pemuliaan tanaman I

2. perkembanga pra mendel

Pemahaman ttg peran gen dan pola pewarisan sifat

Perkembangan epenting

a.       Thomas fairchild 1719, tanaman hibrida pertama.

b.      Koelreuter 1733-1806, persilangan berhasil jika spesies sama

c.       Sprengel 1705-1816, struktur dan fungsi organ reproduksi bunga dan sistem reproduksi.

d.      Patrick sheireff 1819, menggabungkan hibridasi dan seleksi membentuk varietas bari padi dan gandum.

3. pasca mendel.

g. mendel 1865 teori dasar pewarisan sifat.

a.       sutton dan boveri 1903, gen berada di kromosom.

b.       fisher 1918 hk mendel dalam pola pewarisan sifat kualitatif.

c.       blaskeslee dan avery 1937, menggandakan kromosom.

d.      Stadler 1928, induksi mutasi dengan sinar X.

e.       Griffith 1928, gen terdiri atas materi dna.

f.       Watson dan crick 1953, heliks anda pada dna.

g.      Jacob dan monod 1961, model operon dari aksi gen dalam bentuk gen struktural, fungsional dan regulator yang bekerjasama dalam mengekspresikan suatu karakter.

h.      Stanley cohen dan herbert boyer 1973, menggabungkan dna dari 2 organisme berbeda.

Perkembangan penting dalam ilmu pemulatan.

a.       W.l. johannsen 1900, teori galur murni sbg dasar dalam menyerbuk sendiri

b.      Shull 1908, konsep heterosis sbg dasar pemuliaan varietas hirbrida.

c.       N.i. vavilov 1925. Konsep center of virgin yg mjd pedoman untuk mengeksplorasi sumber keragaman bagi pemuliaan.

PEMULIAAN TANAMAN PADA ABAD 21.

 Tantangan: jumlah penduduk, konversi dan degradasi lahan pertanian, dan perubahan iklim global, laveling off laju produktuvitas, dan kebutuhan nutrisi.

Sumber daya yang tersedia:

a.       Teknologi: ekspresi gen dan marka molekular yang digunakan untuk marker assisted selection, kultur jaringan dan rekombinasi dna.

b.      Organisasi: pemerintah menghasilkan varietas tanaman milik publik, perguruan tinggi mendidik pemulia, perusahaan benih swasta menghasilkan varietas komersial.

c.       Partisipasi masyarakat

Partisipatory plant breeding (PPB) adalah program pemuliaan yang melibatkan kerjasama antara pemulia, petani, pedagang, pengolah, konsumen dan pembuat kebijakan.

Alasan perlunya PPB

·         Banyaknya varietas yang dilepas tidak diadopsi oleh petani karena tidak sesuai dengan kebituhan.

·         Kebutuhan konsumen/industri yang spesifik.

·         Keragaman lingkungan yang memerlukan keragaman varietas.

Pemanfaatan partisipasi masyarakat dalam PPB dapat meningkatkan adopsi varietas baru karena:

·         Memanfaatkan pengetahuan pemulia tentang materi genetik yang digunakan.

·         Memanfaatkan pengetahuan petani mengenai lingkungan produksi dan kendala.

·         Memanfaatkan masukan industri/konsumen tentang spesifikasi khusus produk yang sesuai dengan teknologi pengelohan dan permintaan konsumen.

METODE REPRODUKSI TANAMAN

Tujuan: melestarikan sifat atau karakter yang dimiliki, mempertahankan keberadaan sel/organisme

Sisem reproduksi tanaman:

Aseksual: tanpa penggabungan gamet jantan dan betina tapi biji terbentuk.

Seksual: melalui penggabungan gamet jantan dan betina.

REPRODUKSI ASEKSUAL

 Dikelompokkan menjadi 2:

1.      Organ vegetatif: akar, batang, daun, umbi.

2.      Apomiksis: menggunakan organ seksual tanpa biji terbentuk dari embrio yang tidak dibuahi.

Rhizoma: ilalang.

Umbi: bawang merah, bawang bombay.

Akar: kunyit, jahe.

Tuber; kentang.

Daun: cocor bebek.

Stek: tebu, ketela rambat, ubi,

Cangkok, okulasi: buah-buahan.

Kultu jaringan: jati, anggrek, kentang.

Bentuk apomiksis:

Apospory: embrio terbentuk dari nuselulus atau integuman melalui pembelahan mitosis. Penyerbuka diperlukan untuk membantu perkembangan endosperm.

Diplospory: embrio terbentuk dari megasprora yang tidak mengalami meiosis atau meiosis yang tidak sempurna. Penyerbukan tidak diperlukan.

Parthenogenesis; embrio terbentuk dri sel telur yang tidak mengalami fertilisasi.

Contoh apomiksis: jeruk, pennisetum, poa.

METODE REPRODUKSI ASEKSUAL

Menggunakan organ seksual yang terletak pada bunga.

Organ seksual: stigma, stamen.

STRUKTUR ALAT rEPrODUKSI DAN SISTEM PENYERBUKAN

Sel induk mikrospora> meiosis> gamet jantan.

Sel induk megaspora> meiosis> gamet betina

Berdasarkan struktur:

Bunga lengkap: memiliki semua bagian bunga, misal kedelai, kapas, kentang.

Bunga tidak lengkap: padi, tidak memiliki mahkota. Lemma dan palea merupaka mahkota yang termodifikasi

Berdasarkan keberadaan alat reproduksi:

Sempurna: kedelai, kacang hijau, cabe, tomat, padi.

Tidak sempurna: staminate (hanya stamen/ benang sari), pistilate (hanya pistil). Contoh: pepaya, jagung, salak.

Jenis bunga tidak sempurna:

·         Monocious: bunga jantan dan betina terletak pada satu tanaman, exp: jagung, kelapa, mentimun.

·         Dioecious: bunga jantan dan betina pada tanaman yang berbeda, exp: salak, melinjo, pistachio, asparagus, kelapa sawit.

·         Andromonoecious: pada satu pohon terdapat bunga jantan dan bunga hermafrodit, exp: melon.

·         Gynomomoecious: pada satu pohon terdapat bunga betina dan hermaprodit. Contoh: pepaya.

·         Trimonoecious: pada satu tanaman terdapat bunga jantan, betina, dan hermaprodit. Contoh: melon.

Tipe tanaman:

Monoecious: staminate dan pistilate pada bunga yang berbeda tapi pada tanaman yang sama. Misal: jagung dan walnut.

Dioecious: staminate dan pistilate pada tanaman yang berbeda. Misal: melinjo, pistachio, asparagus, kelapa sawit.

Tipe sex tanaman.

1.      Andromonoecious: bunga jantan dan hermaprodit

2.      Androdioecious: bunga jantan dan hermaprodit terpisah pada tanaman yang berbeda dari jenis yang sama.

3.      Gymonomoecious: bunga betina dan hermaprodit.

4.      Gymonomoecious: bunga betina dan hermaprodit terpisah pada tanaman yang berbeda dari jenis yang sama.

Tipe penyerbukan:

Menyerbuk sendiri ( tertutup/kleistogami): famili papilionaciae, sirsak, srikaya.

Menyerbuk silang (terbuka/ kasmogami): jagung, salak, kelapa, kelapa sawit.

Penyerbukan sendiri.

Pembuahan: autogamy.

Terjadi karena:

a.       Bunga tidak membuka.

b.      Butir tepung sari masak sebelum bunga membuka.

c.       Benang sari dan putik ditutup bagian bunga sesudah bunga mekar.

d.      Putik memanjang setelah tepung sari masak.

Penyerbukan silang: bunga berbeda, tanaman berbeda

Pembuahan: allogamy.

Penyebab:

a.       Angin (anemofili)

b.      Serangga (entomofili).

c.       Burung (ornitofili).

d.      Kelelawar (kiropterofili).

e.       Manusia.

Biji terbentuk melalui penyerbukan dan pembuahan. Penyerbukan tidak menjaminterjadi pembuahan.

Ciri bunga menyerbuk silang; bunga ecil, polen ringan, polen banyak.

Ciri bunga menyerbuk sendiri: bunga kecil, tidak menarik.

Ciri bunga diserbuki serangga, (buah-buahn, kubis): bunga besar dan menarik, polen lengket, kepala putik kecil, menghasilkan madu, harum, benang sari panjang, sedikit polen.

Burung (Leptocoma jugularis): warna bunga mencolok, bagian-bagian bunga tebal dan kuat, menghasilkan madu yang encer.

Kelelawar (durian): bunga besar dan kuat, bunga terbentuk pada batang atau cabang, warna putih atau suram, butir serbuk sari lengket.

Anemofili:

a.       Tangkai sari panjang, menjalar keluar, mudah bergersk.

b.      Kepala sari besar, menggantung keluar.

c.       Butir serbuk sari halus dan ringan.

d.      Ruang sari / techa besar.

e.       Kepala putik besar.

f.       Mahkota dan kelopak kecil, tidak menarik.

g.      Bunga tidak berbau.

h.      Tidak/sedikit menghasilkan madu.

i.        Jagung.

Penyerbukan di alam tergantung pada:

a.       Banyaknya bunga mekar.

b.      Kekuatan anngin

c.       Berat butir serbuk sari.

d.       Jarak antar berbagai jenis tanaman.

e.       Arah angin.

f.       Cuaca.

g.      Panas matahari, suhu udara.

Self polination: padi, gandum, tomat, kedelai, kopi, kapas, kacang tanah, jati, lettuce.

Cross polination: pisang, wortel, kelapa, mentimun, mangga, nenas, kubis, jagung, bawang.

Kleistogami: penyerbukan terjadi pada saat bunga masih kuncup atau polen telah masak sebelum bunga mekar.

Protandry: polen telah masak sebelum stigma reseptif.

Protoginy: stigma telah reseptif sebelum polen masak.

Self incompatibility: ketidak sesuaian antara polen dan putik, disebabkan oleh:

a.       Tidak terjadi pembentukan polen tube.

b.      Tidak terjadi fertilisasi setelah polinasi.

c.       Ketidaksesuaian genotipe polen dan pistil.

d.      Bukan oleh sterilisasi

e.       Faktor genetik.

Tipe SI:

a.       Homomorfic incompatibility: pertumbuhan polen tube diatur secara enetik. Alel yang berbeda pada lokus s jika polen dan pistil mengandung alel s yang sama.

b.      Hemteromorfic incompability: perbedaan bunga diantara indiviidu dalam satu populasi

Homomorfic incompibiliti:

a.       Sprophytic incompability: berhubungan dengan polen yng mempunyai dua inti generatif dikendalikan oleh genotip tanaman yang menghasilkan polen, yaitu genotip pembungkus polen. Misal: compositae, crucifera, rubiaceae, beta, coffea, lycopersicon, nicotiana, solanum, theobroma.

b.      Gametophytic incompability: berhubungan dengan 1 inti generatif polen yang dikendalikan oleh genotip polen. Misal: red clover, white clover, alsike clover, yellow sweet clover, helianthus, brassica.

Sterilitas: ketidak mampuan tanaman membentuk biji karean salah satu organ yang dihasilkan tidak berfungsi secar normal.misal:  benang sari atau tangkai putik cacat, tepung sari rusak, seltelur gagal atau arbortus.

Male steril: tepung sari tidak berfungsi normal.

Tipe sterilisasi tepung sari:

a.       Benang sari tidak ada.

b.       Gagal memproduksi polen karena gangguan pertumbuhan.

c.       Teung sari terbentuk tapi tidak mencapai masak.

d.      Alat kelamin jantan terbalik,

Sterilisasi penting dalam pembentukan benih hibrida karena menghindari emas kulasi terutama untuk tanaman yang sulit disilangkansecara besar –besaran.

PENTUKAN GAMET DAN PEMBUAHAN

Bunga betina 2n> putik diploid 2n> putik diploid 2n> sel induk megasprora 2n> meiosis> 4 inti sel haploid 1 hidup> pembelahan mitosis 3x= 8 inti haploid> 3 inti antipodal, 2 sinergi, 1 sel telur, 2 polar

Bunga jantan 2n> benang sari diploid> kepala sari diploid> sel induk mikrospora> meiosis> 4 inti sel hidup> masing-masing 1 butir serbuk sari> pembelahan mitosis 2x: 1x= 1 inti generatif+1 inti gen, 2x= 1 inti vegetatif=2 inti sperma> 1 unti generatif, 2 inti sperma.

Fertilisasi: terjadi pada kandung embrio masak yang mengandung 8 inti yang terletak dalam 3 kelompok.

Kelompok I: inti sel telur dan 2 inti sinergid terletak dekat mikrofil.

Kelompok II: 2 inti polar di tengah kandung embrio.

Kelompok II: 3 inti antipodal terletak di chalaza.

BENTUK DAN SUMBER KERAGAMAN GENETIK

Keragaman: perbedaan penampakan dari suatu sifat (fenotip) diantara individu-individu di dalam suatu populasi.

Komponen pembentuk keragaman:

Keragaman fenotip: dapat diamati pada satu karakter.

Keragaman fenotip: disebabkan oleh faktor genetik.

Keragaman lingkungan: disebabkan oleh faktor lingkungan,

Vp=Vg+Ve

Bentuk keragaman.

1.      Keragaman kualitatif: dari karakter kualitatif, dikendalikan oleh gen-gen mayor, pengaruh lingkunga terhadap karakter kecil. Misal: keragaman dalam bentuk kelopak bunga mawar.

2.      Keragaman kuantitatif: dapat diukur, gen-gen minor, pengaruh lingkungan besar. Misal: keragaman komponen hasil, jumlah malai, jumlah biji.

Sumber keragaman genetik: introduksi, hibridasi, mutasi.

1.      Introduksi: mendatangkan plasma nutfah dari center of origin atau center of divercity.

Vavilov (1949) membagi center of origin:

Sino-japanes: kedelai, jeruk, padi, teh.

Indo-cina: pisang, kelapa, padi, tebu.

Hindustan: padi, jute.

Asia barat: gandum, barley, anggur, apel.

Mediteranea: kubis, beet gula, zaitun.

Afrika: sorghum, milet, sawit, kopi.

Euro-siberia: oat, rye.

Amerika latin: jagung, kentang, ubi jalar, ketela pohon, tomat, kapas, tembakau, coklat, karet.

Amerika utara: bunga matahari.

2.      Hibridisasi/ persilangan

Menimbulkan keragaman baru melalui rekombinasi yang terbentuk dari alel-alel tetua persilangan.

3.      Mutasi: perubahan mendadak yang bersifat acak pada materi genetik akibat perlakuan mutagen fisik atau kimia. Oleh gamma ray, ion beam. (taihei, Chrysanthemum).

PENGELOLAAN KERAGAMAN GENETIK

 Internasional: International Board of Plant Genetic Resources, International Research Centers.

Nasional: Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Balai Besar Bioteknologi dan Sumber Daya Genetik.

PRINSIP DASAR SELEKSI

Seleksi: pemilihan individu atau galur yang sesuai dengan keinginan dari suatu populasi yang beragam atau populasi bersegresi.

Seleksi untuk karakter kualitatif.

a.       seleksi gen resesf: dikendalikan gen resesif, memerlukan populasi besar, menghasilkan genotip homozigot resesif.

b.      Seleksi gen dominan: memerlukan 2 generasi, generasi kedua untuk seleksi progeni.

KRITERIA SELEKSI: karakter yang digunakan sebagai dasar pemisahan/pemilihan genotipe dalam proses seleksi.

1.      Single trait selection/seleksi tandem: dilakukan untuk 1 karakter, kemudian dilanjutkan dengan seleksi untuk karakter yang lainnya. Tidak menguntungkan jika terjadi korelasi negatif antara karakter-karakter yang dijadikan kriteria seleksi.

2.      Multiple trait selection: seleksi thp sejumlah karakter secara bersamaan dengan menggunakan independent culling atau indeks seleksi.

Independent culling: menetapkan taraf rendah dari setiap seleksi, yang dipilih yang mempunyai nilai tengah karakter diatas nilai tengah yang ditetapkan.

Indeks seleksi: berdasarkan nilai indeks dari suatu individu, indeks merupakan suatu fungsi linear dari sejumlan fenotipik suatu karakter

Berdasarkan kriteria seleksi yang digunakan: seleksi langsung (dilakukan atas karakter yang dituju), dan seleksi tidak langsung ( dilakukan terhadap suatu karakter lain yang berhubungan.

KEMAJUAN SELEKSI

seleksi tidak menimbulkan keragaman baru tapi dapat menghasilkan populasi hasil seleksi dengan nilai tengah yang lebih baik dari populasi asalnya

diferensiasi seleksi: selisih nilai tengah antara populasi hasil seleksi dengan populasi dasar.

S=x-xp

S=iop

Kemajuan seleksi: perbaikan penampilan populasi yang dibentuk dari individu-individu hasil seleksi dibandingkan dengan populasi dasar.

G=Sh²

PEMBENTUKAN POPULASI DENGAN HIBRIDISASI

 Tujuan:

a.       Menggabungkan sifat-sifat yang diinginkan.

b.      Memperluas keragaman genetik.

Tipe persilangan:

a.       Intervarietal: persilangan antara 2 atau lebih kultivar.

b.      Interspesifik: antara 2 spesies berbeda dari genus sama.

c.       Intergenerik: antar spesies genus sama.

d.      Introgesi: bertujuan untuk memindahkan satu atau beberapa saja dari gen tetua spesies liar ke spesies budidaya.

Bentuk persilangan:

a.       Persilangan tunggal/bi-parental: melibatkan 2 tetua

b.      Ganda: 2 F1 hasil bi-parent

c.       Tiga arah: F1 hasil bi-parental dengan tetua ketiga.

d.      Majemuk: melibatkan sejumlah tetua untuk menghasilkan satu genetip F1

e.       Silang balik: F1 dengan salah satu tetua yang menjadi tetua berulang.

f.       Silang dialel: melibatkan sejumlah tetua dalam semua kemungkinan persilangan

·         Dialel penuh: melibatkan persilangan risiprokal, kombinasi = n(n-1)

·         Separuh dialel: tanpa melibatkan persilangan resiprokal, kombinasi = n(n-1)/21110

PEMILIHAN TETUA PERSILANGAN

Penetapan didasarkan pada:

1.      Konventional: berdasarkan pengetahuan pemulia

2.      Etnogeografi: berdasarkan adaptasi terhadap agroekologi dan budidaya tertentu.

3.      Uji progegi: didasarkan pada keragaman keturunan dalam uji keturunan (progeni)

Yang perlu diperhatikan:

a.       Salah sati tetua membawa karekter unggul yang diinginkan

b.      Salah satu atau kedua tetua memiliki adaptasi dan penampilan agronomis yang baik.

c.       Memiliki kekerabatan yang jauh sehingga dapat menghasilkan keragaman genetik yang tinggi

Sumber plasma nutfah:

a.       Varietas komersial

b.      Galur harapan (breeding lines)

c.       Introduksi

d.      Eksplorasi varieta lokal

e.       Spesies liar yang berkerabat

TEKNIK PERSILANGAN BUATAN

a.       Persiapan alat: gunting kecil, pinset berujung runcing, jarum, cawan petri, kuas, lensa pembesar, kantung kertas, label, alkohol.

b.      Kastrasi: membersihkan bagian bunga yang tidak terpakai sebelum emaskulasi

c.       Emaskulasi: membuang alat kelamin jantan/stamen pada bunga hermafrodit yang digunakan sebagai tetua betina sebelum bunga mekar atau sebelum terjadi penyerbukan sendiri

d.      Isolasi: menutup bunga betina yang telah diemaskulasi agar tidak diserbukai oleh polen yang tidak dikehendaki.

e.       Pengumpulan serbuk sari tetua jantan, bisa disimpan pada 2-8C/ RH 10-50%

f.       Penyerbukan

g.      Memberi label: berisi kode persilangan, tangggal emaskulasi, tanggal persilangan, kode pemulia.

Teknik emaskulasi:

a.       Tanpa membuang stamen: mematikan polen menggunakan alkohol atau air panas

b.      Membuang stamen: menggunakan pinset atau pompa vakum

c.       Teknik mandul jantan: memakai bunga dengan alat kelamin jantan mandul sebagai tetua betina

PEMULIAAN TANAMAN MENYERBUK SENDIRI

Galur murni/ homogen homozigot: individu-individu homozigot dengan genotip yang sama.

Landrace/varietas multilin/heterogen homozigot: sejumlah individu homozigot dengan genotip yang berbeda.

Contoh tanaman: kacang kedelai, kacang tanah, kacang hijau, kacang kapri, kacang panjang, kecipir, cabai, tomat, padi, gandum, kopi arabika, tembakau, cengkeh, bengkoang.

VARIETAS TANAMAN MENYERBUK SENDIRI

Varietas: sejumlah individu yang berbeda dalm bentuk atau fungsi fisiologi tertentu dari sejumlah individu lainnya dari spesies yang sama

Sifat varietas: distict, uniform, stabil

1.      Identitas yang membedakan dari varietas lain.

2.      Reprodusibilitas: dapat diperbanyak dengan tetap mempertahankan identitasnya.

Varietas tanaman menyerbuk sendiri:

a.       Galur murni: dikembangkan dari satu tanaman homozigot.

b.      Landrace: sekumpulan galur murni dengan adaptasi yang sama.

c.       Multilini: dibentuk dari gabungan sejumlah galur murni yang mirip secara genetik, kecuali untuk resistensi terhadap strain penyakit tertentu.

Contoh varietas:

Kedelai: wilis, pangrango, tanggamus, sibayak, ratai, seulawah, nanti.

Padi sawah: ciherang, cisadane, way apo buru, ir64, sintanur, fatmawati.

Padi rawa: banyuasin, batanghari, dendang, inderagiri, martapura, siak raya.

Padi gogo: situ patenggang, jatiluhur, cirata, towuti, limboto, batutegi.

Kacang tanah: gajah, kijang, macan, banteng, garuda 2, garuda 3, bison, jerapah, kancil.

SELEKSI MASSA

Metode pemuliaan paling tua, berdasarka fenotip yang tampak, benih tanaman terseleksi kemudian dipanen secara gabungan tanpa uji progeni.

Tujuan: mengurangi keragaman genetik suatu populasi, meningkatkan frekuensi gen yang diinginkan dan dapat diamati dalam populasi.

Kegunaan: perbaikan populasi landrace, pemurnian varietas galur murni, varietas yang memiliki resistensi lapang

Metode: positif (memilih tanaman dengan fenotip yang diinginkan), negatif (memisahkan individu yang tidak dikehendaki.

Kelemahan:

a.       Seleksi hanya berdasarkan fenotip sehingga penampilan generasi selanjutnya sangat tergantung pada heratabilitas yang dijadikan kriteria seleksi.

b.      Untuk seleksi tidak langsung sdengan karakter sekunder, maka korelasi antara karakter sekunder dengan karakter tujuan harus tinggi untuk menjamin keberhasilan seleksi.

SELEKSI GALUR MURNI

Adalah seleksi tanaman tunggal yang homozigot dari populasi beragam untuk kemudian diperbanyak dengan galur murni. Hanya efektif terhadap populasi heterogen homozigot dan seleksi lebih lanjut setelah terbentuk galur murni tidak efektif lagi. merupakan dasar dari seleksi padigree pada populasi bersegregasi.

Teori galur murni (Johannsen 1903): keragaman dalam populasi heterogen berasal dari keragaman genetik dan lingkungan, sedangkan keragaman galur murni berasal dari keragaman lingkungan

SELEKSI PADA POPULASI BERSEGRESI

Populasi bersegresi: populasi dengan genotip beragam yang terbentuk sebagai hasil dari persilangan galur-galur murni. Merupakan populasi heterogen dari genotip-genotip heterozigot.

Metode: pedigree, populasi bulk, single seed decent