Studies on Preserving Maize Genetic Diversity Through Developing Core Collection

Abstract

The research and development in maize are immense, leading to hundreds of maize-improved varieties being released in Indonesia. In order to ensure the sustained availability of broad genetic diversity, the conservation of genetic resources is carried out through ex-situ conservation in the form of seed genebanks. The Agricultural Genebank under the Ministry of Agriculture is the largest genebank in Indonesia and conserves 12,000 accessions covering 40 plant species. However, the cross-pollinated genetic system of maize makes maize genetic resources in the genebank prone to experience inbreeding depression and needs specific treatment to maintain the genetic integrity of the accession. Thus, maize germplasm’s regeneration cost in the genebank is higher than self-pollinated species. The dissertation aimed to develop a maize core collection as one of the solutions to overcome the challenge of maize germplasm management in the genebank and assess how the core collection could preserve the existing genetic diversity in the whole set of maize collections. The study consists of 4 main stages of research activities: 1) getting to know, 2) constructing, 3) assessing, and 4) validating. The first research was to identify the structure of the whole set maize collection in the genebank and analyze its genetic diversity status. The result showed that a moderate to high genetic diversity based on kernel characters and passport data was identified. Two kernel characters, i.e. kernel type and color, were demonstrated as key characters that successfully differentiated all accessions into 10 clusters. The data of kernel characters for all accessions in the maize collection of the genebank was then used in the next research stage. The second research evaluated and identified which methods are appropriate for developing maize core collection. Five methods have been evaluated and based on the homogeneity of the frequency distribution of collection structure, the value of genetic diversity, and the value of summary statistics of core properties, Core Hunter 3 was determined as the appropriate method to select 150 accessions accounting of 11.7% of the whole set maize collection in the genebank. Core Hunter 3 demonstrated better diversity core properties, such as a low mean difference (MD) value, high variance difference (VD) and variable rate (VR) values, a coincidence rate (CR) value of >80%, and the highest coverage value. Moreover, it showed a homogeneity of the mean value of almost all kernel characters and a significantly higher variance value indicating an increased diversity compared to the whole set maize collection. The third research was conducted to assess the dynamics in maize core collection development in terms of entries and characters number used in the core construction process. Four core collections were developed from different datasets, i.e. 1 whole set (1,279 accessions) and 3 combination subset collection (560 accessions). The results showed that 7 accessions were conformally selected by the three cores which were developed from subset collection, representing the most diverse accessions of the whole set maize collection. It also observed that the entries number had more influence in maize core collection development compared to the characters number. The last research was conducted to ensure the prior developed maize core collection from research 2 was a representative core collection. The result showed that a broad genetic diversity was also retained in other characters comprehensively. Although there was no consistent pattern of accession relationship based on kernel properties, morpho-agronomic characters, and SSR markers, apparently high-yielding accessions tended to be located near each other. Finally, the results drive a recommendation that maize core collection is worth to be developed in the Agricultural Genebank Indonesia since it proved to be a powerful approach to preserving the genetic diversity of the maize germplasm. Its development can be based on kernel characters as the diversity key character in maize. This character could be used as well as the basis for new germplasm acquisition in the genebank. Further studies need to be done in the future to complement the result of this work. First, a software prototype should be developed to facilitate the acquisition of maize germplasm in the genebank. Second, genepool-based conservation should be assembled as an alternative approach to core collection development. Third, the utilization of maize core collection as a diverse-rich genotype panel for genetic studies and acceleration the maize breeding program.

Jagung merupakan salah satu komoditas prioritas yang kegiatan penelitian dan pengembangannya berkembang pesat. Lebih dari 300 varietas jagung telah dilepas di Indonesia. Untuk menjamin ketersediaan keragaman genetik yang luas secara berkelanjutan sebagai modal dasar bagi perakitan varietas, konservasi sumber daya genetik (SDG) tanaman jagung penting dilakukan dalam bentuk konservasi ex-situ di bank gen benih. Bank Gen Pertanian di bawah Kementerian Pertanian merupakan bank gen terbesar di Indonesia dan mengonservasi sekitar 12.000 aksesi yang mencakup 40 spesies tanaman. Konservasi SDG jagung di bank gen ini mengalami beberapa tantangan terutama akibat sistem genetik tanaman jagung yang menyerbuk silang sehingga rentan mengalami tekanan silang dalam dan memerlukan perlakuan khusus untuk menjaga integritas genetik aksesi selama proses regenerasi benih. Hal ini menjadikan biaya regenerasi menjadi lebih tinggi dibandingkan dengan spesies tanaman yang menyerbuk sendiri. Penelitian disertasi ini bertujuan untuk menyusun core collection jagung sebagai salah satu solusi untuk mengatasi tantangan pengelolaannya di Bank Gen Pertanian dan mempelajari bagaimana core collection ini dapat mempertahankan keragaman genetik yang ada di koleksi asalnya. Ruang lingkup penelitian disertasi ini terdiri atas empat tahap kegiatan penelitian: 1) mengidentifikasi, 2) mengkonstruksi, 3) mengkaji, dan 4) memvalidasi. Penelitian pertama dilakukan untuk mengidentifikasi struktur koleksi jagung di bank gen dan menganalisis status keragaman genetiknya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa keragaman genetik teridentifikasi sedang-tinggi berdasarkan karakter biji dan data paspor. Dua karakter biji yaitu tipe dan warna biji merupakan karakter kunci yang berhasil membedakan semua aksesi ke dalam 10 klaster. Data karakter biji untuk seluruh aksesi dalam koleksi jagung di bank gen ini kemudian digunakan pada tahap penelitian selanjutnya. Penelitian kedua adalah untuk mengevaluasi dan mengidentifikasi metode yang sesuai untuk menyusun core collection jagung. Lima metode dievaluasi dan berdasarkan homogenitas distribusi frekuensi struktur koleksi, nilai keragaman genetik, dan nilai statistik dari properti core collection, Core Hunter 3 terpilih sebagai metode yang tepat untuk menyeleksi 150 aksesi (11,7% dari ukuran koleksi asal di bank gen). Core Hunter 3 menunjukkan hasil properti keragaman core collection yang lebih baik, seperti nilai mean difference (MD) yang rendah, nilai variance difference (VD) dan variable rate (VR) yang tinggi, nilai coincidence rate (CR) >80%, dan nilai coverage tertinggi. Selain itu, Core Hunter 3 juga menghasilkan nilai tengah yang homogen dari hampir semua karakter biji dan nilai ragam yang jauh lebih tinggi dan berbeda nyata dengan nilai ragam pada seluruh koleksi jagung di bank gen. Penelitian ketiga dilakukan untuk mengkaji dinamika dalam penyusunan core collection jagung terkait dengan jumlah aksesi dan jumlah karakter yang digunakan sebagai dasar dalam penyusunan core collection. Empat core collection disusun dari set data berbeda yaitu 1 set data seluruh koleksi dan 3 set data kombinasi karakter dari subset koleksi. Hasilnya menunjukkan bahwa 7 aksesi sama-sama terpilih oleh tiga core collection yang disusun dari data subset. Aksesi ini merupakan aksesi dengan tingkat keragaman tinggi yang ada di seluruh koleksi jagung di bank gen. Jumlah aksesi teridentifikasi sebagai faktor yang lebih berpengaruh daripada jumlah karakter dalam proses penyusunan core collection jagung. Penelitian keempat dilakukan untuk memastikan core collection jagung yang telah disusun sebelumnya pada penelitian ke-2 adalah core collection yang representatif. Hasil penelitian menunjukkan bahwa keragaman genetik yang luas juga dipertahankan pada karakter yang lebih komprehensif, baik secara fenotip maupun genotip. Meskipun tidak ada pola hubungan aksesi yang konsisten antara basis karakter biji, basis karakter morfo-agronomi, dan basis marka SSR, aksesi dengan karakter hasil tinggi cenderung mengelompok atau berdekatan satu sama lain. Berdasarkan beberapa hasil di atas, sebuah rekomendasi disusun untuk memudahkan pengelolaan plasma nutfah jagung di Bank Gen Pertanian Indonesia yaitu bahwa core collection jagung layak untuk disusun karena terbukti dapat mempertahankan keragaman genetik plasma nutfah jagung di bank gen. Penyusunan core collection jagung dapat berdasarkan karakter biji yang juga merupakan karakter kunci keragaman pada jagung. Karakter ini dapat digunakan lebih lanjut sebagai dasar dalam akuisisi plasma nutfah jagung baru di bank gen. Penyusunan core collection untuk komoditas lain dapat dilakukan mengikuti tahapan penyusunan core collection pada penelitian ini. Studi lebih lanjut yang perlu dilakukan untuk menyempurnakan hasil yang diperoleh pada penelitian disertasi ini adalah 1) pengembangan prototipe perangkat lunak untuk memfasilitasi akuisisi plasma nutfah jagung di bank gen, 2) pembentukan genepool berbasis konservasi sebagai alternatif pengelolaan SDG jagung selain core collection, dan 3) pemanfaatan core collection jagung sebagai set genotipe kaya ragam untuk berbagai studi genetik dan juga percepatan program pemuliaan tanaman jagung.