Induksi Embrio Somatik dan Iradiasi Sinar Gamma untuk Meningkatkan Keragaman Genetik Talas

Abstract

Diversifikasi pangan menggunakan pangan lokal menjadi salah satu alternatif dalam upaya mengantisipasi krisis pangan. Indonesia merupakan salah satu negara megabiodiversitas jenis tanaman, termasuk talas. Talas telah dibudidayakan dan digunakan sebagai sumber karbohidrat non-beras dengan kandungan gizi yang cukup baik. Umbi talas dapat diolah menjadi berbagai pangan, pakan, hingga sebagai bahan baku kosmetik dan obat-obatan. Selain umbinya, talas dapat dikonsumsi sebagai pangan fungsional karena dapat menjadi sumber vitamin, mineral, metabolit sekunder, dan serat yang tinggi. Talas juga memiliki kandungan antioksidan seperti asam askorbat, asam klorogenat, katekin, flavonoid, tanin, karotenoid, dan senyawa polifenol lainnya yang dapat berkontribusi untuk kesehatan. Terdapat lebih dari 180 kultivar talas yang dapat dibedakan secara morfotipe, dan setidaknya terdapat 20 kultivar yang telah diidentifikasi berpotensi untuk dijadikan tanaman induk bagi pemuliaan tanaman. Beberapa di antaranya adalah talas Beneng Banten (Xanthosoma undipes K. Koch) yang berpotensi dikembangkan menjadi aneka produk pangan dalam upaya menunjang ketahanan pangan. Talas lainnya yang ditemukan di Indonesia adalah talas S28 (Colocasia esculenta (L.) Schott var. antiquorum) yang cocok ditanam di daerah rawan kekeringan, tetapi rentan terhadap serangan hama. Talas Papua merupakan salah satu talas dari genus Colocasia yang banyak dibudidayakan di daerah Papua dan umbinya diduga mengandung senyawa metabolit sekunder berupa flavonoid yang memiliki aktivitas antioksidan, anti inflamasi, anti mutagenik dan bersifat antikarsinogenik. Talas merupakan salah satu tanaman yang mempunyai potensi yang besar sebagai bahan pangan, pakan, bahan baku industri, dan bernilai ekonomi tinggi. Meskipun begitu, talas termasuk orphan crops atau tanaman minor, yang kurang mendapatkan perhatian sehingga teknologi pemuliaan tanamannya tertinggal jauh dari tanaman lainnya. Pengembangan kultivar baru membutuhkan plasma nutfah talas dengan keragaman genetik yang lebih besar dan jarak genetik yang luas. Pemuliaan berbasis bioteknologi menggunakan iradiasi sinar gamma yang diaplikasikan pada kalus embriogenik perlu dilakukan untuk meningkatkan keragaman genetik talas yang menjadi modal bagi proses pemuliaan tanaman untuk mendapatkan kultivar unggul. Penelitian ini bertujuan mendapatkan protokol dan media terbaik untuk induksi embrio somatik dan regenerasi planlet, radiosensitivitas dan dosis iradiasi sinar gamma Cobalt-60 untuk mendapatkan mutan putatif, serta informasi keragaan morfologi dan metabolit pada talas Beneng Banten (X. undipes K. Koch), talas S28 (C. esculenta (L.) Schott var. antiquorum), dan talas Papua (C. esculenta L.Schott var. esculenta). Induksi embrio somatik dan regenerasi kultur talas, menggunakan rancangan kelompok lengkap teracak faktorial yang terdiri atas dua faktor berupa konsentrasi picloram (0; 4,52; 9,04; dan 13,57 µM) dan TDZ (0; 2,27; 4,54; dan 6,81 µM) dalam media MS0 yang mengandung ekstrak malt dan l-asparagin. Percobaan induksi embrio somatik dan regenerasi kultur talas terdiri dari tiga sub percobaan terpisah, masing-masing menggunakan talas Beneng Banten, talas S28, dan talas Papua. Percobaan dilakukan dengan lima tahapan kerja, yaitu persiapan media tanam, penanaman bahan tanam pada media perlakuan, maturasi dan perkecambahan embrio, serta aklimatisasi planlet. Induksi mutasi iradiasi sinar gamma kalus embriogenik talas Beneng Banten dan S28 menggunakan rancangan acak lengkap faktorial dua faktor. Faktor pertama meliputi delapan dosis iradiasi gamma 60Co (0; 2,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 17,5; 27,5 Gy), sedangkan faktor kedua merupakan dua media perlakuan terbaik dalam induksi kalus. Percobaan diawali dengan pembuatan media, induksi kalus, dan seleksi kalus. Setelah itu kalus diiradiasi dengan dosis yang sudah ditetapkan. Kalus yang telah diiradiasi kemudian dipindahkan pada media baru untuk regenerasi. Subkultur dilakukan delapan minggu setelah iradiasi dalam media tanpa auksin dan konsentrasi sitokinin 10% dari konsentrasi media awal untuk proses maturasi dan perkecambahan embrio. Karakterisasi morfologi serta analisis profil metabolit dan biokimia talas dilakukan pada tetua talas Beneng Banten, S28, dan Papua yang merupakan tanaman koleksi di Kebun Percobaan Leuwikopo. Karakterisasi morfologi dilakukan dengan menggunakan metode deskriptif non eksperimen dengan pengambilan sampel dilakukan secara disproportionate stratified random sampling. Analisis profil metabolit dan biokimia pada percobaan ini merupakan percobaan non eksperimental yang menganalisis profil metabolit tak-tertarget, kandungan proksimat, polifenol, vitamin C, antioksidan, kandungan glukomanan, dan kandungan asam oksalat. Induksi embrio somatik diawali dengan induksi kalus yang berdiferensiasi menjadi kalus embriogenik dan menjadi embrio somatik serta planlet yang dapat diaklimatisasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa protokol terbaik untuk induksi dan regenerasi embrio somatik talas Beneng Banten, S28, dan Papua adalah dengan penanaman potongan tipis crown/huli pada media terbaik untuk induksi embrio somatik. Media MSa-ex dengan kombinasi 4,52 µM picloram+6,81 µM TDZ adalah media induksi embrio somatik terbaik yang menghasilkan rata-rata jumlah embrio somatik fase globular per eksplan sebesar 44,15 embrio somatik talas Beneng Banten dan 30,85 embrio somatik talas S28 selama 16 minggu. Media terbaik induksi dan regenerasi embrio somatik talas Papua adalah media MSa-ex dengan kombinasi 9,04 µM picloram+6,81 µM TDZ yang menghasilkan 13,50 embrio somatik fase globular per eksplan selama 16 minggu. Penggunaan media picloram dan TDZ tunggal dapat menginduksi tunas adventif. Kultur jaringan talas?talasan dapat mengefisienkan perbanyakan tanaman talas dan proses pemuliaan tanaman. Iradiasi sinar gamma mempengaruhi pembentukan kalus, kalus embriogenik, dan rata-rata jumlah embrio somatik fase globular yang dihasilkan talas Beneng Banten dan S28, sedangkan media perlakukan tidak berpengaruh nyata terhadap semua peubah amatan. Estimasi LD50 pada eksplan talas Beneng Banten sebesar 12,84 Gy, dan estimasi LD50 eksplan talas S28 sebesar 7,23 Gy. Iradiasi sinar gamma menghambat regenerasi kalus embriogenik, tetapi berpotensi meningkatkan keragaman genetik talas. Iradiasi sinar gamma menghasilkan 72 planlet mutan putatif (MV1) Beneng Banten dan 130 planlet mutan putatif S28. Perbedaan jumlah planlet mutan putatif yang dihasilkan setiap dosis perlakuan diduga merupakan penanda awal adanya keragaman genetik dalam adaptasi sel terhadap lingkungan. Hasil penelitian mendapatkan perbedaan keragaan morfologi tipe tumbuh, daun, petiole, serta cormus pada talas Beneng Banten, S28, dan Papua. Analisis metabolomik tak-tertarget talas-talasan menggunakan LC-MS berhasil mendeteksi sebanyak 122 senyawa metabolit dengan 12,30% senyawa merupakan flavonoid. Kandidat senyawa biomarker pada talas Beneng Banten adalah senyawa Apigetrin, Apiin, serta Salicylic acid, sedangkan untuk talas Papua senyawa Citbismine C dan Rutin menjadi kandidat senyawa biomarker Terdapat perbedaan kandungan proksimat, polifenol, vitamin C, antioksidan, kandungan glukomanan, dan kandungan asam oksalat pada setiap sampel talas yang diuji. Informasi morfologi dan profil metabolit yang dihasilkan dapat menjadi modal dasar dalam pemuliaan tanaman, khususnya pada tanaman talas.

od crisis. Indonesia is one of the mega biodiversity countries for plant species, including taro. Taro has been cultivated as a non-rice carbohydrate source with fairly good nutritional content. Taro tubers can be processed into various foods, feed, and even as raw materials for cosmetics and medicines. In addition to its tubers, taro can be consumed as a functional food because it can be a source of vitamins, minerals, secondary metabolites, and high fibre. Taro also has antioxidant content such as ascorbic acid, chlorogenic acid, catechins, flavonoids, tannins, carotenoids, and other polyphenol compounds that can contribute to health. More than 180 taro cultivars can be distinguished by morphotype, and at least 20 cultivars have been identified as having the potential to be used as parent plants for plant breeding. Some of them are the Beneng Banten taro (large and koneng, X. undipes K. Koch), a giant local taro commodity found in Banten Province. This taro has the potential to be developed into various food products to support food security. Another taro found in Indonesia is the S28 taro (C. esculenta (L.) Schott var. antiquorum), suitable for planting in drought-prone areas but susceptible to pest attacks. Papua taro is one of the taros from the Colocasia genus that is widely cultivated in the Papua region, and its tubers are thought to contain secondary metabolite compounds in the form of flavonoids that have antioxidant, anti-inflammatory, anti-mutagenic, and anticarcinogenic activities. Taro is one of the plants with great potential as food, feed, industrial raw materials, and high economic value. Taro is an orphan crop or minor plant that has received less attention, so its plant breeding technology is far behind that of other plants. Developing new cultivars requires taro germplasm with greater genetic diversity and vast genetic distance. Biotechnology-based breeding using gamma-ray irradiation applied to embryogenic callus must be carried out to increase the genetic diversity of taro, which is the capital of the plant breeding process, to obtain new superior cultivars with good genetic yield potential. This study aims to obtain the best protocol and media for somatic embryo induction and plantlet regeneration, radiosensitivity and dose of Cobalt-60 gamma ray irradiation to obtain putative mutants, as well as morphological and metabolite performance information on Beneng Banten taro (X. undipes), S28 taro (C. esculenta (L.) Schott var. antiquorum), and Papua taro (C. esculenta L.Schott var. esculenta). Somatic embryo induction and taro culture regeneration, using a factorial randomized complete group design consisting of two factors in the form of picloram concentration (0; 4,52; 9,04; and 13,57 µM) and TDZ (0; 2,27; 4,54; and 6,81 µM) in MS0 media containing malt extract and l-asparagine. The somatic embryo induction and taro culture regeneration experiments consisted of three sub?experiments, each using Banten Beneng taro, S28 taro, and Papua taro. The experiment was conducted in five stages: preparation planting media, planting of materials in treatment media, embryo maturation and germination, and acclimatization of plantlets. Induction of mutations in gamma irradiation of embryogenic callus using a two-factor factorial completely randomized design. The first factor includes eight doses of 60Co gamma irradiation (0,00; 2,50; 5,00; 7,50; 10,00; 12,50; 17,50; 27,50 Gy), while the second factor is the two best treatment media in callus induction. The experiment began with media preparation, callus induction, and callus selection. After that, the callus was irradiated with a predetermined dose. The irradiated callus was then transferred to new media for regeneration. Subculture was carried out eight weeks after irradiation in media without auxin and a cytokine concentration of 10% of the initial media concentration for embryo maturation and germination. Morphological characterization and metabolite and biochemical profile analysis of taro were carried out on the taro parents Beneng Banten, S28, and Papua, which are collection plants at the Leuwikopo Experimental Garden. Morphological characterization was carried out using a non-experimental descriptive method, with sampling carried out by disproportionate stratified random sampling. This experiment's analysis of metabolite and biochemical profiles was a non-experimental experiment that analyzed non-targeted metabolite profiles, proximate content, polyphenols, vitamin C, antioxidants, glucomannan content, and oxalic acid content. Somatic embryo induction begins with callus induction, which differentiates it into an embryogenic callus and somatic embryos and plantlets that can be acclimatized. The results showed that the best protocol for induction and regeneration of somatic embryos of Beneng Banten, S28, and Papua taro is by planting thin crown/huli pieces on the best media for somatic embryo induction. MSa-ex media with a combination of 4,52 µM picloram + 6,81 µM TDZ is the best somatic embryo induction media that produces an average number of globular phase somatic embryos per explant of 44,15 Beneng Banten taro somatic embryos and 30,85 S28 taro somatic embryos for 16 weeks. The best media for induction and regeneration of Papua taro somatic embryos is MSa-ex media with a combination of 9,04 µM picloram + 6,81 µM TDZ, which produces 13,50 globular phase somatic embryos per explant for 16 weeks. The use of single picloram and TDZ media can induce adventitious shoots. Taro tissue culture can make taro plant propagation and breeding processes more efficient. Gamma-ray irradiation affected the formation of callus, embryogenic callus, and the average number of globular phase somatic embryos produced by Beneng Banten and S28 taro. At the same time, the treatment media had no significant effect on all variables. Endophytic bacteria exist in several calli, somatic embryos, and plantlets after gamma-ray irradiation. The estimated LD50 in Banten Beneng taro explants was 12,84 Gy, and the estimated LD50 of S28 taro explants was 7,23 Gy. Gamma-ray irradiation inhibits embryogenic callus regeneration but can potentially increase taro's genetic diversity. Gamma-ray irradiation produced 72 putative mutant plantlets (MV1) of Banten Beneng and 130 putative mutant plantlets of S28. The difference in the number of putative mutant plantlets produced at each treatment dose is thought to be an early marker of genetic diversity in cell adaptation to the environment. The study found differences in the morphological performance of growth types, leaves, petioles, and cormus in Beneng Banten, S28, and Papua taro. Untargeted metabolomic analysis of taro using LC-MS successfully detected 122 metabolite compounds, with 12,30% flavonoids. Biomarker compound candidates in Banten Beneng taro are Apigetrin, Apiin, and Salicylic acid compounds, while for Papua taro, Citbismine C and Rutin compounds are candidate biomarker compounds. There are differences in proximate content, polyphenols, vitamin C, antioxidants, glucomannan content, and oxalic acid content in each taro sample tested. Genetic diversity in morphology, nutrient content, and metabolite profiles in germplasm collections is crucial for plant breeding, particularly for taro plants.