Peran silikon dalam interaksi antara tanaman pisang dengan patogen Fusarium oxysporum f. sp. cubense (Foc) TR4

Abstract

ARIEF PAMBUDI. Peran Silikon dalam Interaksi antara Tanaman Pisang dengan Patogen Fusarium oxysporum f. sp. cubense (Foc) TR4. Dibimbing oleh MIFTAHUDIN, LISDAR A. MANAF, YUNUS EFFENDI.

Produksi pisang global saat ini menghadapi ancaman serius dari penyakit layu Fusarium yang disebabkan oleh patogen tanah Fusarium oxysporum f.sp. cubense (Foc), khususnya ras tropis 4 (TR4). Patogen ini bersifat persisten di tanah dan mampu menyerang sistem vaskular tanaman, menyebabkan kegagalan total produksi. Hingga kini, belum tersedia metode pengendalian yang benar-benar efektif, terutama di kalangan petani skala kecil yang sangat bergantung pada varietas rentan dan praktik pertanian konvensional. Silikon (Si) dikenal memberikan manfaat dalam meningkatkan ketahanan tanaman terhadap cekaman biotik dan abiotik. Namun, meskipun banyak laporan menyebutkan potensi Si sebagai agen pertahanan tanaman, mekanisme molekuler dan sistemik yang dimediasi Si terhadap infeksi Foc pada pisang masih belum dipahami secara utuh. Selain itu, belum ada pendekatan komprehensif yang mengintegrasikan aspek ekspresi gen, anatomi akar, distribusi unsur hara, dan pertahanan sistemik tanaman pisang dalam konteks aplikasi Si. Penelitian ini bertujuan mengkaji secara mendalam peran Si dalam meningkatkan ketahanan tanaman pisang terhadap infeksi Foc. Lima tujuan utama melandasi penelitian ini: (1) mengkaji ekspresi gen pertahanan menggunakan qPCR; (2) mengevaluasi perubahan anatomi akar dan tingkat keparahan penyakit; (3) mengidentifikasi jalur dan gen pertahanan sistemik lewat RNA-seq; (4) menganalisis distribusi unsur hara dengan pendekatan XRF; serta (5) menyusun model mekanisme kerja Si melalui integrasi data multi-level. Ruang lingkup penelitian mencakup kajian dari tingkat morfologi hingga molekuler dan kimia jaringan tanaman pisang dengan pendekatan integratif dan interdisiplin. Berdasarkan aspek respon molekuler dan genetik, aplikasi Si memodulasi ekspresi gen pertahanan secara spesifik dan tergantung konteks. Beberapa gen seperti EIN1, EIN3, ERF1/2, PAL, AOS, dan ATP mengalami peningkatan ekspresi pada perlakuan kombinasi Si dan infeksi Foc (Si*Foc), menunjukkan aktivasi jalur etilen, jasmonat, dan fenilpropanoid. Ekspresi AOS, sebagai penanda jalur jasmonat, tidak signifikan saat perlakuan tunggal, namun meningkat tajam saat Si diberikan bersamaan dengan infeksi, mengindikasikan efek sinergis. Sebaliknya, gen PR4 dan WRKY33 justru mengalami penurunan ekspresi pada perlakuan kombinasi, mengisyaratkan bahwa Si juga berfungsi menekan respons pertahanan berlebihan yang bisa berakibat merugikan. Gen CHI dan PIP, yang terkait dengan pengaturan air dan aktivitas enzimatik, memperlihatkan ekspresi tinggi hanya pada perlakuan Si saja, bukan saat dikombinasikan dengan infeksi, menunjukkan selektivitas ekspresi berdasarkan tahapan stres. Analisis RNA-seq dilakukan secara global pada jaringan daun—organ distal dari lokasi infeksi. Hasilnya tidak mengevaluasi ekspresi gen individual, tetapi berupa anotasi Gene Ontology (GO) yang dominan pada kombinasi perlakuan Si dan Foc. GO term yang muncul mencakup aktivasi jalur penguatan struktural, metabolisme sekunder (termasuk fenolik dan flavonoid), remodeling transkriptom dan proteom, transport ion, serta regulasi epigenetik. Hal ini mengindikasikan bahwa aplikasi Si memicu pemrograman ulang metabolik dan genetik pada tingkat sistemik, sekalipun lokasi infeksinya berada di akar. Temuan ini memperkuat indikasi terjadinya induced systemic resistance (ISR), melalui transduksi sinyal dari akar akibat infeksi Foc dan aplikasi Si yang diteruskan ke daun dan menghasilkan perubahan ekspresi secara luas, termasuk aktivasi mekanisme pertahanan non-lokal. Analisis unsur hara dengan XRF mengungkap bahwa aplikasi Si menyebabkan peningkatan akumulasi Si di jaringan akar dan daun, disertai perubahan rasio unsur seperti Ca:Mg dan Si:K. Penyesuaian ini mengkonfirmasi penguatan dinding sel, meredam stres redoks, dan menurunkan rasio Fe terhadap logam redoks lain, yang mengindikasikan kontrol terhadap potensi kerusakan oksidatif. Ini menunjukkan bahwa ketahanan tanaman terhadap patogen tidak hanya bergantung pada mekanisme biologis, tetapi juga pada dinamika unsur hara. Aplikasi Si juga terbukti menekan pembentukan aerenkim yang berlebihan dan lesi jaringan bonggol akibat infeksi Foc, sehingga menjaga integritas jaringan akar. Ini penting karena struktur akar yang rusak adalah titik masuk dan penyebaran utama patogen. Selain itu, Si membantu mempertahankan biomassa akar, tinggi tanaman, dan luas daun. Kandungan klorofil pun lebih stabil, menandakan bahwa Si membantu menjaga keseimbangan fisiologis tanaman selama masa infeksi. Hasil penelitian mendukung sebuah model tiga tahap yang menjelaskan kerja Si dalam meningkatkan ketahanan pisang terhadap Foc. Pertama, tahap priming yaitu saat Si terakumulasi di jaringan, mengaktifkan gen stres ringan, dan memperkuat struktur anatomi akar. Ini menciptakan kondisi tanaman yang siap siaga. Tahap kedua adalah respon lokal (infeksi). Saat Foc menyerang akar, jalur etilen dan jasmonat yang telah ter-priming segera diaktifkan. Gen pertahanan seperti ERF2 dan AOS meningkat, sedangkan WRKY33 dan PR4 ditekan. Tahap ketiga respon Sistemik terjadi saat sinyal ditransduksi ke daun. Aktivasi pertahanan sistemik terjadi secara luas, termasuk regulasi transkrip, metabolit, dan transport ion. Hasil akhirnya adalah stabilitas morfologi berupa struktur akar yang tetap terjaga melalui penghambatan aerenkim berlebih dan penurunan lesi bonggol. Model ini menempatkan Si tidak sekedar penguat dinding sel pasif, tetapi sebagai agen imunomodulator yang mampu meregulasi ulang metabolisme dan ekspresi gen sesuai tahapan dan lokasi infeksi. Penelitian lanjutan disarankan difokuskan pada aspek epigenetik dan regulasi pensinyalan sistemik, validasi fungsional gen, serta pemodelan sistem regulasi berbasis multi-omik. Di sisi aplikatif, perluasan uji lapang dan pendekatan formulasi Si menjadi langkah strategis menuju penerapan nyata dalam sistem pertanian tropis yang berkelanjutan. Dengan demikian, silikon memiliki potensi besar untuk diposisikan sebagai agen elisitor biologis sekaligus nutrisi dalam mendukung ketahanan tanaman pisang terhadap ancaman Foc.

ARIEF PAMBUDI. The Role of Silicon in the Interaction between Banana Plants and the Pathogen Fusarium oxysporum f. sp. cubense (Foc) TR4. Supervised by MIFTAHUDIN, LISDAR A. MANAF, and YUNUS EFFENDI.

Global banana production faces a serious threat from Fusarium wilt disease caused by the soil pathogen Fusarium oxysporum f.sp. cubense (Foc), particularly tropical race 4 (TR4). This pathogen is persistent in soil and capable of invading the plant's vascular system, causing total yield failure. There are no truly effective control methods, especially among small-scale farmers who rely heavily on susceptible varieties and conventional agricultural practices. Silicon (Si) enhances plant resistance to biotic and abiotic stresses. However, despite numerous reports highlighting Si's potential in plant defense, the molecular and systemic mechanisms of Si in mediating Foc-bananas interaction remain incompletely understood. Furthermore, there is no comprehensive approach integrating aspects of gene expression, root anatomy, nutrient distribution, and systemic defense in banana plants within the context of Si application. This study examines the role of Si in enhancing banana plant resistance to Foc infection. Five main objectives underpin this research: (1) assessing defense gene expression using qPCR; (2) evaluating changes in root anatomy and disease severity; (3) identifying systemic defense pathways and genes through RNA-seq; (4) analyzing nutrient distribution using an XRF approach; and (5) developing a model of the Si mechanism of action through multi-level data integration. The scope of the research encompasses studies from the morphological to the molecular and chemical levels of banana plant tissue using an integrative and interdisciplinary approach. Based on the molecular and genetic response aspects, Si application modulates defense gene expression in a specific and context-dependent manner. Several genes, such as EIN1, EIN3, ERF1/2, PAL, AOS, and ATP, showed increased expression in the combination of Si and Foc infection (Si*Foc), indicating activation of the ethylene, jasmonate, and phenylpropanoid pathways. AOS expression, a marker of the jasmonate pathway, increased sharply when in the Si and Foc combination, indicating a synergistic effect. Conversely, the PR4 and WRKY33 genes experienced decreased expression in the combination treatment, suggesting that Si also suppresses excessive defense responses that can be detrimental. The CHI and PIP genes, which are associated with water regulation and enzymatic activity, showed high expression only in the Si treatment alone, not in combination with infection, indicating selectivity of expression based on the stress stage. RNA-seq analysis was performed globally on leaf tissue, the organ distal to the infection site. The results did not evaluate individual gene expression, but rather Gene Ontology (GO) annotations that were dominant in the Si and Foc treatment combination. The GO terms identified included activation of structural reinforcement pathways, secondary metabolism (including phenolics and flavonoids), transcriptome and proteome remodeling, ion transport, and epigenetic regulation. This indicates that Si application triggers metabolic and genetic reprogramming at the systemic level, even though the infection site is in the roots. These findings reinforce the indication of induced systemic resistance (ISR), through signal transduction from roots due to Foc infection and Si application, which is transmitted to the leaves and results in widespread expression changes, including the activation of non-local defense mechanisms. Nutrient analysis using XRF revealed that Si application caused increased Si accumulation in root and leaf tissues, shifting the elemental ratios such as Ca:Mg and Si:K. These adjustments confirmed cell wall strengthening, reduced redox stress, and decreased the ratio of Fe to other redox metals, indicating control of potential oxidative damage. This suggests that plant resistance to pathogens depends not only on biological mechanisms but also on nutrient dynamics. The Si application suppresses excessive aerenchyma formation and corm tissue lesions caused by Foc infection, thus maintaining root tissue integrity. This is important because damaged root structures are pathogens' primary entry and spread point. Furthermore, Si helped maintain root biomass, plant height, and leaf area. Chlorophyll content was also more stable, indicating that Si helps maintain plant physiological balance during infection. The research results support a three-stage model explaining the action of Si in enhancing banana resistance to Foc. First is the priming stage, when Si accumulates in the tissues, activates light stress genes, and strengthens the root via molecular rearrangements. This creates a state of readiness for the plant. The second stage is the local response (infection). When Foc attacks the roots, the primed ethylene and jasmonate pathways are immediately activated. Defense genes such as ERF2 and AOS are upregulated, while WRKY33 and PR4 are suppressed. The third stage, the systemic respons, occurs when signals are transduced to the leaves. Systemic defenses activate through a broad response, including regulation of transcripts, metabolites, and ion transport. The result is stability in the plant's morphology, such as root structure integrity through excessive aerenchymal inhibition and reduced corm lesions. This model positioned Si not simply as a passive cell wall strengthener but as an immunomodulatory agent capable of re-regulating metabolism and gene expression according to the stage and location of infection. Further research is recommended to focus on epigenetic aspects, systemic signaling regulation, functional validation of genes, and multi-omics-based regulatory system modeling. On the practical side, expanding field trials and Si formulation approaches are strategic steps toward practical implementation in sustainable tropical agricultural systems. Thus, silicon has significant potential as a biological elicitor and nutrient to support banana plant resilience against Foc.