Pemanfaatan Marka SNAP Berbasis Gen SiDREB2 dalam Studi Genetik Tiga Populasi F2 Hotong [Setaria italica (L.) Beauv]

Abstract

Foxtail millet [Setaria italica (L.) Beauv] atau yang dikenal dengan hotong memiliki potensi sebagai pangan fungsional karena memiliki indeks glikemik rendah, kandungan gizi tinggi, berpotensi sebagai antioksidan, antihiperglikemik, antikolesterol dan antihipertensi. Keunggulan lain dari hotong adalah adaptasinya pada lingkungan marginal, seperti pada lahan kering dan lahan salin. Penapisan toleransi hotong terhadap cekaman salinitas dan kekeringan telah dilakukan dan dilanjutkan dengan pengembangan marka single nucleotide amplified polymorphism (SNAP) berbasis SiDREB2. Marka SNAP berbasis gen SiDREB2 dikembangkan berdasarkan variasi satu basa pada nukleotida ke-558 gen SiDREB2, di mana alel A mengindikasikan genotipe toleran dan alel G mengindikasikan genotipe peka terhadap cekaman kekeringan atau salinitas. Semua penelitian tersebut diarahkan untuk menghasilkan varietas hotong unggul dengan ideotipe produktivitas tinggi, umur berbunga cepat, habitus tanaman tidak terlalu tinggi, serta memiliki toleransi yang baik terhadap cekaman kekeringan dan/atau salinitas. Genotipe koleksi Balitsereal, ICERI-5 dan ICERI-6, teridentifikasi memiliki habitus pendek, waktu panen cepat, dan toleran terhadap kekeringan serta salinitas akan tetapi potensi produktivitasnya rendah. Sejumlah genotipe lainnya, termasuk Botok-4 dan Botok-10, teridentifikasi memiliki potensi produktivitas tinggi, akan tetapi habitus tanaman tinggi, waktu panen lama dan diduga peka terhadap cekaman kekeringan dan/atau salinitas. Penggabungan sifat-sifat unggul melalui persilangan genotipe ICERI-5 atau ICERI-6 dengan Botok-4 atau Botok-10 merupakan salah satu pendekatan untuk menghasilkan varietas unggul hotong dengan ideotipe yang diharapkan. Penelitian ini terdiri atas dua percobaan. Tujuan dari percobaan pertama adalah mempelajari keragaman genetik, pola pewarisan sifat atau aksi gen, korelasi antar karakter, serta mengestimasi besarnya nilai heritabilitas arti luas dan nilai duga kemajuan seleksi dari tiga populasi F2 hotong. Materi genetik yang digunakan yaitu empat genotipe hotong tetua, tiga populasi persilangan hotong yaitu Botok 4 x ICERI-5, Botok 4 x ICERI-6, dan Botok 10 x ICERI-5, dan empat genotipe pembanding (Hambapraing, Toraja, Mauliru and NTB-1). Hasil percobaan menunjukkan bahwa ketiga populasi F2 memiliki nilai tengah yang lebih baik daripada salah satu atau kedua genotipe tetuanya, serta menunjukkan adanya keragaman genetik yang tinggi. Populasi Botok-4 x ICERI-5 dan Botok-10 x ICERI-5 memiliki lebih banyak segregan transgresif putatif untuk karakter umur berbunga dan tinggi tanaman, sedangkan populasi Botok-4 x ICERI-6 memiliki lebih banyak segregan transgresif putatif untuk karakter bobot biji per tanaman. Aksi gen aditif mempengaruhi hampir semua karakter yang diamati pada tiga populasi F2. Berdasarkan uji korelasi, karakter umur berbunga dan tinggi tanaman memiliki korelasi positif nyata dengan bobot biji per tanaman. Nilai heritabilitas ketiga karakter target beragam, meliputi rendah, sedang, dan tinggi. Karakter-karakter tersebut dapat digunakan sebagai karakter seleksi, sehingga indeks seleksi terboboti dengan persamaan = – umur berbunga – tinggi tanaman + (3 x bobot biji per tanaman) diperlukan dalam seleksi individu F2. Nilai indeks seleksi dari 10 individu tertinggi pada ketiga populasi F2 hotong lebih tinggi daripada kedua genotipe tetuanya maupun genotipe pembanding. Intensitas seleksi sebesar 10% diterapkan untuk mengestimasi nilai duga kemajuan seleksi. Berdasarkan nilai duga kemajuan seleksi, populasi F2 hasil persilangan Botok-4 x ICERI-6 merupakan populasi potensial untuk dikembangkan karena memiliki penurunan nilai umur berbunga dan tinggi tanaman serta peningkatan bobot biji per tanaman pada generasi selanjutnya yang lebih baik dibandingkan kedua populasi yang lain. Percobaan kedua bertujuan untuk mengidentifikasi individu-individu generasi F2 toleran cekaman kekeringan dan/atau salinitas berbantu marka SNAP berbasis gen SiDREB2, mengestimasi nilai duga kemajuan seleksi populasi F2 hotong berdasarkan seleksi indeks terboboti berbantu marka, dan menduga pola segregasi gen SiDREB2. Materi genetik yang digunakan pada percobaan ini adalah 505 individu F2 hasil persilangan Botok-4 x ICERI-6 yang teridentifikasi sebagai populasi potensial pada percobaan satu. Hasil percobaan menunjukkan terdapat 134 individu F2 memiliki genotipe AA, 166 individu dengan genotipe AG, dan 105 individu dengan genotipe GG. Berdasarkan nilai duga kemajuan seleksi dengan intensitas seleksi sebesar 10% pada 14 individu F2 yang berhasil diidentifikasi genotipenya menggunakan marka SNAP, diharapkan terjadi penurunan nilai umur berbunga dan tinggi tanaman, serta peningkatan bobot biji per tanaman pada generasi selanjutnya yang sesuai dengan tujuan pemuliaan hotong. Nisbah fenotipe generasi F2 hotong persilangan Botok 4 x ICERI-6 mengikuti nisbah Mendel 3:1 dengan alel A sebagai alel dominan, dimana karakter toleransi terhadap terhadap cekaman kekeringan dan/atau salinitas pada populasi F2 hotong dikendalikan oleh satu pasang gen dengan aksi gen aditif. Hasil uji anova menunjukkan bahwa variasi pada basa ke-558 gen SiDREB2 tidak berpengaruh nyata terhadap karakter yang diamati pada kondisi tanpa cekaman. Informasi pola pewarisan sifat atau aksi gen, korelasi antar karakter dan nilai heritabilitas arti luas disertai informasi toleransi cekaman kekeringan dan/atau salinitas pada ketiga populasi persilangan F2 hotong membantu dalam menentukan metode pemuliaan dan seleksi pada program pemuliaan tanaman hotong. Metode pemuliaan tanaman pedigree yang dikombinasikan dengan marker assisted selection dapat diterapkan pada program pemuliaan tanaman hotong dengan penggunaan intensitas seleksi sebesar 10%. Metode seleksi indeks terboboti dapat digunakan dalam proses pemilihan individu-individu hotong untuk diteruskan pada generasi selanjutnya.

Foxtail millet [Setaria italica (L.) Beauv] has the potential to be a functional food due to its low glycemic index, high nutritional content, and potential as an antioxidant, antihyperglycemic, anticholesterol, and antihypertensive. Another advantage of foxtail millet is its tolerance to marginal conditions such as drought and salinity stresses. Screening for tolerance of foxtail millet to salinity and drought stress, followed by the development of single nucleotide amplified polymorphism (SNAP) markers based on SiDREB2. The SNAP marker based on the SiDREB2 gene was developed based on one base variation in the 558th nucleotide of the SiDREB2 gene, where the A allele indicated a tolerant genotype to drought stress or salinity and the G allele indicated a sensitive genotype. All of these studies are part of attempts to develop a superior foxtail millet variety with high productivity, short stature, early maturity, and tolerance to drought or salinity stress. The Balitsereal genotypes ICERI-5 and ICERI-6 were identified as having a short stature, early maturity, and tolerance to drought or salinity stresses, but low productivity. Other genotypes, including Botok-4 and Botok-10, were identified as having tall stature, and high productivity, but late maturity, and were predicted to be sensitive to drought or salinity stresses. Combining superior traits through crosses of ICERI-5 or ICERI-6 genotypes with Botok-4 or Botok-10 is one approach to producing foxtail millet superior varieties with the expected ideotypes. This research consists of two experiments. This first experiment aimed to analyze genetic diversity, obtain information on inheritance or gene action, correlation between traits, estimate broad-sense heritability, and predict the selection response of three foxtail millet F2 populations. The genetic materials utilized included four parental genotypes, three foxtail millet cross populations, namely Botok 4 x ICERI-5, Botok 4 x ICERI-6, and Botok 10 x ICERI-5, and four check genotypes (Hambapraing, Toraja, Mauliru and NTB-1). The experimental results showed that the three F2 cross populations had a higher mean than one or both of the parental genotypes, also indicating high genetic diversity. The Botok-4 x ICERI-5 and Botok-10 x ICERI-5 populations showed more putative transgressive segregation for heading time and plant height traits, whereas the Botok-4 x ICERI-6 population showed more putative transgressive segregation for grain weight per plant trait. Additive gene action affects almost all the characters observed in the three F2 populations, except the flag leaf width trait in the Botok-4 x ICERI-6 and Botok-10 x ICERI-5 populations which were affected by additive gene action. Based on the correlation analysis, the heading time and plant height traits significantly correlated with grain weight per plant. The broad sense heritability values of the three targeted traits are low, moderate, and high. These traits can be used as selection traits so that a weighted selection index method with the equation = – heading time – plant height + (3 x grain weight per plant) is required in the selection of F2 individuals. The selection index values of the top ten individuals in the three F2 populations were higher than those of the parental and check genotypes. The estimated value of the selection response was calculated using a selection intensity of 10%. Based on the estimated value of the selection response, the Botok-4 x ICERI-6 population has the potential for further development because it is expected to have a lower heading time and plant height also a higher grain weight per plant in the next generation than the other two populations. The second experiment aimed to identify the drought and/or salinity tolerance of foxtail millet F2 individuals using the SNAP marker based on the SiDREB2 gene, predicted selection response of the F2 population based on marker-assisted weighted index selection, and predict the segregation pattern of the SiDREB2 gene. The genetic material used in this experiment was 505 plants from the Botok-4 x ICERI-6 population, identified as a potential population in experiment one. The experiment results showed that 134 F2 individuals had the AA genotype, 166 had the AG genotype, and 105 had the GG genotype. Based on the estimated value of selection response with a selection intensity of 10% on 14 F2 individuals whose genotypes were identified using SNAP markers, it is expected that there will be a decrease in the values of heading time and plant height, as well as an increase in grain weight per plant in the next generation which is in line with the objectives of the foxtail millet breeding program. The phenotype ratio of the F2 foxtail millet from Botok 4 x ICERI-6 cross was fit with the Mendelian 3:1 ratio with the A allele as the dominant allele, where tolerance to drought stress and/or salinity in the F2 foxtail millet population was controlled by one pair of genes with additive gene action. The ANOVA test results showed that the plant genotype of the SiDREB2 gene had no significant effect on the observed traits under no-stress conditions. Information on inheritance or gene action, correlations between traits, and broad heritability values with information on tolerance to drought and/or salinity stresses on three foxtail millet F2 populations assist in determining breeding and selection methods in foxtail millet breeding programs. The pedigree plant breeding method combined with marker-assisted selection can be utilized in foxtail millet breeding programs with a selection intensity of 10%. The weighted index selection can be used to choose foxtail millet individuals to be continued in the next generation.