Efektivitas Nano Seed Coating diperkaya Fungi Mikoriza Arbuskula dalam Peningkatan Toleransi Jagung pada Cekaman Kekeringan

Abstract

Jagung merupakan salah satu komoditas strategis utama dalam meningkatkan perekonomian dan percepatan pembangunan pertanian Indonesia. Peningkatan produksi jagung dapat dilakukan melalui ekstensifikasi dengan pemanfaatan lahan potensial. Cekaman kekeringan merupakan kondisi yang menghambat program ekstensifikasi jagung pada lahan potensial seperti lahan kering. Seed coating merupakan teknologi yang dapat dikembangkan dalam meningkatkan ketahanan jagung pada cekaman kekeringan. Mikronutrien Zn, Fe, dan Si diketahui mampu meningkatkan ketahanan tanaman terhadap cekaman kekeringan. Teknologi nano meningkatkan efisiensi penggunaan pupuk karena ukurannya yang sangat kecil, bersifat lebih reaktif, langsung mencapai target, serta digunakan dalam jumlah yang lebih sedikit. Nanopartikel mengurangi kerusakan sel melalui penurunan kadar reactive oxygen species (ROS) benih dengan meningkatkan aktivitas enzim antioksidan. Sementara itu, fungi mikoriza arbuskula (FMA) diketahui memiliki kemampuan dalam meningkatkan penyerapan hara dan air oleh akar pada kondisi cekaman kekeringan. Informasi terkait pemanfaatan nano seed coating yang diperkaya FMA untuk peningkatkan toleransi jagung terhadap cekaman kekeringan di Indonesia belum pernah dilaporkan. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan mutu benih, pertumbuhan, dan produksi jagung pada kondisi cekaman kekeringan melalui teknologi nano seed coating yang diperkaya FMA. Penelitian ini terdiri atas dua percobaan utama. Percobaan pertama adalah evaluasi efektivitas nano seed coating ZnO, Fe3O4, dan SiO2 dalam mengatasi cekaman kekeringan fase perkecambahan jagung dan pengaruhnya terhadap viabilitas spora FMA yang terdiri atas percobaan (1A) evaluasi efektivitas seed film coating NPs ZnO, Fe3O4, dan SiO2 pada cekaman kekeringan fase perkecambahan jagung dan (1B) uji viabilitas spora FMA pada seed coating NPs ZnO, Fe3O4, dan SiO2 berbagai konsentrasi. Percobaan 1A menggunakan rancangan petak terbagi (RPT) dengan rancangan lingkungan rancangan kelompok lengkap teracak (RKLT). Petak utama adalah cekaman osmotik yang terdiri atas tiga taraf yaitu 0, -0,15, dan -0,30 MPa. Anak petak adalah seed film coating NPs yang terdiri atas 10 taraf yaitu tanpa perlakuan, ZnO (15, 25, dan 50 mg l-1), Fe3O4 (100, 200, dan 300 mg l-1), dan SiO2 (300, 600, dan 900 mg l-1). Peubah yang diamati adalah daya berkecambah (DB), indeks vigor (IV), kecepatan tumbuh (KCT), bobot kering kecambah normal (BKKN), laju pertumbuhan kecambah (LPK), radicle emergence (RE), dan kandungan malondialdehid (MDA). Percobaan 1B disusun menggunakan rancangan acak lengkap (RAL) satu faktor yaitu konsentrasi NPs seperti pada percobaan 1A dengan peubah persentase perkecambahan spora dan pengamatan perkembangan FMA pada akar jagung. Percobaan kedua adalah pengaruh nano seed coating Fe3O4 diperkaya FMA terhadap pertumbuhan dan produksi jagung pada cekaman kekeringan di rumah kaca. Percobaan 2 disusun menggunakan RPT dengan rancangan lingkungan RKLT. Petak utama adalah kapasitas lapang (KL) yang terdiri atas dua taraf yaitu 100% dan 60% KL. Anak petak adalah seed coating yang terdiri atas empat taraf yaitu tanpa perlakuan, NPs Fe3O4, FMA, dan NPs Fe3O4+FMA, berdasarkan konsentrasi NPs terbaik hasil percobaan 1 (Fe3O4 300 mg l-1). Peubah yang diamati yaitu tinggi tanaman, diameter batang, jumlah daun, laju fotosintesis, kandungan klorofil, luas daun, kadar air relatif daun, kandungan prolin, tingkat kolonisasi FMA pada akar, bobot kering akar, bobot kering tajuk, bobot kering total, jumlah tongkol, bobot tongkol, bobot biji per tongkol, panjang tongkol, dan diameter tongkol. Hasil percobaan pertama menunjukkan seed film coating NPs berpotensi dalam meningkatkan toleransi cekaman kekeringan jagung pada fase perkecambahan. Aplikasi seed film coating NPs Fe3O4 300 mg l-1 meningkatkan viabilitas dan vigor pada cekaman kekeringan -0,30 MPa berdasarkan DB, IV, dan KCT. Pada cekaman kekeringan -0,15 MPa, seed film coating NPs Fe3O4 300 mg l-1 meningkatkan BKKN dan LPK. Seed film coating NPs ZnO 50 mg l-1 menghasilkan RE tertinggi (43%) dibandingkan kontrol pada cekaman kekeringan -0,30 MPa. Perlakuan seed film coating NPs Fe3O4 300 mg l-1 dan SiO2 600 mg l-1 menurunkan MDA kecambah jagung pada cekaman kekeringan -0,30 MPa. Berdasarkan pengujian viabilitas spora menunjukkan seed coating berbagai konsentrasi dan jenis NPs yang dikombinasikan dengan spora FMA tidak menghambat perkembangan FMA pada akar jagung. Hasil percobaan kedua menunjukkan bahwa nano seed coating Fe3O4 diperkaya FMA meningkatkan pertumbuhan dan produksi jagung pada cekaman kekeringan di rumah kaca. Aplikasi seed coating NPs Fe3O4, FMA, dan NPs Fe3O4+FMA meningkatkan laju fotosintesis dan kadar air relatif daun pada cekaman kekeringan 60% KL. Penggunaan nano seed coating Fe3O4 diperkaya FMA meningkatkan kolonisasi FMA, bobot kering akar, bobot kering tajuk, bobot kering total tanaman, bobot tongkol (31%), dan menurunkan kadar prolin pada cekaman kekeringan 60% KL. Hasil korelasi Pearson antar peubah pada percobaan kedua menunjukkan beberapa peubah secara signifikan berkorelasi dengan bobot biji per tongkol yang merupakan parameter produksi jagung. Bobot biji per tongkol berkorelasi positif dengan tinggi tanaman, diameter batang, jumlah daun, luas daun, kandungan klorofil, bobot kering total tanaman, bobot kering tajuk, jumlah tongkol, panjang tongkol, diameter tongkol, bobot tongkol, dan berkorelasi negatif dengan kandungan prolin. Penelitian ini menunjukkan bahwa nano seed coating diperkaya FMA mampu meningkatkan toleransi jagung pada cekaman kekeringan.

Maize is one of the primary strategic commodities used to improve the economy and accelerate Indonesia's agricultural development. Increasing maize production can be done through extensification by utilizing potential land. Drought stress is a condition that hampers maize extensification programs on potential land such as drylands. Seed coating is a technology that can be developed to improve maize resistance to drought stress. Micronutrients Zn, Fe, and Si are known to increase plant resistance to drought stress. Nanotechnology increases the efficiency of fertilizer use because it is very small, more reactive, directly reaches the target, and is used in smaller quantities. Nanoparticles reduce cell damage by reducing seed reactive oxygen species (ROS) levels by increasing antioxidant enzyme activity. Meanwhile, arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are known to have the ability to increase nutrient and water absorption by roots under drought stress conditions. Information about utilizing nano seed coating enriched with AMF to increase maize tolerance to drought stress in Indonesia has never been reported. This study aims to improve seed quality, growth, and production of maize under drought stress conditions through nano seed coating enriched with AMF. The following methodology was employed in the course of the research. The first experiment was the evaluation of the effectiveness of nano seed coating ZnO, Fe3O4, and SiO2 on drought stress in the germination phase of maize and its effect on AMF spore viability, comprising experiments (1A) evaluation of the effectiveness of seed film coating ZnO, Fe3O4, and SiO2 NPs on drought stress in the germination phase of maize and (1B) AMF spore viability test on seed coating ZnO, Fe3O4, and SiO2 NPs of various concentrations. Experiment 1A used a split-plot design with a randomized complete block design (RCBD). The main plot was osmotic stress consisting of 0, -0.15, and -0.30 MPa. The subplots were seed film coating, i.e., no treatment, ZnO (15, 25, and 50 mg l-1), Fe3O4 (100, 200, and 300 mg l-1), and SiO2 (300, 600, and 900 mg l-1). The observed variables were germination rate (GR), vigor index (VI), the speed of germination (SG), dry weight of normal seedlings (DW), seedling growth rate (SGR), radicle emergence (RE), and malondialdehyde (MDA). Experiment 1B was designed with a single factor, a completely randomized design (CRD). NPs concentration was as in 1A with variable spore germination percentage and observation of FMA development on maize roots. The second experiment was the effect of nano seed coating enriched with AMF on the growth and production of maize under drought stress in the greenhouse. Experiment 2 was designed using a split-plot design with RCBD. The main plot was field capacity (FC) consisting of two levels, 100% and 60% FC. The subplot was seed coating, which consisted of four levels: no treatment, Fe3O4 NPs, AMF, and Fe3O4 NPs+AMF, based on the best NPs concentration from experiment 1 (Fe3O4 300 mg l-1). The observed variables were plant height, stem diameter, number of leaves, photosynthetic rate, chlorophyll content, leaf area, leaf relative water content, proline, AMF colonization rate on roots, root dry weight, shoot dry weight, total dry weight, number of cobs, cob weight, kernel weight per cob, cob length, and cob diameter. The results of the first experiment showed that seed film coating NPs can potentially increase the tolerance of maize in the germination phase under drought stress. The application of seed film coating Fe3O4 300 mg l-1 during the germination phase was found to enhance seed viability and vigor when subjected to drought stress at -0.30 MPa. That was evidenced by the increased germination percentage, vigor index, and speed of germination. At -0.15 MPa, applying a seed film coating Fe3O4 300 mg l-1 NPs increased DW and SGR. The seed film coating ZnO 50 mg l-1 NPs resulted in the highest RE (43%) at -0.30 MPa drought stress. Seed film coating Fe3O4 300 mg l-1 and SiO2 600 mg l-1 NPs reduced the MDA content under -0.30 MPa compared to untreated seeds. The viability of spores was tested, and the results demonstrated that seed coating with various concentrations and types of NPs in combination with AMF spores did not inhibit AMF development on maize roots. The results of the second experiment showed that nano seed coating Fe3O4 enriched with AMF increased the growth and production of maize under drought stress in the greenhouse. Applying Fe3O4 NPs, AMF, and Fe3O4 NPs+AMF increased photosynthetic rate and leaf relative water content under 60% FC drought stress. Nano seed coating Fe3O4 NPs enriched with AMF increased AMF colonization, root dry weight, shoot dry weight, total plant dry weight, and cob weight (31%). Seed coating with Fe3O4 NPs+AMF significantly reduced proline levels compared to NPs or AMF treatments given separately under 60% FC. The Pearson correlation between variables in the second experiment showed that some variables were significantly positively and negatively correlated with kernel weight per cob, which is a parameter of maize production. Kernel weight per cob was positively correlated with plant height, stem diameter, number of leaves, leaf area, chlorophyll content, total plant dry weight, shoot dry weight, number of cobs, cob length, cob diameter, cob weight, and negatively correlated with proline content. This study shows that nano seed coating enriched with FMA can increase maize tolerance to drought stress.