Profil Genomik dan Transkriptomik Pohon Penghasil Gaharu Gyrinops versteegii (Gilg.) Domke.

Abstract

Gyrinops versteegii, spesies endemik Indonesia dari famili Thymelaeaceae, perlu dilestarikan dan dikembangkan untuk pemuliaan pohon di masa depan guna menjamin produksi gaharu yang berkelanjutan. Permasalahan utama pada G. versteegii adalah pertama, identifikasi spesies masih memerlukan verifikasi lebih lanjut. Kedua, potensi hilangnya keanekaragaman genetik G. versteegii karena pemanenan besar-besaran spesies ini di habitat aslinya. Ketiga, mekanisme pembentukan gaharu belum sepenuhnya dipahami. Permasalahan ini dapat diatasi dengan ketersediaan data genom dan transkriptom G. vertegii melalui pemanfaatan teknologi Next Generation Sequencing. Penelitian ini bertujuan memperoleh: (1) profil genom organel kloroplas dan mitokondria G. versteegii berbasis data short-read yang dapat dimanfaatkan untuk analisis komparatif genom dan identifikasi spesies, (2) konstruksi genom kloroplas G. versteegii berbasis data long-read yang dapat dimanfaatkan untuk analisis variasi intraspesifik dan filogenetik, dan (3) profil ekspresi gen (transkriptom) yang berkaitan dengan pembentukan gaharu, yaitu gen-gen yang up-regulated dan down-regulated pada G. versteegii yang diinduksi dengan induser asam jasmonat. Metode whole genome sequencing (WGS), yaitu teknologi short-read sequencing (Illumina) dan long-read sequencing (Oxford Nanopore Technology-ONT), digunakan untuk memproduksi data genom, sementara metode RNA-seq digunakan untuk memperoleh data transkriptom. Genom organel kloroplas dan mitokondria G. versteegii di assembly dari data short-read secara de novo menggunakan perangkat khusus untuk assembly genom organel, yaitu GetOrganelle v1.7.7.0 dan NOVOplasty v4.3.1. Sementara genom kloroplas dari data long-read di assembly menggunakan Flye v2.8.2. Anotasi gen pada genom dilakukan dengan GeSeq. Metode RNA-seq digunakan untuk menganalisis transkriptom yang berhubungan dengan pembentukan gaharu pada G. versteegii yang diinduksi secara artifisial dengan asam jasmonat. Sekuen transkrip dari clean read di assembly dengan Trinity v2.8.5., lalu dianotasi dengan Trinotate v3.2.2 menggunakan database publik dengan BLASTp, eggNOG, PFAM, dan SignalP. Berdasarkan QUAST v.5.0.2., hasil assembly genom kloroplas G. versteegii memiliki fraksi genom 100%. Hasil anotasi dengan GeSeq menunjukkan kloroplas memiliki struktur sirkuler dengan ukuran 174.814 base pair (bp) yang terbagi menjadi empat bagian (quadripartite). Dua wilayah pengulangan terbalik (IR) berukuran masing-masing 42.146 bp mengapit satu wilayah salinan tunggal besar (LSC) berukuran 87.282 bp, dan satu wilayah salinan tunggal kecil (SSC) berukuran 3240 bp. Genom kloroplas G. versteegii memiliki 99 gen yang mengkode protein, 10 gen RNA ribosom, dan 66 gen tRNA dengan kandungan GC 36,71%. Tiga puluh dua di antaranya diduplikasi di wilayah inverted repeats. Genom kloroplas memiliki struktur dan organisasi gen yang sangat terpelihara. Sementara, genom mitokondria yang berhasil di assembly berjumlah empat contig, dimana ukuran contig terbesar adalah 400.012 bp. Hasil assembly genomnya memiliki fraksi genom 85,343%. Genom mitokondria membentuk struktur kompleks multipartite yang terbentuk dari empat kali pengulangan kelompok gen (duplikasi) yang besarnya mencapai 53.886 bp. Kami juga berhasil mengidentifikasi gen dan daerah intergenik yang highly variable pada genom kloroplas yang dapat dimanfaatkan untuk identifikasi spesies, analisis komparatif, analisis variasi intraspesifik dan untuk mengetahui posisi taksonomi G. versteegii pada suku Aquilarieae. Konstruksi genom berdasarkan data long-read dilakukan untuk menganalisis variasi intraspesifik pada enam individu G. versteegii. Sembilan gen kloroplas, yaitu matK, atpA, rpoC1, rpoC2, cemA, rps16, rpl33, petA dan accD, yang sebagian di antaranya berada di wilayah yang highly variable, digunakan untuk melakukan analisis keragaman nukleotida, jarak genetik dan filogenetik. Berdasarkan analisis filogenetik terbukti bahwa sembilan gen tersebut mampu memisahkan G. versteegii dari suku Aquilarieae lainnya, sehingga dapat digunakan untuk identifikasi jenis lewat barcoding. Hasil analisis keragaman nukleotida dan jarak genetik menunjukkan variasi intraspesifik masih ditemukan pada enam genom kloroplas yang digunakan. Variasi intraspesifik tertinggi ditemukan pada gen atpA. Gen atpA dan wilayah intergenik trnL-rpl32 memiliki sekuen yang highly variable yang dapat dimanfaatkan untuk identifikasi spesies dan analisis variasi intraspesifik pada G. versteegii. Berdasarkan analisis profil transkriptom, 456.633 transkrip gen berhasil diidentifikasi. Gen-gen ini dapat digunakan untuk memahami mekanisme yang mendasari pembentukan gaharu pada G. versteegii, khususnya gen, enzim, dan faktor transkripsi yang terkait dengan biosintesis sesquiterpene dan respons pertahanan tanaman terhadap perlakuan induksi. Metode induksi memengaruhi ekspresi gen-gen yang terlibat pada pembentukan gaharu. Pada G. versteegii yang diinduksi dengan asam jasmonat ditemukan ekspresi gen TPS 9, TPS 10, AtuA dan (-)-alpha-terpineol synthase, sedangkan gen Delta guaiene synthase 2 hanya ditemukan pada tanaman yang dibor tanpa perlakuan asam jasmonat. Data yang diperoleh dari analisis genomik dan transkriptomik dapat digunakan untuk memberikan informasi yang lebih rinci tentang G. versteegii, identifikasi spesies, analisis variasi intraspesifik, dan memahami mekanisme pembentukan gaharu melalui gen-gen yang up-regulated dan down-regulated.