PERAN IPTEK NUKLIR DALAM PEMULIAAN TANAMAN UNTUK MENDUKUNG INDUSTRI PERTANIAN

 

PERAN IPTEK NUKLIR DALAM  PEMULIAAN TANAMAN UNTUK MENDUKUNG INDUSTRI PERTANIAN

 

Nurzihan Defriyanti

Politeknik Teknologi Nuklir Indonesia  BRIN

Jl. Babarsari Kotak POB 6101/YKKB, Ngentak, Caturtunggal, Kec. Depok, Kabupaten Sleman, Daerah Istimewa Yogyakarta 55281

Email : nurzihandefriyanti003@gmail.com

 

ABSTRAK

PERAN IPTEK NUKLIR DALAM  PEMULIAAN TANAMAN UNTUK MENDUKUNG INDUSTRI PERTANIAN. Pemanfaatan iptek nuklir dewasa ini terus berkembang dan banyak dirasakan oleh masyarakat, khususnya di bidang pertanian dan industri. Pemuliaan tanaman memegang peranan penting dalam industri pertanian, khususnya dalam perakitan varietas-varietas unggul, seperti tahan hama, tahan kekeringan, dan mempercepat masa panen. Teknik mutasi merupakan salah satu metoda pemuliaan tanaman yang banyak digunakan karena melalui beberapa tahap pengujian dan pemurnian serta juga tidak mengandung residu bahan kimia. Teknik ini menggunakan bahan mutagen, seperti sinar gamma, untuk menginduksi mutasi pada tanaman. Mutasi dapat meningkatkan keragaman genetik tanaman yang kemudian dijadikan sebagai populasi dasar untuk seleksi dan program pemuliaan lebih lanjut.

Kata kunci : pemuliaan tanaman, mutasi, varietas mutan, pertanian.

ABSTRACT

THE ROLE OF NUCLEAR SCIENCE IN PLANT BREEDING TO SUPPORT AGRICULTURAL INDUSTRY. The utilization of nuclear science and technology today continues to grow and is widely felt by the community, especially in agriculture and industry. Plant breeding plays an important role in the agricultural industry, especially in the assembly of superior varieties, such as pest resistance, drought resistance, and accelerated harvest. Mutation technique is one of the widely used plant breeding methods because it goes through several stages of testing and purification and also does not contain chemical residues. This technique uses mutagen materials, such as gamma rays, to induce mutations in plants. Mutations can increase the genetic diversity of plants which then serve as the base population for selection and further breeding programs.

Keywords: plant breeding. mutation, mutant varietas, agricultural.

 

PENDAHULUAN

I

ndonesia merupakan negara agraris karena jumlah penduduk yang bekerja di sektor pertanian cukup besar dengan lahan yang luas dan subur. Maka tidak heran apabila sektor pertanian berperan memiliki penting dalam perekonomian Indonesia. Hal ini karena sebagai sebuah negara agraris, sektor pertanian mampu memberi penghidupan dan menciptakan lapangan pekerjaan. Upaya yang telah ditempuh dalam peningkatan produksi pertanian adalah melalui penerapan sistem panca usaha tani, yang salah satu diantaranya adalah penggunaan benih/ bibit unggul tanaman yang dibudidayakan untuk meningkatkan kualitas benih tanaman yang lebih unggul dan produktif.

Keunggulan suatu benih/ bibit tanaman pada dasarnya ditentukan oleh faktor generik (gen) dan non-genetik (lingkungan). Upaya dalam perbaikan genetik pertanian ditempuh melalui penelitian pemuliaan tanaman. Pada umumnya pemuliaan tanaman bertujuan untuk memperbaiki varietas tanaman yang sudah ada sehingga menjadi lebih unggul dalam beberpa sifat, misalnya tanaman menjadi lebih tahan terhadap serangan hama dan penyakit, berproduksi lebih tinggi, dan memiliki kualitas yang lebih baik. Untuk mencapai tujuan tersebut pemuliaan tanaman menghendaki adanya keragaman genetik yang tinggi sehingga dapat melakukan seleksi tanaman sesuai dengan tujuan pemuliaan tanaman Yang dikehendaki. Peningkatan keragaman genetik tanaman dapat ditempuh melalui bermacam metoda pemuliaan tanaman yailu metoda introduksi, seleksi, hibridisasi, bioteknologi dan mutasi.

Pemuliaan tanaman degan teknik mutasi merupakan salah satu teknik yang telah dikembangkan  secara luas sebagai upaya untuk meningkatkan keragaman genetik tanaman untuk mendapatkan sifat baru sebagai sarana untuk perbaikan genetik tanaman, terutama pada tanaman yang selalu diperbanyak secara vegetative sehingga keragaman genetiknya rendah atau untuk mendapatkan karakter baru. Mutasi alami dapat terjadi disebabkan adanya sinar  surya, maupun energi listrik seperti petir. Mutasi buatan untuk tujuan pemuliaan tanaman dapat dilakukan dengan memberikan mutagen. Mutagen yang dapat digunakan untuk mendapatkan mutan ada dua golongan yaitu mutagen fisik dan mutagen kimia. Yang termasuk dalam mutagen fisik antara lain sinar x, sinar gamma dan sinar ultra violet. Perakitan varietas baru melalui mutasi telah berkembang luas, negara paling banyak menghasilkan varietas baru adalah Asia, Amerika, Eropa, diikuti Rusia, Belanda  dan Jepang. Adapun  tanaman pangan paling banyak dikembangkan adalah pada padi. Pada tanaman hortikultura seperti tanaman hias pengembangan varietas baru hasil mutasi menduduki jumlah terbanyak,  karakter  baru yang diperoleh  antara lain mutu hasil, rasa, warna, dan ukuran serta toleransi terhadap cekaman biotik  maupun abiotik..

Indonesia yang dikenal sebagai negara agraris kini perlu untuk mempertimbangkan kembali penggunaan energi nuklir. Sebab, manfaat nuklir dapat dirasakan untuk menunjang hasil pertanian yang lebih baik. Untuk mencapai tujuan tersebut pemuliaan tanaman menghendaki.

METODE PEMULIAAN TANAMAN

Introduksi adalah upaya pemuliaan tanaman dengan cara mendatangkan induk yang dari tempat lain, lalu dikembangbiakan dengan proses vegetatif. Tanaman introduksi yang terseleksi memiliki daya adaptasi baik, berproduksi tinggi dan atau memiliki sifat keunggulan lainnya kemudian dapat dilepas menjadi varietas unggul baru. Sebagai contoh, varietas unggul padi dan tanaman pengganti gandum merupakan hasil penelilian pemuliaan tanaman melalui metoda introduksi. Seperti laporan 107 varietas unggul padi dan tanaman pengganti gandum dimiliki IPB (Rektor IPB Arif Satria, 2023) yang dikutip oleh Linna Susantai (2023), Institut Pertanian Bogor (IPB) University hingga saat ini memiliki 107 varietas padi dan tanaman-tanaman pengganti gandum sebagai solusi untuk peningkatan produksi pangan beras di tengah tantangan krisis akibat perubahan iklim dan situasi ekonomi tidak stabil efek perang Rusia dan Ukraina. Indonesia sudah menghasilkan produk-produk tepung lokal sebagai substitusi gandum yang impornya semakin lama semakin meningkat. Arif pun menyampaikan produk lokal yang bisa seperti gandum banyak, ada sagu, ganyong, sukun, sorgum dan banyak lainnya yang butuh sentuhan perguruan tinggi melalui peningkatan produktifitas. Namun demikian, tidak sampai di situ, kata Arif, memang mau tidak mau produksi pangan Indonesia harus menekan angka faktor kehilangan makanan (food lost) dan sampah makanan (food waste) yang tercatat cukup tinggi.

Pemuliaan tanaman dengan seleksi dilakukan dengan cara memilih genetik unggul dari sumber plasma nutfah yang ada kemudian dikembangkan lebih lanjut menjadi varietas unggul baru. Metoda seleksi sering dikombinasikan dengan persilangan (hibridisasi). Sejak dikenalnya hukum Mendel dalam ilmu genelika, pemuliaan tanaman lebih intensif dilakukan-dengan hibridisasi yaitu melalui persilangan tanaman (dalam spesies sama) yang memiliki sifat-sifat genetik yang berbeda. Perpaduan genetik antara kedua tanaman yang disilangkan diharapkan menghasilkan rekombinasi baru yang kemudian melalui proses seleksi dapat menghasilkan galur atau varietas unggul tanaman. Sampai kini telah banyak dilaporkan varietas unggul tanaman yang dihasilkan melalui metoda hibridisasi yang memiliki nilai ekonomi tinggi.

Sejalan dengan semakin berkembangnya ilmu genetika, maka akhir-akhir ini dikenal pemuliaan tanaman dengan menggunakan bioteknologi. Pada prinsipnya teknik ini mirip dengan hibridisasi, hanya saja materi yang disilangkan (ditransfer) pada teknik bioteknologi berada pada tingkat gen. Transfer gen dapat dilakukan baik dalam spesies tanaman yang sarna maupun yang berbeda. Gen yang ditransfer seharusnya telah diidentifikasi sebagai gen unggul pengontrol sifat tertentu, misalnya gen pengontrol ketahanan terhadap serangan hama dan penyakit. Tanaman yang telah menerima transfer gen dikenal sebagai tanaman transgenik, dan apabila tanaman transgenik memang memiliki keunggulan maka dapat dilepas menjadi varietas unggul baru. Namun demikian, di banyak negara penggunaan tanaman transgenik sampai kini masih berada dalam perdebatan (kontroversi) karena pemanfaatan tanaman transgenik sangat terkait erat dengan isyu keamanan hayati (biosafety), keamanan pangan (food safety) dan keamanan lingkungan (environmental safely), Setiap negara, termasuk Indonesia, perlu menetapkan peraturan atau regulasi khusus untuk menjamin keamanan penggunaan tanaman lransgenik.

MUTASI DALAM PEMULIAAN TANAMAN

Mutasi merupakan suatu proses dimana suatu gen mengalami perubahan struktur dan/atau suatu perubahan sifat keturunan yang mengakibatkan perubahan fenotipe yang diwariskan dari satu generasi ke generasi selanjutnya. Sedangkan radiasi adalah pancaran energi melalui materi atau ruang dalam bentuk partikel atau gelombang elektromagnetik/ cahaya (foton) dari sumber radiasi. Keuntungan pemuliaan tanaman dengan teknik mutasi radiasi adalah prosesnya yang relatif cepat dibanding teknik lain, dapat memperbaiki satu atau dua sifat tanaman, dan dapat menimbulkan sifat baru.

Teknik mutasi radiasi telah dilakukan dilakukan BATAN sejak tahun 1980-an. Sebagai contoh adalah seleksi pedigree varietas padi Cisantana dengan penyinaran radiasi sinar gamma dosis 0,2 kGy menggunakan irradiator gamma menghasilkan varietas baru yang diberi nama Bestari. Perbaikan yang dihasilkan adalah dihilangkannya bulu pada gabah Cisantana. Adanya bulu tidak disukai petani karena dapat menurunkan rendemen beras. Selain itu, potensi hasil produksi juga meningkat dibandingkan dengan varietas induknya,  yaitu dari 7,0 ton/ha menjadi 9,42 ton/ha. Kadar amilosanya turun dari 23% menjadi 20,62%. Kadar amilosa menentukan tekstur nasi, nilai kadar amilosa antara 10-20% tekstur nasinya sangat pulen, antara 20-25% pulen dan diatas 25% merupakan nasi pera.

Dengan teknik mutasi radiasi BATAN hingga saat ini telah menghasilkan 15 varietas padi unggul yang dilepas melalui Surat Keputusan Menteri Pertanian. Hasil kegiatan pemuliaan tersebut merupakan kontribusi kepada pemerintah dalam upaya meningkatkan produktivitas padi nasional dan membuat petani memiliki banyak pilihan terhadap varietas yang ingin ditanam. Selain itu juga dapat menunjukkan kepada masyarakat bahwa teknik nuklir dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan pendapatan petani dengan memanfaatkan benih unggul yang lebih tahan terhadap penyakit tanaman dan hasil produksi tinggi.

Dalam bidang pemuliaan tanaman, metoda mutasi dapat meningkatkan keragaman genetik tanaman sehingga memungkinkan pemulia melakukan seleksi genotipe tanaman sesuai dengan tujuan pemuliaan yang dikehendaki. Mutasi induksi dapat dilakukan pada tanaman dengan perlakuan bahan mutagen tertentu terhadap organ reproduksi tanaman seperti biji, stek batang, serbuk sari, akar rhizome, kultur jaringan dan sebagainya. Apabila proses mutasi alami terjadi secara sangat lambat maka percepatan, frekuensi dan spektrum mutasi tanaman dapat diinduksi dengan perlakuan bahan mutagen tertentu (IAEA, 1977; Novak dkk., 1992; Van Harten, 1998). Pada umumnya bahan mutagen bersifat radioaktif dan memiliki energi tinggi yang berasal dari hasil reaksi nuklir.

Mutagen adalah bahan-bahan yang menyebabkan terjadinya mutasi. Bahan mutagen yang sering digunakan dalam penelitian pemuliaan tanaman digolongkan menjadi dua kelompok yaitu mutagen kimia (chemical mutagen) dan mutagen fisika (physical mutagen). Mutagen kimia pada umumnya berasal dari senyawa alkyl (allcylating agents) yaitu berupa zat kimia penyebab terjadinya mutasi antara lain kolkisin, digitonin, dan lain sebagainya. Mutagen fisika bersifat sebagai radiasi pengion (ionizing radiation) dan termasuk diantaranya adalah sinar-X, radiasi Gamma, radiasi beta, neutrons, dan partikel dari asclerators (IAEA, 1977; Van Harten, 1998). Baik mutagen kimia maupun mutagen fisika memiliki energi nuklir yang dapat merubah struktur materi genetik tanaman. Perubahan yang tedjadi pada materi genetik dikenal dengan istilah mutasi (mutation).

MACAM MUTASI

Mutasi Genom (Genome Mutation)

Mutasi ploidi tipe defisiensi termasuk pengurangan jumlah genom, seperti barley diploid (HH) menjadi barley haploid (H). Tanaman haploid dapat menghasilkan haploid ganda sehingga menghasilkan galur homozigot, yang merupakan teknologi alternatif dalam pemuliaan dan genetika tanaman pada banyak spesies. Haploid ganda dapat diperoleh dengan menginduksi embriogenesis pada sel kultur haploid, untuk menghasilkan genom ganda. Pada beberapa spesies tanaman terdapat mekanisme alami yang dapat memacu pengurangan ploidy. Sebagai contoh, gen penginduksi haploid pada jagung dan barley meningkatkan frekuensi embrio haploid pada biji (Barret et al. 2008, Finch 1989). Ravi dan Chan (2010) memperoleh tanaman haploid dengan teknik eleminasi genom yang dimediasi oleh centromer.

Penambahan genome, poliploidi dengan cara duplikasi (autoploid) atau penambahan genom (alloploid) terjadi secara alami dalam proses evolusi spesies tanaman dan juga memugkinkan diinduksi secara buatan. Salah satu efek dari poliploidi adalah meningkatkan volume nukleus, yang juga meningkatkan ukuran sel, jaringan, dan organ tanaman.

Alloploid memiliki tambahan genom berbeda yang mengandung gen-gen yang berbeda, untuk memperkaya keragaman gen dalam proses dan peluang meningkatkan heterosis (Lundqvist et al. 2012). Beberapa contoh tanaman poliploid adalah:

1.      Triploid: pisang, semangka, dan apel.

2.      Tetraploid: randu, kubis, gandum durum, kentang, dan tembakau.

3.      Hexaploid: gandum terigu, oat, triticale, dan krisan.

4.      Oktaploid : dahlia dan strawberi.

Mutasi Kromosom (Chromosome Mutation)

Kromosom merupakan organ dalam nucleus sebagai tempat kedudukan gengen secara bersama-sama, yang juga dikenal sebagai kelompok pautan (lingkage group). Kromosom memiliki dua lengan yang panjangnya seimbang atau tidak, yang bersatu pada centromer. Setiap spesies normalnya memiliki set kromosom standar yang disebut euploid. Genom dari euploid yang tidak normal diistilahkan aneuploid yang merupakan penambahan atau kehilangan satu atau lebih kromosom atau bagian kromosom. Duplikasi dan delesi, khususnya hilangnya bagian dari kromosom, tidak dapat ditoleransi oleh kebanyakan spesies diploid. Beberapa diploid mentoleransi penambahan kromosom, tetapi duplikasi tersebut sering menghilang selama proses meosis. Pada generasi selanjutnya, aneuploid kembali ke euploid. Poliploid memiliki lebih banyak pengendali genetik dan tanaman aneuploid viable dapat diproduksi dari poliploid (Lundqvist et al. 2012).

Mutasi Gen (Crene or Point Mutation)

Mutasi gen dapat dibagi berdasarkan perubahan dalam jumlah dan komposisi gen, yang terdiri atas:

1.      Mutasi jumlah copy gen

Jumlah copy gen (paralogus) dapat meningkat dan menurun oleh mutasi spontan atau induksi. Duplikasi suatu gen dapat terjadi pada lokus mana pun dalam genom meskipun kebanyakan terjadi pada kromosom homologus. Mutasi yang mempengaruhi jumlah copy gen dapat menurunkan atau meningkatkan ekspresi gen yang menghasilkan sifat tertentu. Perubahan dalam mutasi jumlah copy gen biasanya berasal dari suatu produk kesalahan perpasangan selama proses meosis dan rekombinasi. Namun, peristiwa mutasi yang umum adalah penurunan jumlah copy gen yang efektif, disebabkan oleh mutasi titik.

 

2.      Mutasi tak terstruktur: perubahan pada sekuens DNA

Kategori ini melibatkan perubahan dalam sekuens pasangan basa dari DNA. Mutasi juga disebabkan oleh perubahan pada daerah yang tidak dikodekan (non coding region) seperti promoter, intron, heterokromatin dan DNA repetitif. Mutasi gen nonstruktural yang umum terjadi adalah sebagai berikut:

a.      Mutasi titik: umumnya diakibatkan oleh mutagen kimia. Mutasi ini melibatkan perubahan basa tunggal dan dapat menghasilkan kodon missense (code untuk asam amino yang berbeda), silent (diam, tidak ada perubahan asam amino), dan nonsense (kodon asam amino berubah). Mutasi titik juga dikenal sebagai subsitusi basa tunggal, yang berkontribusi terhadap polimorfisme nukleotida tunggal (SNP), insersi dan delesi satu atau lebih nukleotida. Penggabungan keduanya disebut InDel, dapat menghasilkan perubahan kodon dan frameshift pada codon reading frame dengan efek kuantitatif dan kualitatif pada produksi protein. Mutasi pada daerah spesifik gen, seperti promoter, daerah pengkodean, stop, intron dan sekuens 3' yang tidak ditranslasi, insersi transposon, juga dikenal sebagai mutagenesis insersi. Transponson merupakan sekuens DNA yang dapat berpindah, masuk atau keluar dari kromosom. Biasanya transposon aktif karena stres lingkungan dan aktivitasnya dapat mematikan atau mengaktifkan gen dengan masuk ke dalam gen.

b.      Mutasi mutasi: Keadaaan lingkungan tumbuh yang tidak teratur dari proses fisiologi yang beragam dapat menghasilkan mutan fenotipik. Namun hal ini bukan bersifat genetik dan dapat dibedakan dari mutasi sebenarnya dengan tidak adanya pewarisan sifat kepada keturunannya. Banyak efek epigenetik yang kurang dipahami dan istilah tersebut digunakan untuk banyak penyimpangan fisiologi yang disebabkan faktor lain yang bukan genetik. Untuk memberikan pemahaman yang baik tentang hal tersebut adalah metilasi DNA yang dapat mengganggu ekspresi gen normal. Metilasi merupakan penyimpangan yang umum terjadi pada DNA tanaman yang dibiakkan dalam kultur jaringan. Beberapa perubahan epigenetik dapat diwariskan pada saat pola metilasi tidak secara sempurna diperbaiki di gamet dan setelah fertilisasi.

Hasil Induksi Mutasi

Badan Litbang Pertanian merupakan salah satu lembaga penelitian yang telah menerapkan penggunaan sinar radiasi untuk memperoleh varietas unggul dengan sifat khusus yang dikehendaki melalui induksi mutasi. Induksi mutasi dengan iradiasi sinar gama pada tingkat in vitro pada tanaman pangan  (padi dan kedelai toleran kekeringan, kedelai toleran keracunan Al, dan gandum toleran suhu panas), tanaman buah-buahan (jeruk untuk kualitas hasil dan pisang untuk untuk tahan penyakit Fusarium), tanaman obat (purwoceng), tanaman industri (nilam untuk kualitas hasil minyak), dan tanaman hias (krisan, mawar, melati, gladiol, anthurium dan artemisia terutama untuk kualitas bentuk dan warna bunga) telah dilakukan Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Bioteknologi dan Sumberdaya Genetik Pertanian (BB Biogen). Sedangkan untuk tanaman perkebunan, menurut Maluszynski et al. (2000), pada tahun 1934 Indonesiatelah mengembangkan varietas mutantembakau yakni  Nicotiana tabaccumvar. Vorstenland, berasal dari Clorina F1 melalui iradiasi pada biji, tunas, kalus, dengan sinar X, dan gamma menghasilkan mutan denganwarna dan kualitas daun lebih baik,tahan patogen, produksi lebih tinggi.

Pemuliaan dengan teknik mutasi bukannya tanpa kelemahan. Mutasi iradiasi pada tanaman dapat menimbulkan abnormalitas. Hal ini menandakan telah terjadi perubahan pada tingkat genom, kromosom, dan DNA sehingga proses fisiologis pada tanaman menjadi tidak normal dan menghasilkan variasi-variasi genetik baru. Abnormalitas atau bahkan kematian pada populasi mutan (M1) merupakan akibat dari terbentuknya radikal bebas seperti H0, yaitu ion yang bersifat sangat labil dalam proses reaksi sehingga mengakibatkan perubahan (mutasi) pada tingkat DNA, sel atau jaringan. Selain itu, perlakuan dosis iradiasi tinggi akan mematikan bahan yang dimutasi ataumengakibatkan sterilitas.

Berbagai teknik pemuliaan tanaman dilakukan untuk menghasilkan tanaman yang lebih baik melalui perbaikan genetik. Begitu juga dengan pemuliaan melalui induksi mutasi. Mutasi yang diharapkan adalah yang dapat menimbulkan keragaman pada sifat yang akan diseleksi sehingga sifat atau karakter yang lebih baik dapat diseleksi, sementara karakter yang baik pada tanaman/varietas asal tetap dipertahankan.

KESIMPULAN

Iptek nuklir dapat berperan dalarn pemuliaan tanaman untuk mendapatkan varietas-varietas unggul tanaman. Pemuliaan tanaman degan teknik mutasi merupakan salah satu teknik yang telah dikembangkan secara luas sebagai upaya untuk meningkatkan keragaman genetik tanaman untuk mendapatkan sifat baru sebagai sarana untuk perbaikan genetik tanaman, terutama pada tanaman yang selalu diperbanyak secara vegetative sehingga keragaman genetiknya rendah atau untuk mendapatkan karakter baru. Riset pemuliaan tanaman dengan teknik mutasi telah dilakukan oleh BATAN yang menghasilkan 15 varietas padi unggul yang dilepas melalui Surat Keputusan Menteri Pertanian. Varielas unggul dan siap untuk dikembangkan dalam mendukung pembangunan industri pertanian.

DAFTAR PUSTAKA

Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian. (2019). Jakarta Selatan: Kementerian Pertanian Badan LITBANG Petanian. Tersedia dalam http://www.litbang.pertanian.go.id/info-aktual/1754/

Susanti, Linna. (2023). varietas unggul padi dan tanaman pengganti gandum. Bogor: Institut Pertanian Bogor (IPB). Tersedia dalam https://jabar.antaranews.com/berita/427236/107-varietas-unggul-padi-dan-tanaman-pengganti-gandum-dimiliki-ipb?page=all

Dina Fithriyyah, SP, PBT Ahli Muda, Ditjen Perkebunan. (2011). Pemuliaan dengan Induksi Mutasi. Tersedia dalam https://estatecrop.com/index.php/pemikiran-2/85-pemuliaan-dengan-induksi-mutasi