Identifikasi Sifat Waxy dan Analisis Genetik Line × Tester untuk Perakitan Varietas Sorgum Waxy

Abstract

Sumber pangan utama yang dibutuhkan manusia adalah karbohidrat. Sumber pangan karbohidrat dapat ditemukan pada tanaman serealia dan umbi-umbian. Sebagian besar sumber pangan karbohidrat yang dikonsumsi masyarakat Indonesia berasal dari beras padi. Indonesia memiliki berbagai macam jenis tanaman yang berpotensi sebagai sumber karbohidrat alternatif pengganti beras padi, salah satunya adalah tanaman sorgum. Tanaman sorgum (Sorghum bicolor L. Moench) memiliki keunggulan dalam daya adaptasi, produktivitas yang baik pada lahan marjinal, dan memiliki kandungan gizi yang baik untuk dijadikan sebagai pangan fungsional. Perakitan varietas sorgum saat ini tidak hanya diarahkan pada peningkatan produktivitas, tetapi juga dilakukan terhadap kualitas biji dan kualitas tanak. Salah satu kualitas tanak yang disukai oleh sebagian besar masyarakat Indonesia adalah nasi bertekstur pulen. Nasi pulen berasal dari beras yang mengandung amilosa rendah dan amilopektin tinggi pada pati di endosperma biji. Penyebab utama keberadaan sifat tersebut adalah mutasi pada gen granule-bound starch synthase I (GBSSI) yang berperan dalam sintesis amilosa pada serealia. Akan tetapi, varietas sorgum nasional yang dimiliki Indonesia saat ini masih memiliki kandungan amilosa yang tinggi, sehingga olahan beras sorgum akan menghasilkan nasi yang bertekstur pera. Oleh karena itu, pengembangan varietas sorgum waxy perlu menjadi perhatian untuk pemenuhan kebutuhan sesuai preferensi konsumen. Penelitian ini terdiri dari tiga percobaan dengan masing-masing percobaan bertujuan untuk (1) mengidentifikasi genotipe sorgum yang memiliki sifat waxy berdasarkan pewarnaan iodin pada polen dan endosperma biji, analisis kandungan amilosa, serta marka molekuler terkait gen GBSSI; (2) mengidentifikasi situs mutasi sekuens SbGBSSI yang menyebabkan penurunan kandungan amilosa pada genotipe sorgum Indonesia; dan (3) menganalisis nilai duga parameter genetik, daya gabung, dan heterosis pada beberapa karakter agronomi. Percobaan pertama adalah identifikasi sifat waxy melalui pewarnaan iodin, pengujian kandungan amilosa, dan pengujian marka molekuler. Percobaan dilakukan dari Januari 2021 hingga Februari 2022 yang dilaksanakan di Laboratoraium Mikroteknik Departemen AGH IPB untuk percobaan pewarnaan iodin, Laboratorium Biologi Molekuler BB Biogen untuk percobaan marka molekuler, dan Laboratorium Pengujian BB Pascapanen untuk analisis kandungan amilosa. Hasil percobaan menunjukkan satu dari enam genotipe sorgum yang diuji, yaitu Pulut 3, terkonfirmasi memiliki sifat waxy berdasarkan metode pewarnaan iodin dan memiliki kandungan amilosa rendah (6,18%). Seluruh genotipe menunjukkan pola pita non-mutan berdasarkan analisis molekuler terkait deteksi mutasi gen GBSSI (wxa, wxb, dan wxc). Pulut 3 diduga memiliki mutasi alel waxy dari gen GBSSI yang berbeda dari ketiga alel waxy yang telah dilaporkan sebelumnya. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa genotipe sorgum Pulut 3 berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai tetua donor karakter waxy dalam program perbaikan varietas sorgum. Percobaan kedua adalah identifikasi situs mutasi pada sekuen GBSSI pada sorgum Indonesia. Percobaan dilakukan pada November 2021 hingga Maret 2022 di Laboratorium Biologi Molekuler BB Biogen. Bahan genetik yang diuji melalui perunutan basa nukleotida pada daerah ekson ke-3 hingga ekson ke-7 merupakan dua genotipe sorgum dengan kandungan amilosa yang kontras, yaitu PI-150-20A dan Pulut 3. Situs mutasi delesi 12 basa nukleotida teridentifikasi pada daerah ekson ke-5 genotipe Pulut 3 (waxy). Mutasi ini menyebabkan delesi empat residu asam amino pada daerah domain starch synthase catalytic. Pemodelan protein menunjukkan perubahan struktur loop akibat delesi residu asam amino dan diprediksi menyebabkan perubahan struktural dan fungsional pada protein dewasa SbGBSSI. Marka ARMS dengan pasangan primer SbWx2a-F/SbWx1a-R dikembangkan untuk deteksi situs delesi dan berpotensi untuk digunakan dalam seleksi genotipe waxy pada populasi yang menggunakan Pulut 3 sebagai tetua persilangan. Jenis mutasi SbGBSSI pada Pulut 3 diajukan sebagai waxy tipe wxe. Percobaan ketiga adalah pendugaan parameter genetik dan heterosis karakter agronomi melalui analisis line × tester. Percobaan dilakukan dari Maret hingga Juli 2021 di Kebun Percobaan Cikarawang Departemen AGH IPB. Sebanyak delapan hibrida F1 yang berasal dari rancangan persilangan line × tester dari empat line (PI-150-20A, Soraya 3 IPB, Kawali, Bioguma 1 Agritan) dan dua tester (Pulut 3 dan Pulut 5) digunakan pada penelitian ini. Percobaan ini disusun dalam rancangan kelompok lengkap teracak (RKLT) dengan tiga ulangan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa beberapa karakter agronomi penting seperti tinggi tanaman, jumlah daun, umur berbunga, umur panen, panjang malai, diameter malai, dan bobot 1000 butir dipengaruhi secara nyata oleh aksi gen aditif, sedangkan karakter lainnya dipengaruhi gen non-aditif. Selain itu, tiga dari enam tetua menunjukkan performa terbaik untuk karakter komponen hasil. Persilangan Soraya 3 IPB × Pulut 5 dan Bioguma 1 Agritan × Pulut 5 adalah kombinasi persilangan terbaik yang menunjukkan nilai tinggi untuk parameter daya gabung dan heterosis. Informasi ini akan membantu pemulia menentukan metode seleksi untuk karakter yang diinginkan dan kombinasi persilangan untuk pengembangan varietas berdaya hasil tinggi. Penelitian ini menunjukkan bahwa genotipe Soraya 3 IPB, Bioguma 1 Agritan, dan Pulut 3 merupakan genotipe yang dapat dimanfaatkan dalam rangka perakitan varietas sorgum dengan sifat waxy dan karakter agronomi yang unggul. Genotipe Soraya 3 IPB dan Bioguma 1 Agritan dapat digunakan sebagai tetua betina untuk perbaikan sifat karakter agronomi, sedangkan genotipe Pulut 3 dapat digunakan sebagai tetua jantan untuk donor sifat waxy.

Carbohydrate which mainly derived from cereals and tubers is the primary food source consumed by humans. Most of the carbohydrate food sources consumed by the Indonesian people derived from rice. Indonesia has various types of plants including sorghum which potentially used as an alternative carbohydrate source to substitute rice consumption. Sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) has advantages in adaptability on marginal land and serve good nutritional content as a functional food. The improvement of sorghum productivity must be in lines with grain and cooking quality traits in the development of sorghum varieties program. Rice texture is one of the most important palatability traits determining quality of cooking in which stickier texture rice is more preferred by most of Indonesian people. Stickier rice derives from rice containing low amylose and high amylopectin in starch which located in seeds endosperm. Major factor causing waxy trait in cereal crops is the occurrence of mutations in the granule-bound starch synthase I (GBSSI) gene that plays a role in amylose biosynthesis. However, the national sorghum variety in Indonesia still has a high amylose content. Therefore, the development of waxy sorghum varieties needs to be a concern to fulfill the needs according to consumer preferences. This study consisted of three parts aimed at (1) identifying on sorghum genotypes with waxy traits based on pollen and endosperm iodine staining method, analysis of amylose content and molecular markers associated with GBSSI gene; (2) identifying the mutation site of the SbGBSSI sequence that causes a decrease in amylose content in the Indonesian sorghum genotype; and (3) analyzing on estimated values of genetic parameters, combining ability, and heterosis on several agronomic traits. The first part of the study was to identify waxy properties through iodine staining, testing of amylose content, and molecular markers analysis. The experiments were carried out from January 2021 to February 2022 at the Microtechnic Laboratory of IPB for iodine staining experiments, Molecular Biology Laboratory of ICABIOGRAD for molecular marker experiments, and Testing Laboratory of ICAPOSTRD for amylose content analysis. The result showed that one of the six sorghum varieties, namely Pulut 3, was confirmed to have waxy properties based on the iodine staining method and had low amylose content (6.18%). All genotypes showed non-mutant banding patterns based on molecular analysis related to detecting GBSSI gene mutations (wxa, wxb, and wxc). Pulut 3 possessed a waxy allele mutation of the GBSSI gene that is different from the three previously reported waxy alleles. The results of this study indicated that the Pulut 3 sorghum genotype has the potential to be used as a donor parent for waxy traits in the sorghum variety improvement program. The second part of the study was to identify mutation sites in GBSSI sequences in Indonesian sorghum. The experiment was conducted from November 2021 to March 2022 at the Molecular Biology Laboratory of ICABIOGRAD. Two sorghum genotypes with contrasting amylose content, namely PI-150-20A and Pulut 3, were evaluated with a nucleotide base sequencing in the 3rd to 7th exon regions. The result showed that mutation of this site causes the deletion of four amino acid residues in the starch synthase catalytic domain. Protein modelling showed changes in loop structure due to deletion of amino acid residues and is predicted to cause structural and functional changes in SbGBSSI mature protein. ARMS markers with the primer pair SbWx2a-F/SbWx1a-R were developed to detect deletion sites and have the potential to be used in the selection of waxy genotypes in populations using Pulut 3 as a cross parent. We proposed that the SbGBSSI mutation type in Pulut 3 as wxe-type waxy. The third part of this study was the estimation of genetic parameters and heterosis of agronomic traits through line × tester analysis. The experiment was conducted from March to July 2021 at the Cikarawang Experimental Field Station, AGH IPB Department. A total of eight F1 hybrids were derived from a line × tester cross design of four lines (PI-150-20A, Soraya 3 IPB, Kawali, Bioguma 1 Agritan) and two testers (Pulut 3 and Pulut 5) were used in this study. This experiment was arranged in a randomized complete block design (RCBD) with three replications. The results showed that several important agronomic traits such as plant height, number of leaves, days to flowering, days to harvesting, panicle length, panicle diameter, and 1000-grain weight were significantly affected by additive gene action, while non-additive genes influenced other traits. In addition, three out of six parents showed the best performance for the yield component traits. Soraya 3 IPB × Pulut 5 and Bioguma 1 Agritan × Pulut 5 crosses were the best cross combinations that showed high values for combining ability and heterosis parameters. This information will help breeders determined selection methods for desired traits and cross combinations to develop high-yielding varieties. This study showed that Soraya 3 IPB, Bioguma 1 Agritan, and Pulut 3 were considered as sorghum genotypes recommended for parental lines in cross combination to develop sorghum variety possessing waxy traits with superior agronomic traits in future sorghum breeding program. In this regard, either Soraya 3 IPB or Bioguma 1 Agritan genotypes can be used as female parents in relation to agronomical traits improvement, while Pulut 3 genotype can be used as waxy source donor parent (male parent).