Induksi Ketahanan Tanaman Jagung Terhadap Penyakit Layu Stewart dengan Bakteri Endofit dan Ekstraseluler Polisakarida

Abstract

Penyakit layu Stewart yang disebabkan oleh bakteri Pantoea stewartii subsp. stewartii merupakan salah satu penyakit penting pada tanaman jagung. Upaya pengendalian yang dapat dilakukan adalah dengan menginduksi ketahanan tanaman jagung menggunakan bakteri endofit maupun ekstraseluler polisakarida yang berasal dari bakteri patogen. Tujuan penelitian untuk mengevaluasi isolat bakteri endofit akar jagung maupun EPS yang berasal dari bakteri P. stewartii subsp. stewartii yang berpotensi menginduksi ketahanan tanaman jagung terhadap penyakit layu Stewart serta kemampuannya dalam memacu pertumbuhan tanaman. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Bakteriologi Tumbuhan Departemen Proteksi Tanaman IPB dan Laboratorium Genomik Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2021 sampai dengan Maret 2023. Kegiatan penelitian dibagi menjadi dua tahapan yakni pengujian induksi ketahanan oleh bakteri endofit maupun ekstraseluler polisakarida (EPS) dari bakteri patogen. Patogen P. stewartii subsp. stewartii diisolasi dari tanaman jagung yang berasal tanaman bergejala layu Stewart di Jawa Barat. Isolat yang diperoleh dikarakterisasi morfologi, fisiologi, biokimia dan dilanjutkan identifikasi molekuler. Bakteri endofit diisolasi dari akar tanaman jagung dari Kabupaten Muara Enim, Ogan Ilir, Ogan Komering Ilir, dan Banyuasin Provinsi Sumatera Selatan, serta Kabupaten Bogor dan Cianjur Provinsi Jawa Barat. Isolat hasil seleksi uji keamanan hayati dilanjutkan pengujian in vitro bioaktivitas endofit terhadap kemampuan antibiosis, produksi senyawa organik volatil (volatile organic compound (VOC)), sintesis indole acetic acid (IAA), fiksasi nitrogen, pelarutan fosfat dan sintesis protease. Isolat terbaik diperoleh melalui metode analytical hyerarrchy proccess (AHP) dan digunakan pada pengujian aktivitas metabolit, pemacu pertumbuhan benih, dan kemampuan menekan perkembangan penyakit secara in planta. Tahap kedua diawali dengan ekstraksi EPS dari P. stewartii subsp. stewartii. Pengujian aktivitas EPS dalam menginduksi ketahanan dilakukan dengan menginjeksikan beberapa tingkat konsentrasi EPS (0, 100, 150, 200 ppm) pada pseudostem dua hari sebelum inokulasi patogen. Konsentrasi EPS maupun aktivitas enzimatis yang terjadi ditentukan dengan studi meta-analisis terhadap. Pengamatan dilakukan terhadap insidensi, keparahan penyakit, nilai penekanan penyakit, perkecambahan benih, pertumbuhan tanaman, aktivitas enzim penilalanin amonia liase (PAL), dan polifenol oksidase (PPO), serta senyawa metabolit yang dihasilkan bakteri endofit. Data yang diperoleh dianalisis sidik ragam dan dilakukan uji lanjut beda nyata jujur (BNJ) atau Tukey pada taraf 5%, sedangkan data kualitatif yang diperoleh dianalisis secara deskriptif. Hasil penelitian menunjukkan enam isolat terbaik dengan skor penilaian AHP tertinggi, yakni isolat JCB-1, BU-5, MS-X, JCJ-2, JCJ-3, dan JCJ-7. Isolat JCJ-7 dan BU-5 menghambat 100% pertumbuhan patogen melalui aktivitas antibiosis, sedangkan penghambatan mencapai 80% melalui aktivitas VOC oleh isolat BU-5, JCJ-2, dan MS-X. Pengujian aktivitas metabolit memperlihatkan isolat BU-5 dan JCB-1 memiliki aktivitas penghambatan patogen tertinggi. Ekstrak metabolit isolat BU-5 mengandung 26,26% senyawa pyrrolo [1,2-a] pyrazine-1,4-dione, hexahydro (C7H10N2O2) yang bersifat antibakteri dan antikanker, sedangkan isolat JCB-1 mengandung 34,98% senyawa bis (2-ethylhexyl) phthalate (C24H38O4) yang berperan sebagai antimikrob, antivirus, larvasida, dan antioksidan. Hasil pengujian in planta menunjukkan bahwa insidensi penyakit terendah pada perlakuan isolat MS-X (44,00%). Isolat MS-X dan JCJ-3 mampu menekan keparahan penyakit layu Stewart sebesar 52,38%. Kemampuan bakteri endofit dalam menginduksi ketahanan jagung ditunjukkan dengan peningkatan aktivitas PAL pada tanaman khususnya perlakuan isolat JCJ-3 dan MS-X. Namun, aktivitas ini mengalami penurunan setelah inokulasi patogen pada bibit yang mengindikasikan terjadinya mekanisme pertahanan pada tanaman. Induksi ketahanan tanaman oleh aktivitas endofit juga ditunjukkan dengan peningkatan aktivitas enzim PPO pada tanaman, dengan isolat JCJ-2 dan MS-X mampu menginduksi enzim PPO tertinggi. Aktivitas kedua enzim ini menjadi indikator adanya respon pertahanan tanaman yang dielisitasi oleh bakteri endofit sehingga akan bekerja efektif saat tanaman terinfeksi penyakit. Kemampuan bakteri endofit dalam menekan penyakit juga didukung kemampuannya memacu perkecambahan dan pertumbuhan jagung. Tanpa inokulasi patogen, isolat JCJ-2 mampu meningkatkan daya berkecambah, panjang batang, jumlah akar, serta menekan pembentukan kecambah abnormal. Hasil yang sama ditunjukkan saat tanaman diinokulasi patogen, isolat JCJ-2 terbukti mampu memberikan pertumbuhan panjang batang dan bobot segar yang lebih baik dibandingkan dengan kontrol. Hasil identifikasi molekuler menunjukkan isolat JCJ-2 dan JCJ-3 termasuk spesies Proteus terrae dengan kemiripan sebesar 98,15% dan 97,25% dengan spesies pada GeneBank. Isolat JCJ-7 dan JCB-1 yang juga berasal dari Jawa Barat, teridentifikasi sebagai Alcaligenes faecalis dengan kemiripan sebesar 98,43% dan 97,05%, sedangkan isolat MS-X asal Sumatera Selatan termasuk spesies Alcaligenes ammonioxydans dengan kemiripan sebesar 97,90%. Hasil pengujian pada jagung, EPS memberikan pengaruh nyata dalam mengurangi keparahan penyakit, sedangkan insidensi penyakit berkurang secara nyata hanya pada perlakuan 200 ppm EPS. Injeksi EPS pada berbagai tingkat konsentrasi melalui pseudostem jagung memberikan perbedaan tidak nyata terhadap tinggi tanaman, panjang akar, jumlah akar, maupun berat segar tanaman. Hasil meta-analisis menunjukkan peningkatan konsentrasi EPS yang diaplikasikan berpengaruh nyata dalam menurunkan insidensi, keparahan maupun penekanan penyakit. Selain itu, peningkatan konsentrasi EPS juga terbukti meningkatkan konsentrasi sejumlah enzim pertahanan tanaman. Namun sebaliknya, peningkatan konsentrasi EPS dapat menurunkan lipoksigenase, superoksida dismutase, maupun tinggi tanaman. Hasil analisis menunjukkan konsentrasi optimum EPS yang dapat digunakan yakni 205,1 ppm. Berdasarkan hasil ini belum cukup bukti untuk menyatakan bahwa peningkatan konsentrasi EPS yang diberikan pada tanaman akan secara nyata menekan penyakit maupun perannya dalam memacu pertumbuhan tanaman. Kajian lebih lanjut terkait komponen maupun konsentrasi EPS yang akan diaplikasikan perlu dilakukan secara akurat untuk mengurangi pengaruh negatif pada tanaman.

Stewart wilt disease, caused by Pantoea stewartii subsp. stewartii, is known as one of the most important maize diseases. Induction resistance by using endophytic bacteria and extracellular polysaccharides (EPS) is a particular approach for managing pathogens. This study aimed to evaluate endophytic bacterial isolates and the effect of EPS derived from P. stewartii subsp. stewartii on the suppression of Stewart's wilt disease and the promotion of maize growth. The study was conducted in the Plant Bacteriology Laboratory, Department of Plant Protection, IPB, and the Genomics Laboratory, National Research and Innovation Agency (BRIN), from March 2021 to March 2023. The research included two activities: resistance induction by endophytic bacteria and EPS. The bacterial pathogen Pantoea stewartii subsp. stewartii was isolated from an infected maize plant from West Java. The isolates were characterized using morphological, physiological, and biochemical analyses and validated through molecular identification. The first step is preparing the endophytic bacteria isolated from maize roots from Muara Enim, Ogan Ilir, Ogan Komering Ilir, and Banyuasin Regency in South Sumatra, and Bogor and Cianjur Regency in West Java. The endophytic bacteria were selected by biosafety assay and followed by bioactivity tests. These tests included evaluating their antibiosis ability, volatile compounds (VOCs) production, indole-3-acetic acid (IAA) synthesis, nitrogen fixation capability, phosphate solubilization index, and protease synthesis. The analytical hierarchy process (AHP) was used to identify the best isolates. The selected isolated will be used to evaluate their metabolite activities, seedling growth promoters, and the ability to reduce disease in planta. The second step is preparing EPS extract from P. stewartii subsp. stewartii and followed by a test in maize seedlings. Two days before pathogen inoculation, one milliliter of EPS concentrations (0, 100, 150, and 200 ppm) were injected into the maize pseudostem to measure its efficacy. Estimating EPS concentration and enzymatic activity was carried out using a meta-analysis study. The data were collected: disease incidence and severity, disease inhibition, seed germination, plant growth, the activity of enzymes, and the effect of metabolites produced by endophytes. Tukey analyzed the data at 5%, while descriptive analysis was performed on the qualitative data. According to the results, the six ideal isolates had the highest AHP rankings. These isolates were identified as JCJ-2, JCJ-3, and JCJ-7. Through antibiosis, the JCJ-7 and BU-5 isolates completely inhibited the pathogen. By synthesizing VOCs, the isolates BU-5, JCJ-2, and MS-X inhibited the pathogen by 80%. The metabolite activity tests indicated that isolates BU-5 and JCB-1 showed the most significant pathogen inhibition. The metabolite extract of isolate BU-5 contains about 26.26% of pyrrolo [1,2-a] pyrazine-1,4-dione, hexahydro, while isolate JCB-1 produced a metabolite containing as much as 34.98% of the compound bis (2-ethylhexyl) phthalate. These compounds were characterized as antimicrobials. The research revealed that MS-X isolate had the lowest disease incidence, measuring 44.0%. The MS-X and JCJ-3 isolates showed a reduction in the severity of Stewart's wilt by 52.4%. The capacity of endophytic bacteria to elicit resistance in maize was evidenced by an elevation in phenylalanine ammonia-liase (PAL) activity, particularly in the JCJ-3 and MS-X. However, the PAL activity declined after inoculating the pathogen in maize seedlings, correlating to a plant defense mechanism triggered by endophytic bacteria. The induction of plant resistance through endophytic was detected by enhancing polyphenol oxidase (PPO) activity in plants. Isolates JCJ-2 and MS-X showed the most ability to induce PPO comparing others. The enzymatic activity of these two enzymes serves as a reliable signal of a plant's defense response. This reaction ensures optimal functioning of the enzymes when the plant is subjected to disease infection. The capacity of endophytic bacteria to prevent disease is further substantiated by their role in facilitating the germination and growth of maize. The JCJ-2 isolates enhanced seed germination, stem length, root formation, and inhibition of seedlings abnormality. The molecular identification indicated that isolates JCJ-2 and JCJ-3 were classified as Proteus terrae, having a similarity of 98.15% and 97.25%, respectively. The isolates JCJ-7 and JCB-1 were identified as Alcaligenes faecalis with a similarity of 98.43% and 97.05%, respectively. Similarly, isolate MS-X from South Sumatra was 97.90% similar to Alcaligenes ammonioxydans. Applying EPS at various levels significantly reduced the disease severity. In the case of 200 ppm, however, the prevalence of the disease decreased significantly. There were no significant differences between applying EPS and others to plant growth parameters that consisted of plant height, root length, or fresh weight. The meta-analysis revealed that increasing the concentration of EPS significantly reduced the incidence, severity, and inhibition of the disease. In addition, it was found that increasing the concentration of EPS led to an increase in certain plant defense enzymes such as PAL and PPO. While increasing the concentration of EPS could reduce lipoxygenase (LOX) and superoxide dismutase (SOD) activity and reduce plant height. The analysis results indicate that the optimal concentration of EPS to be applied is 205,1 ppm. Additional investigation is required to accurately investigate the sources and levels of EPS to mitigate any negative effects on plants.