O. australiensis) lebihberhasil dibandingkan persilangan antara padi budidaya dengan spesies liar (O.sativa x O. australiensis) (Li et al., 1963). Tingkat pembentukan biji hibrid kelompokpadi galur lokal lebih tinggi dibandingkan varietas unggul nasional karena galurlokal lebih mendekati spesies liar dibandingkan varietas unggul nasional yang telahbanyak mengalami proses pemuliaan (Amalliyah, 1999).

page 8 / 10


Perbedaan spesies memberikan perbedaan struktur dan morfologi kromosom. Kondisi tersebut akan menghambat terjadinya homologi kromosom kedua tetua.Perbedaan genom pada persilangan interspesifik antara Capsicum annuum x C.baccatum menyebabkan ketidaknormalan dalam perpasangan pada waktu meiosis,sehingga muncul jembatan dan lagging (Gambar 8.10). Perbedaan ukuran yangsangat nyata antara O. sativa dengan O. australiensis akan mengurangi peluangterbentuknya embrio hibrid (Li et al., 1963; Nezu et al., 1960; Amalliyah, 1999). Kromosom O. australiensis berukuran jauh lebih besar (2-4 kali) dari kromosom O.sativa sehingga ketidakserasian kedua spesies untuk menyilang semakin tinggi.

Keseimbangan genom atau atau tingkat ploidi kedua tetua yang terlibat dalampersilangan memiliki peranan yang besar dalam menentukan persen pembentukanhibrid. Keberhasilan pembentukan hibrid interspesifik pada persilangan kerabatjauh lebih tinggi jika genom tetua jantan memiliki tingkat ploidi lebih tinggidibandingkan tingkat ploidi tetua betina (Nezu et al., 1960). Persilangan antara Triticum turgidum (AABB) dengan beberapa tanaman diploid yaitu Aestivumumbellulata (UU), Aestivum uniaristata (UnUn), Aestivum longisima (LL) dan Aestivum bicornis (SbSb) menghasilkan benih hibrid yang tidak viabel, tetapipersilangan resiprokalnya lebih berhasil (Maan, 1987).

Sterilitas Tanaman F1 Interspesifik

Hibrid interspesifik bersifat steril penuh karena perbedaan genom tetua (Singh danHymowitz, 1985). Meskipun secara morfologi berbeda spesies, Glycine clandestina,Glycine latifolia dan Glycine tabacina hanya dibedakan oleh sebuah inversiparasentrik. Tetua yang memiliki genom yang sama menghasilkan tingkat efisiensitinggi dalam mendapatkan hibrid, sedangkan tetua yang memiliki genom yangberbeda menghasilkan tingkat efisiensi yang rendah (Khush dan Brar, 1986).Spesies dengan genom yang sama tidak menjamin terbentuknya hibrid karena adakemungkinan terdapat perbedaan struktur gen dan kromosom kedua spesies (Nezu et al., 1960; Amalliyah, 1999).

Perbedaan genom antara tetua yang terlibat dalam persilangan dapatmenyebabkan hibrid yang dihasilkan bersifat mandul penuh (Li et al., 1961;Amalliyah, 1999; Brubaker et al., 1999; Nikova, 1999). Kemandulan dapatdisebabkan oleh perbedaan struktur dan jumlah kromosom, kurang/tidak adanyahomologi kromosom yang menyebabkan posisi univalen dan produksi gamet yangtidak seimbang, yang mengarah pada tingginya tingkat aborsi serbuk sari (Mariam

page 9 / 10


et al., 1996). Kromosom yang univalen dapat mencapai 60% (Ladizinsky, 2000).

Meskipun demikian kemandulan tanaman F1 hibrid juga dapat ditemukan padapersilangan tetua dengan genom yang sama baik antar spesies, maupun dalamspesies yang sama (Wan et al., 1997). Hibrid yang mandul hasil persilangandengan genom yang sama tersebut diduga karena adanya karakter mandul jantanpada tetua betina yang disilangkan, sehingga untuk mengatasinya dapat dilakukansilang balik. Adanya beberapa gen letal yang saling mendukung (Yao et al., 1958)dan adanya pengaruh struktur kriptik dari kromosom hasil persilangan diduga dapatmenyebabkan kemandulan (Manuel et al., 1990).

Berdasarkan pengamatan sitologi, berhasil diidenti-fikasi penyebab kemandulantanaman hibrid. Kemandulan tanaman hibrid hasil persilangan O. sativa dengan O.australiensis disebabkan besarnya perbedaan ukuran kromosom antar kedua tetua sehingga tidak terjadi perpasangan saat periode meiosis (Li et al., 1961).Terjadi homologi parsial pada tanaman hibrid hasil persilangan antara O. sativayang bergenom AA dengan O. officinalis yang bergenom CC (Katayama, 1966).

page 10 / 10

aplikasi variasi jumlah kromosom dalam pemuliaan...

Documents