Stabilitas dan Ekspresi Gen FBPase dan CIRan pada Tanaman Kentang (Solanum tuberosum L.) Kultivar IPB CP1 Transgenik

Abstract

Kentang merupakan komoditas pertanian ketiga tertinggi yang dikonsumsi oleh masyarakat dunia. Pada tahun 2023, terjadi peningkatan konsumsi kentang di Indonesia sebesar 12,28%, sementara peningkatan produktivitas kentang hanya sebesar 4,13%. Hal ini menyebabkan defisit ketersediaan kentang yang akhirnya dipenuhi melalui impor. Impor tidak dapat dijadikan solusi jangka panjang karena harga komoditas di pasar domestik sangat bergantung pada nilai tukar uang dan kondisi politik antar negara. Salah satu teknik yang dapat digunakan untuk meningkatkan produktivitas tanaman adalah teknik rekayasa genetika tanaman. Kentang IPB CP1 merupakan salah satu kultivar yang memiliki produktivitas tinggi dan tahan terhadap cekaman biotik. Aplikasi teknik rekayasa genetika terhadap kentang IPB CP1 telah dilakukan melalui introduksi gen FBPase dan ClRan1. Akan tetapi, stabilitas dan ekspresi kedua gen tersebut termasuk pengaruhnya terhadap peningkatan produktivitas di beberapa generasi tanaman belum dilakukan. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan menganalisis stabilitas genetik dan ekspresi gen FBPase dan ClRan1 serta pengaruhnya terhadap produktivitas kentang IPB CP1 transgenik melalui pengamatan terhadap karakter morfologi, fisiologi, dan produktivitas tanaman kentang IPB CP1 transgenik di generasi G0, G1 dan G2. Penelitian ini menggunakan rancangan acak kelompok (RAK) dengan satu faktor, yaitu jenis klon yang terdiri atas 4 klon transgenik (C1FB1, C1FB2, C1FB3, dan C1FB4) dan 1 klon nontransgenik (C1NT). Setiap klon ditanam dengan 5 ulangan (blok) dan setiap ulangan terdiri atas 25 tanaman dari kelima klon. Planlet dari kultivar kentang IPB CP1 diaklimatisasi di rumah kaca selama 2 minggu, lalu ditanam di dalam polybag berdiameter 30 cm dan dilakukan perawatan tanaman hingga panen. Umbi G0 yang dihasilkan dari penanaman planlet ditanam kembali hingga menghasilkan umbi G1 dan G2. Pengamatan dilakukan pada setiap generasi penanaman terhadap integrasi DNA, ekspresi gen FBPase dan ClRan1, kadar klorofil, laju fotosintesis, konduktansi stomata, konsentrasi CO2 interseluler, tinggi tanaman, panjang akar, rasio bobot kering akar-tajuk, luas daun, jumlah daun, jumlah buku, diameter batang, serta jumlah dan bobot umbi. Hasil analisis integrasi DNA menunjukkan bahwa gen FBPase dan ClRan1 telah berhasil menyisip dan diwariskan ke generasi berikutnya, dengan terlihatnya pita DNA dari kedua gen pada generasi G1 dan G2 yang sejajar dengan pita plasmid yang membawa kedua gen. Hal ini mengindikasikan tidak adanya mutasi yang menyebabkan perubahan jumlah pasang basa pada DNA tanaman transgenik. Ekspresi gen FBPase dan ClRan1 menunjukkan peningkatan relatif pada klon transgenik di semua generasi penanaman, yang mengindikasikan bahwa kedua gen tersebut aktif terekspresi pada klon transgenik. Ekspresi gen pada klon C1FB2 di G0 menunjukkan tingkat ekspresi lebih rendah dibandingkan klon nontransgenik, namun kondisi sebaliknya terjadi di G1 dan G2. Hal ini diduga disebabkan adanya pembungkaman gen sementara (transient silencing) di G0 yang umum terjadi saat melakukan penyisipan transgen pada tanaman yang melibatkan promotor kuat, seperti rbcS dan 35S. Hasil pengamatan karakter fisiologis menunjukkan penyisipan gen FBPase dan ClRan1 menghasilkan laju fotosintesis, konduktansi stomata dan konsentrasi CO2 interseluler yang lebih tinggi pada klon transgenik. Disisi lain, kadar klorofil tidak berbeda secara signifikan antar klon pada G0 dan G1, kecuali pada C1FB4. Hasil pengamatan morfologi tanaman kentang IPB CP1 di ketiga generasi menunjukkan perbedaan signifikan pada parameter tinggi tanaman, panjang akar, luas daun dan bobot kering akar-tajuk, yang mana pada klon transgenik lebih tinggi dibandingkan klon nontransgenik. Hal ini sejalan dengan ekspresi gen FBPase dan ClRan1 yang meningkat pada klon transgenik, yang pada akhirnya berpengaruh terhadap parameter pengamatan di atas. Di sisi lain, jumlah daun, jumlah buku dan diameter batang tidak berbeda signifikan antara klon transgenik dan nontransgenik, yang mengindikasikan bahwa sisipan gen FBPase dan ClRan1 tidak berpengaruh terhadap jumlah daun, cabang dan pembesaran batang. Bobot dan jumlah umbi yang dihasilkan pada klon transgenik lebih tinggi dibandingkan klon nontransgenik di semua generasi penanaman. Hal ini mengindikasikan bahwa introduksi gen FBPase dan ClRan1 pada tanaman kentang IPB CP1 menghasilkan peningkatan sintesis fotosintat pada tanaman yang pada akhirnya dialokasikan menuju akar dalam bentuk peningkatan jumlah dan bobot umbi. Di antara klon transgenik, klon C1FB4 menunjukkan bobot dan jumlah umbi paling tinggi dibandingkan klon lainnya. Berdasarkan seluruh hasil pengamatan, introduksi gen FBPase dan ClRan1 pada kentang IPB CP1 berkontribusi positif dalam pertumbuhan dan hasil tanaman, yang dicerminkan pada laju fotosintesis, tinggi tanaman, panjang akar, dan rasio bobot kering akar-tajuk, serta bobot dan jumlah umbi. Di antara klon transgenik, klon C1FB4 menunjukkan karakter terbaik dibandingkan klon lainnya dalam hal hasil umbi, sehingga berpotensi untuk dikembangkan menjadi kentang varietas unggul.

Potatoes are the third-highest agricultural commodity consumed globally. In 2023, potato consumption in Indonesia increased by 12.28%, while productivity growth reached only 4.13%. This discrepancy has led to a supply deficit that is currently being addressed through imports. However, importing cannot serve as a long-term solution because domestic commodity prices are highly sensitive to currency exchange rates and international political conditions. One method to increase productivity is through plant genetic engineering. IPB CP1 is a potato cultivar characterized by high productivity and resistance to biotic stress. While genetic engineering has been applied to IPB CP1 through the introduction of the FBPase and ClRan1 genes, the stability and expression of these genes—as well as their impact on productivity across several plant generations—have not yet been established. Therefore, this study aims to analyze the genetic stability and expression of the FBPase and ClRan1 genes, along with their influence on the productivity of transgenic IPB CP1 potatoes, by observing morphological, physiological, and productivity traits across the G0, G1, and G2 generations. This study employed a randomized block design (RBD) with a single factor, namely clone type, consisting of four transgenic clones (C1FB1, C1FB2, C1FB3, and C1FB4) and one nontransgenic clone (C1NT). Each clone was planted with five replicates (blocks), and each replicate consisted of 25 plants representing all clones. Plantlets of the IPB CP1 potato cultivar were acclimatized in a greenhouse for two weeks before being planted in 30-cm diameter polybags and maintained until harvest. Tubers produced from plantlets (G0) were replanted to obtain G1 and G2 tubers. Observations were conducted in each generation and included DNA integration, expression of FBPase and ClRan1 genes, photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular CO2 concentration, plant height, root length, root-to-shoot dry weight ratio, leaf area, leaf number, node number, stem diameter, as well as tuber number and weight. Gene expression analysis demonstrated relatively increased expression of FBPase and ClRan1 in transgenic clones across all generations, indicating that both genes were actively expressed. The expression level of the C1FB2 clone in G0 was lower than that of the nontransgenic clone; however, the opposite trend was observed in G1 and G2. This phenomenon is presumed to be caused by transient gene silencing, which commonly occurs during transgene insertion involving strong promoters such as rbcS and 35S. Physiological observations revealed that the insertion of FBPase and ClRan1 genes resulted in higher photosynthetic rates, stomatal conductance, and intercellular CO2 concentrations in transgenic clones. In contrast, chlorophyll content did not differ significantly among clones in G0 and G1, except for C1FB4. This result is consistent with the highest expression levels of FBPase and ClRan1 observed in the C1FB4 clone. Morphological observations of IPB CP1 potato plants across all three generations showed significant differences in plant height, root length, leaf area, and root-to-shoot dry weight ratio, with transgenic clones exhibiting higher values than the nontransgenic clone. These results are consistent with increased expression of FBPase and ClRan1 genes in transgenic clones, which ultimately influenced the observed growth parameters. Conversely, leaf number, node number, and stem diameter did not differ significantly between transgenic and nontransgenic clones, indicating that the insertion of FBPase and ClRan1 genes did not affect leaf proliferation, branching, or stem enlargement. The number and weight of tubers produced by transgenic clones were higher than those of the nontransgenic clone across all generations. This indicates that the introduction of FBPase and ClRan1 genes enhanced photosyntate biosynthesis, which was subsequently allocated to the roots in the form of increased tuber number and weight. Among the transgenic clones, C1FB4 produced the highest tuber number and weight. Based on the overall observations, the introduction of FBPase and ClRan1 genes into the IPB CP1 potato variety contributed positively to plant productivity. This was evidenced by the photosynthetic rate, plant height, root length, root-to-shoot dry weight ratio, as well as tuber weight and count. Among the transgenic clones, C1FB4 exhibited the best characteristics compared to others in terms of productivity, indicating its potential for use as a superior potato cultivar.