Disertasi a.n Retno Diah Setiowati (A2603221008)

Abstract

Kelapa sawit (Elaeis guineensis Jacq.) merupakan komoditas strategis penyumbang devisa nasional terbesar selain minyak bumi dan gas. Produktivitas kelapa sawit sangat terkait dengan aspek budi daya, terutama pemupukan. Kelangkaan pupuk, mahalnya biaya pupuk dan pemupukan serta isu penurunan kualitas lingkungan akibat residu pupuk pada perkebunan kelapa sawit merupakan tantangan utama dalam industri kelapa sawit. Kalium merupakan salah satu unsur makro esensial yang penting dalam produksi kelapa sawit. Kalium dibutuhkan oleh kelapa sawit dalam jumlah yang banyak dan perannya tidak tergantikan oleh unsur hara lain, selain itu harga pupuk kalium juga relatif lebih mahal dibanding pupuk lain dan aksesnya relatif sulit karena sangat bergantung pada impor. Hal ini menjadikan pupuk kalium salah satu titik kritis dalam pencapaian produksi kelapa sawit. Kultur teknis yang tepat dibarengi penggunaan bahan tanaman unggul merupakan upaya yang dapat dilakukan untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Bahan tanaman kelapa sawit yang efisien hara kalium (Kalium Use Efficiency) diharapkan dapat menjadi alternatif solusi untuk mendapatkan produksi yang tinggi dengan biaya yang lebih efisien sekaligus turut berpartisipasi dalam memelihara kesehatan lingkungan. Penelitian ini terdiri atas tiga percobaan yang mencakup analisis pertumbuhan bibit, analisis metabolit (metabolomik), dan analisis ekspresi gen. Percobaan pertama (analisis pertumbuhan) bertujuan mendapatkan data pertumbuhan bibit dan indeks efisiensi yang dapat digunakan sebagai dasar pemilihan progeni kontras yang paling efisien dan tidak efisien hara kalium. Percobaan pertama berhasil mengidentifikasi kandidat progeni yang efisien dan tidak efisien hara kalium. Penilaian terhadap progeni kontras diputuskan dengan mempertimbangkan indikator dari berbagai parameter yang meliputi parameter pertumbuhan, biomassa bibit, serapan hara, dan penilaian efisiensi. Parameter pertumbuhan seperti tinggi tanaman, jumlah daun, dan diameter batang dijadikan dasar pertimbangan karena parameter ini merupakan informasi yang paling mudah diamati secara visual. Parameter biomassa, serapan hara, dan indeks efisiensi diperlukan untuk memastikan kaitan perkembangan tanaman dengan kemampuan tanaman dalam mengambil dan memanfaatkan kalium. Parameter pertumbuhan, kandungan hara, dan serapan hara tidak secara tegas menunjukkan progeni yang paling efisien, namun dapat mengidentifikasi secara jelas progeni yang tidak efisien. Percobaan dilakukan dengan memberikan perlakuan pemupukan kalium yang berbeda yaitu P0 (perlakuan dengan 0% K), P1 (perlakuan dengan 100% K), P2 (perlakuan dengan 75% K), dan P3 (perlakuan dengan 50% K) terhadap enam progeni yaitu V1 - V6 (progeni 1 hingga progeni 6). Parameter efisiensi menunjukkan progeni yang potensial efisien kalium, namun tidak mengacu pada salah satu progeni yang efisien dalam berbagai parameter efisiensi. Penggunaan skoring dengan metode normalisasi merupakan salah satu pendekatan yang dapat digunakan untuk memutuskan progeni yang efisien dan progeni yang tidak efisien. Pendekatan normalisasi indeks skoring menunjukkan Progeni V4 terindikasi efisien secara agronomis dan Progeni V6 terindikasi efisien secara internal, sedangkan Progeni V5 terindikasi inefisien. Kajian metabolomik bertujuan untuk mengetahui metabolit yang dihasilkan oleh bibit kelapa sawit yang berada dalam cekaman kekurangan hara kalium. Metabolit yang ditemukan diproduksi secara unik pada sampel progeni yang efisien dan tidak efisien diharapkan dapat digunakan sebagai penanda biologis (biomarka). Sampel untuk analisis metabolit adalah hasil dari percobaan 1 yaitu Progeni V6 sebagai progeni yang efisien dan Progeni V5 sebagai progeni inefisien dengan jumlah masing-masing sebanyak tiga tanaman sebagai ulangan biologis. Data kelimpahan atau penurunan jumlah metabolit tertentu pada sampel bibit kelapa sawit yang diberi perlakuan cekaman kalium merupakan informasi penting dalam mempelajari mekanisme pertahanan bibit kelapa sawit yang tercekam defisiensi kalium. Percobaan kedua berhasil mengidentifikasi Echinenone, Stearic acid, Zingerol, Violaxanthin, Chlorophyll b, Antheraxanthin, Eleoastearic acid, Violaxanthin, pada daun sebagai kandidat biomarka pada daun. Senyawa-senyawa Maleamate, Piceatannol, Choline, Anilic acid, DL Arginine, Cathecine, Furfural dan Citric acid merupakan kandidat metabolit pembeda (biomarka) yang ditemukan pada akar sampel bibit kelapa sawit yang efisien kalium Analisis ekspresi gen bertujuan mempelajari tingkat ekspresi gen-gen dengan pendekatan quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction (qRT-PCR) yang terkait dengan penyerapan, mobilisasi, dan penggunaan kalium. tingkat ekspresi gen-gen yang terkait kalium diduga berdasarkan nilai cycle threshold (CT), yaitu banyaknya jumlah siklus yang melampaui ambang terdeteksi. Gen-gen yang terlibat seperti gen-gen transporter dan gen Putrescine digunakan untuk mengarakterisasi hasil transkripsi dari sampel tanaman yang efisien dan tidak efisien dari hasil percobaan pertama. Progeni V5 dan V6 dipilih sebagai sampel untuk analisis ekspresi gen mewakili kelompok progeni yang inefisien dan efisien berdasarkan hasil dari percobaan satu. Analisis gen menggunakan primer KUP8 dan GORKAT menunjukkan ekspresi yang signifikan membedakan sampel yang efisien dari yang inefisien saat diberi perlakuan rendah kalium sehingga berpotensi untuk dikembangkan lebih lanjut sebagai marka seleksi. Hasil dari ketiga percobaan memberikan informasi bahwa pertumbuhan morfologi semata tidak cukup untuk menentukan progeni yang efisien kalium. Penggabungan karakter morfologi dengan parameter efisiensi dapat membantu mengarahkan penentuan progeni kontras namun dengan pertimbangan dan kriteria yang ketat karena tidak ada progeni yang secara statistik dinyatakan efisien ataupun tidak efisien. Metabolit yang terekspresi secara berbeda membantu melengkapi informasi mekanisme efisiensi pada bibit kelapa sawit saat menghadapi cekaman kalium. Ekspresi yang berbeda pada gen yang dianalisis menggambarkan pengaturan yang dimiliki bibit kelapa sawit untuk mempertahankan kondisi yang optimal saat terpapar kalium dalam dosis 50% dari rekomendasi

Oil palm (Elaeis guineensis Jacq.) is a strategic commodity, the largest contributor to national foreign exchange, alongside oil and gas. Palm oil productivity is closely linked to agricultural practices, particularly fertilization. Fertilizer scarcity, the high cost of fertilizers and fertilization, and the issue of environmental degradation due to fertilizer residues in oil palm plantations are major challenges in the oil palm industry. Potassium is one of the essential macronutrients important in oil palm production. Potassium is needed by oil palms in large quantities and its role is irreplaceable by other nutrients. In addition, the price of potassium fertilizer is also relatively expensive compared to other fertilizers and hardly accessible due to dependently to import. This makes potassium fertilizer one of the critical points in achieving oil palm production. Appropriate technical culture accompanied by the use of superior plant materials are efforts that can be done to obtain maximum results. Oil palm plant materials that are efficient in potassium nutrients (Potassium Use Efficiency) are expected to be an alternative solution to achieve high production at a more efficient cost while also participating in maintaining environmental health. This study consisted of three experiments, including seedling growth analysis, metabolite analysis (metabolomics), and gene expression analysis. The first experiment (growth analysis) aimed to obtain seedling growth data and efficiency indices that could be used as a basis for selecting the most and least efficient K-nutrient-efficient contrasting progenies. The first experiment successfully identified candidate K-nutrient-efficient and -inefficient progenies. The assessment of the contrasting progenies was determined by considering indicators from various parameters, including growth parameters, seedling biomass, nutrient uptake, and efficiency assessment. Morphology, nutrient content, and nutrient uptake parameters did not clearly indicate the most efficient progeny, but they could clearly identify the least efficient progeny. The experiment was conducted by applying different kalium fertilization treatments: P0 (treatment with 0% kalium), P1 (treatment with 100% kalium), P2 (treatment with 75% kalium), and P3 (treatment with 50% kalium) to six progenies, V1-V6 (progenies 1 to 6). The efficiency parameter indicates potentially potassium-efficient progeny, but does not indicate which progeny is efficient across various efficiency parameters. Using a scoring method with a normalization method is one approach that can be used to determine efficient and inefficient progeny. Based on this approach, Progeny V4 was indicated as agronomically efficient and V6 was indicated as internally efficient progenies meanwhile Progeny V5 was strongly indicated as inefficient progeny The metabolomic study investigated metabolites produced by oil palm seedlings under kalium deficiency through metabolomic analysis. Differentially expressed metabolites were considered both as potential biomarkers and as indicators of defense mechanisms against kalium stress. Several compounds in leaves—such as Echinenone, Stearic acid, Zingerol, Violaxanthin, Chlorophyll b, Antheraxanthin, and Eleoastearic acid-emerged as candidate biomarkers, being consistently detected across at least two analytical methods. Similarly, root metabolites including Maleamate, Piceatannol, Choline, Anilic acid, DL-Arginine, Catechin, Furfural, and Citric acid demonstrated biomarker potential. Gene experiment aimed to investigate the expression levels of genes related to kalium uptake, mobilization, and utilization using a quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR) approach. The expression levels of potassium-related genes were estimated based on the cycle threshold (CT) value, which is the number of cycles exceeding the detectable threshold. Involved genes, such as transporter genes and putrescine genes, were used to characterize the transcriptional output of efficient and inefficient plant samples from the first experiment. The gene expression analysis using primers of KUP8 and GORKAT showed significantly different gene expression in both different efficient and inefficient sample catagories under low kalium treatment, making them potential for further development as promising candidates for selection markers. Collectively, the result of the three experiments demonstrate morphological information could not stand alone determining the efficient and inefficient oil palm progenies in the nursery. Integrating morphological data with efficiency parameters provides partial guidance but requires strict criteria, as no progeny achieved statistical confirmation of efficiency. Metabolite profiling provides insights into the biochemical mechanisms underlying kalium-stress responses, while differential gene expression reveals transcriptional regulatory strategies in seedlings exposed to 50% of recommended kalium dose.