Analisis Integratif Genom Mitokondria dan Genom Inti Sapi Lokal Indonesia: Identifikasi sapi Bali Tidak Bertanduk (Polled) sebagai Plasma Nutfah Baru

Abstract

RINGKASAN

PASKAH PARTOGI AGUNG. Analisis Integratif Genom Mitokondria dan Genom Inti Sapi Lokal Indonesia: Identifikasi Sapi Bali Tidak Bertanduk (Polled) sebagai Plasma Nutfah Baru. Dibimbing oleh RADEN RORO DYAH PERWITASARI, ACHMAD FARAJALLAH, SYAHRUDDIN SAID, dan EKAYANTI MULYAWATI KAIIN.

Indonesia merupakan salah satu negara megadiversitas dengan kekayaan plasma nutfah ternak yang melimpah. Namun, sebagian besar rumpun sapi lokal Indonesia belum terdokumentasi secara komprehensif dari sisi genetik. Keterbatasan informasi ini menjadi kendala dalam perumusan strategi konservasi dan pemuliaan berbasis data ilmiah. Penelitian ini bertujuan untuk mengkarakterisasi keragaman genetik sapi lokal Indonesia, dengan fokus khusus pada sapi Bali tidak bertanduk (polled), melalui pendekatan genom integratif yang mencakup analisis gen Cyt-b, ND1, mitogenom lengkap, dan whole-genome sequencing DNA inti. Analisis gen Cyt-b menggunakan metode PCR-RFLP pada 336 sampel dari berbagai rumpun sapi menunjukkan polimorfisme dengan enam alel terdeteksi, termasuk alel X yang berpotensi menjadi penanda molekuler pembeda sapi Bali dan Banteng. Analisis PCA menegaskan isolasi genetik Banteng–Bali dibandingkan rumpun lain, sementara rumpun Madura, PO, Pasundan, Pesisir, dan SO membentuk klaster yang berdekatan. Kajian gen ND1 pada 144 sampel memperlihatkan 56 situs polimorfik dan 18 haplotipe (Hd=0,743; p=0,036), serta beberapa substitusi asam amino spesifik. Temuan haplotipe unik pada Bali tidak bertanduk mengindikasikan adanya diferensiasi maternal, meskipun perbedaan fenotipik belum sepenuhnya dapat dijelaskan oleh keragaman yang ditemukan. Karakterisasi mitogenom lengkap menggunakan teknologi long-read sequencing mengidentifikasi haplotipe unik pada sapi Bali tidak bertanduk, sekaligus mendokumentasikan fenomena tambahan berupa duplikasi fragmen DNA pada sapi Pasundan dan keragaman SNP yang sangat tinggi pada sapi Sumba Ongole. Analisis whole-genome sequencing DNA inti memberikan resolusi genetik tertinggi dalam mengidentifikasi variasi genom pada sapi Bali bertanduk dan tidak bertanduk dengan perakitan genom berkualitas tinggi (~2,6 Gb, cakupan >94%, kelengkapan gen >95%). Terdapat SNP dan indel spesifik yang hanya ditemukan pada sapi Bali tidak bertanduk yang merupakan high impact variant pada beberapa gen. Variasi ini berpotensi menjadi kandidat marker molekuler untuk membedakan antara sapi Bali tidak bertanduk dan sapi Bali bertanduk. Pendekatan bertingkat menunjukkan bahwa semakin luas cakupan genom yang dianalisis, semakin tinggi resolusi informasi genetik yang diperoleh. Analisis DNA mitokondria berhasil mengungkap keragaman maternal dan haplotipe khas sapi Bali tidak bertanduk, sedangkan analisis genom inti mengidentifikasi variasi spesifik yang lebih berpotensi mendasari sifat tidak bertanduk. Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bahwa integrasi informasi genom mitokondria dan genom inti mampu memberikan karakterisasi genetik yang lebih komprehensif terhadap sapi lokal Indonesia, sekaligus mengidentifikasi kandidat variasi genom inti yang berpotensi berkaitan dengan sifat tidak bertanduk pada sapi Bali.

SUMMARY

PASKAH PARTOGI AGUNG. Integrative Analysis of Mitochondrial and Nuclear Genomes of Indonesian Local Cattle: Identification of Polled Bali Cattle as a New Genetic Resource. Supervised by RADEN RORO DYAH PERWITASARI, ACHMAD FARAJALLAH, SYAHRUDDIN SAID, and EKAYANTI MULYAWATI KAIIN.

Indonesia, a megadiverse nation, boasts rich livestock genetic resources. However, many indigenous cattle breeds are poorly documented genetically, which hampers the creation of effective conservation and breeding plans. This research focused on analyzing the genetic diversity of Indonesian local cattle, particularly polled Bali cattle, through a comprehensive approach that included Cyt-b and ND1 genes, full mitogenome, and whole-genome sequencing (WGS) of nuclear DNA. Analysis of the Cyt-b gene using PCR-RFLP on 336 samples revealed polymorphism with six alleles, including allele X, which was identified as a potential molecular marker to distinguish Bali cattle from Banteng. PCA analysis confirmed the genetic separation of Bali–Banteng from other breeds, while Madura, PO, Pasundan, Pesisir, and SO formed a close cluster. ND1 analysis of 144 samples found 56 polymorphic sites and 18 haplotypes (Hd=0,743; p=0,036), with specific amino acid substitutions differentiating horned and polled Bali cattle. A unique haplotype in polled Bali cattle supported maternal differentiation, though phenotypic differences could not be fully explained by mitochondrial variation. Comprehensive characterization of the mitogenome through long-read sequencing revealed a unique haplotype in polled Bali cattle as the key discovery. Additional findings included a 749 bp duplication in Pasundan cattle and exceptionally high SNP diversity in Sumba Ongole cattle. Nuclear genome sequencing offered detailed resolution, with assemblies around 2,6 Gb, over 94% coverage, and more than 95% gene completeness. Variant analysis showed distinct distributions of unique single nucleotide polymorphisms (SNPs) and homopolymer indels between horned and polled Bali cattle. Several high impact variants were exclusively identified in polled Bali cattle across multiple genes. These variants may serve as potential candidate molecular markers for distinguishing polled Bali cattle from horned Bali cattle. The multi-level analytical approach demonstrated that increasing genomic coverage substantially improved the resolution of genetic characterization. While mitochondrial genome analyses successfully elucidated maternal genetic diversity and identified a characteristic haplotype in polled Bali cattle, nuclear genome analysis revealed genetic variants more likely to underlie the hornless phenotype. Overall, this study demonstrates that integrating mitochondrial and nuclear genomic information provides a more comprehensive characterization of the genetic diversity of Indonesian indigenous cattle and identifies candidate nuclear genomic variants potentially associated with the polled trait in Bali cattle.