Karakterisasi Tanaman Kayu Bawang pada Sistem Agroforestri di Bengkulu: Nama Jenis, Kualitas Kayu, dan Profil Metabolit

Abstract

Kayu bawang merupakan kayu unggulan lokal di Provinsi Bengkulu. Budidaya kayu bawang telah lama dilakukan dengan teknik silvikultur sederhana dengan sistem tanam agroforestri dan monokultur di hutan rakyat. Kayu bawang memiliki nilai ekonomi tinggi karena memiliki kayu kelas awet yang baik. Oleh karena itu, perlu melakukan karakterisasi tanaman kayu bawang pada sistem agroforestri di Bengkulu untuk merancang strategi pengembangan hutan rakyat kayu bawang yang berkualitas dan berkelanjutan. Secara khusus, tujuan penelitian adalah (1) memverifikasi nama ilmiah tanaman kayu bawang berdasarkan morfologi dan genom kloroplas dengan menggunakan gen penanda rbcL, (2) menganalisis pengaruh ordo tanah dan sistem tanam terhadap keragaan dan sifat fisis kayu pada tegakan kayu bawang, dan (3) menganalisis profil metabolit dari daun, kayu, dan kulit kayu pohon kayu bawang dengan menggunakan LC-MS/MS. Nama ilmiah kayu bawang dalam beberapa referensi bervariasi seperti Protium javanicum Burm f., Dysoxylum mollissimum Blume, dan Azadirachta excelsa (Jack) Jacobs sehingga perlu verifikasi nama ilmiah untuk kepastian taksonomi. Verifikasi nama ilmiah dilakukan dengan mengintegrasikan identifikasi morfologi dan teknologi molekuler. Identifikasi morfologi spesimen herbarium dari tegakan benih teridentifikasi (TBT) Talang Boseng (TBT-A), Penyangkak (TBT-K), dan Batu Ampar (TBT-S) serta pencocokan dengan Herbarium Bogoriense adalah A. excelsa. Oxford Nanopore Technologies (ONT) berhasil mensekuensing genom kloroplas parsial TBT-A dengan panjang 58.780 bp yang terdiri dari 61 gen, TBT-K dengan panjang 142.139 bp yang terdiri dari 106 gen, dan TBT-S dengan panjang 84.906 bp yang terdiri dari 77 gen. Analisis filogenetik menggunakan gen rbcL dari setiap TBT dan hasil BLASN menunjukkan bahwa kayu bawang adalah A. excelsa. Berdasarkan hasil identifikasi morfologi dan molekuler menunjukkan bahwa nama ilmiah kayu bawang adalah A. excelsa yang termasuk famili Meliaceae. Karakteristik keragaan dan sifat fisis kayu yang dikaji pada tegakan kayu bawang yang ditanam pada ordo meliputi inceptisol (I) dan ultisol (U) dengan sistem tanam meliputi kayu bawang agroforestri dengan tanaman berakar tunggang (AF1), kayu bawang agroforestri dengan tanaman berakar serabut (AF2), dan kayu bawang monokultur (M). Hasil analisis sidik ragam menunjukkan bahwa ordo tanah tidak berpengaruh terhadap variabel keragaan, penetrasi pilodyn, dan sifat fisis kayu. Sistem tanam hanya berpengaruh nyata terhadap keragaan dan penetrasi pilodyn. Interaksi ordo tanah dan sistem tanam hanya berpengaruh nyata terhadap penetrasi pilodyn. Principal component analysis (PCA) biplot menunjukkan bahwa tegakan kayu bawang pada kombinasi IAF1, IAF2, dan UAF1 memiliki keragaan yang lebih baik dibandingkan UAF2, IM, dan UM. Namun demikian, pada setiap kombinasi tempat tumbuh memiliki sifat fisis kayu yang tidak berbeda dengan rata-rata kadar air sebesar 56,9 ? 12,55%, kerapatan sebesar 0,82 ? 0,07 g/cm3, dan berat jenis dasar 0,52 ? 0,05 (kelas kuat III). Pendugaan kualitas kayu dengan kedalaman penetrasi pilodyn dapat dihubungkan dengan berat jenis. Kedalaman penetrasi pilodyn pada kayu dengan berat jenis ? 0,5 adalah ? 25,64 mm. Pemisahan dan identifikasi metabolit secara putatif dari daun, kayu, dan kulit kayu dari pohon kayu bawang dengan menggunakan LC-MS/MS dengan pendekatan untargeted berhasil mengidentifikasi 500 senyawa. Terdapat 46 senyawa metabolit dengan pola fragmentasi MS2 yang telah terkonfirmasi. Tujuh belas metabolit teridentifikasi hanya dalam daun, 12 metabolit hanya dalam kayu, 2 metabolit hanya dalam kulit kayu, 2 metabolit dalam ekstrak daun dan kayu, 3 metabolit dalam ekstrak kayu dan kulit kayu, 6 metabolit dalam ekstrak daun dan kulit kayu, dan 4 metabolit dalam semua bagian. PCA biplot menunjukkan bahwa daun, kayu, dan kulit kayu dapat dikelompokkan berdasarkan kandungan metabolitnya. Metabolit tersebut terdiri dari golongan flavonoid (dominan dalam daun), terpenoid (dominan dalam kayu dan kulit kayu), serta sedikit organic acid, alkaloid, coumarin. Metabolit penciri dalam daun adalah quercitrin, myrictrin, dan 3 senyawa yang belum terkonfirmasi (145,073 m/z, 452,218 m/z, dan 466,197 m/z), dalam kayu adalah nimbionone dan margolone, dalam kulit kayu adalah gedunin deacetyl-, 6-desacetylnimbin, nimbin, gedunin. Metabolit penciri dari daun, kayu dan kulit kayu dapat berpotensi sebagai insektisida biologis dan obat. Berdasarkan karakteristik fisat fisis kayu menunjukkan bahwa ordo inceptisol lebih subur daripada ultisol. Perbedaan kondisi tempat tumbuh tidak berpengaruh terhadap sifat fisis kayu. Kaya bawang memiliki kelas kuat III pada berbagai kondisi tempat tumbuh yang diamati. Peningkatan kualitas kayu dapat dilakukan dengan meningkatkan kelimpahan metabolit yang memiliki aktivitas biologi sebagai insektisida dan antifedant terhadap organisme perusak kayu. Peningkatan kelimpahan 6-desacetylnimbin dapat meningkatkan keawetan kayu. Oleh karena itu, perlu dilakukan sekuensing yang mendalam untuk menghasilkan genom kayu bawang yang lengkap yang dapat digunakan untuk analisis keragaman genetik dan mengidentifikasi gen-gen yang berperan pada jalur biosintesis terpenoid yang dapat memproduksi 6-desacetylnimbin. Selain itu, perlu dilakukan penelitian terkait faktor kondisi lingkungan yang dapat mempengaruhi kelimpahan metabolit target. Pemuliaan tanaman kayu bawang untuk mendapatkan kayu dengan kelas awet tinggi dan mengandung metabolit penciri berpotensi merupakan salah satu strategi penting dalam pengembangan dimasa depan.

Kayu bawang is a local premium timber in Bengkulu Province. The cultivation of kayu bawang has long been practiced using simple silvicultural techniques with agroforestry and monoculture systems in community forests. Kayu bawang has a high economic value because it has wood with an excellent durability class. Therefore, it is necessary to characterize kayu bawang plants in agroforestry systems in Bengkulu to design a strategy for developing quality and sustainable kayu bawang community forests. Specifically, the objectives of the study were (1) to verify the scientific name of the kayu bawang plant based on morphology and the chloroplast genome using the rbcL marker gene, (2) to analyze the effect of soil orders and planting systems on the performance and wood physical properties in kayu bawang stands, and (3) to analyze the metabolite profile of the leaves, wood, and bark of the kayu bawang tree using LC-MS/MS. The scientific name of kayu bawang in several references varies, including Protium javanicum Burm f., Dysoxylum mollissimum Blume, and Azadirachta excelsa (Jack) Jacobs necessitating verification for taxonomic certainty. This verification was conducted by integrating morphological identification and molecular technology. Morphological identification of herbarium specimens from identified seed stands (TBT) Talang Boseng (TBT-A), Penyangkak (TBT-K), and Batu Ampar (TBT-S) matched with Herbarium Bogoriense, identified as A. excelsa. Oxford Nanopore Technologies (ONT) successfully sequenced the partial chloroplast genome of TBT-A with a length of 58,780 bp containing 61 genes, TBT-K with a length of 142,139 bp containing 106 genes, and TBT-S with a length of 84,906 bp containing 77 genes. Phylogenetic analysis using the rbcL gene from each TBT and BLASN results showed that kayu bawang is A. excelsa. Based on morphological and molecular identification results, the scientific name of kayu bawang is A. excelsa, which belongs to the Meliaceae family. The characteristics of performance and wood physical properties of kayu bawang stands were assessed on soil including inceptisol (I) and ultisol (U) with planting systems including agroforestry with taproot plants (AF1), agroforestry with fiber-rooted plants (AF2), and monoculture (M). The results of variance analysis showed that soil orders did not affect the performance, pilodyn penetration, and wood physical properties. The planting systems significantly affected performance and pilodyn penetration. The interaction of soil orders and planting systems significantly affected the pilodyn penetration. The principal component analysis (PCA) biplot showed that kayu bawang stands in the combination of IAF1, IAF2, and UAF1 had better performance compared to UAF1, UAF2, IM, and UM. However, the wood physical properties in each combination of growing sites did not differ, with an average moisture content of 56.9 ± 12.55 %, a density of 0.82 ± 0,07 g/cm3, and a basic specific gravity of 0.52 ± 0.05 (strength class III). Estimating wood quality by pilodyn penetration depth can be related to specific gravity. Pilodyn penetration depth in wood with a specific gravity of ? 0.5 is ? 25.64 mm. Separation and putative identification metabolites from the leaves, wood, and bark of kayu bawang trees using LC-MS/MS with an untargeted approach identified 500 compounds. There were 46 metabolites with confirmed MS2 fragmentation patterns. Seventeen metabolites were identified only in leaves, 12 only in the wood, 2 only in the bark, 2 in both leaf and wood extracts, 3 in both wood and bark extracts, in leaf and bark extracts, and 4 in all parts. The PCA biplot showed that leaves, wood, and bark could be grouped based on metabolites content. The metabolites consisted of flavonoids (dominant in leaves), terpenoids (dominant in wood and bark), and small amounts of organic acids, alkaloids, and coumarins. Marker metabolites in leaves are quercitrin, myrictrin, and three unidentified compounds (145.073 m/z, 452.218 m/z, and 466.197 m/z), in wood they are nimbionone and margolone, in bark they are gedunin deacetyl-, 6-desacetylnimbin, nimbin, gedunin. Marker metabolites from leaves, wood, and bark may have the potential to be biological insecticides and medicines. The physical characteristics of the wood show that the inceptisol order is more fertile than ultisol. Differences in growing conditions do not affect the physical properties of the wood. Kayu bawang has strong class III rating in various observed growing conditions. Improving wood quality can be achieved by increasing the abundance of metabolites that have biological activity as insecticides and antifedants against wood-destroying organisms. Increasing the abundance of 6-desacetylnimbin can enhance the wood’s durability. Therefore, in-depth sequencing is needed to produce a complete kayu bawang genome that can be used for genetic diversity analysis and to identify genes involved in the terpenoid biosynthetic pathway that can produce 6-desacetylnimbin. Additionally, research needs to be conducted on environmental conditions and factors that can affect the abundance of target metabolites. Breeding kayu bawang plants to obtain wood with a high durability class and containing potential characterizing metabolites is a crucial strategy for future development.