Analisis Pan-Genom Kelapa Sawit (Elaeis guineensis Jacq.) Populasi Liar, Semi-Domestik, dan Komersial

Abstract

Kelapa sawit (Elaeis guineensis Jacq.) merupakan komoditas perkebunan tropis penting yang memiliki produktivitas minyak tinggi dan berkontribusi besar terhadap pasokan minyak nabati dunia. Namun, dasar genetik material komersial kelapa sawit relatif sempit akibat proses domestikasi, seleksi, dan penggunaan tetua unggul secara berulang dalam program pemuliaan. Sebagian besar sumber daya genomik kelapa sawit juga masih bertumpu pada genom referensi tunggal, sehingga variasi genomik yang tidak terdapat pada referensi, seperti structural variation (SV), presence-absence variation (PAV), copy-number variation (CNV), dan variasi spesifik aksesi, belum dapat direpresentasikan secara menyeluruh. Oleh karena itu, pendekatan pan-genom diperlukan untuk memperoleh gambaran yang lebih lengkap mengenai keragaman genomik kelapa sawit, terutama pada populasi liar, semi-domestik, dan komersial. Disertasi ini bertujuan menganalisis pan-genom kelapa sawit pada populasi liar, semi-domestik, dan komersial, serta mengevaluasi bagaimana variasi genom inti dan garis maternal terdistribusi sepanjang gradien domestikasi. Penelitian disusun dalam tiga rangkaian utama. Penelitian pertama menghasilkan dan mengkarakterisasi rakitan genom dua aksesi Dura penting, yaitu Dura liar dari Kamerun (Eg-DCM) dan Dura leluhur yang merupakan turunan pertama dari empat pohon kelapa sawit pertama yang ditanam di Kebun Raya Bogor (Eg-DBG). Kedua genom tersebut sangat penting sebagai tambahan sumber daya genomik kelapa sawit. Penelitian kedua membangun pan-genom berbasis graf dari 30 genom E. guineensis untuk SV, PAV, copy-number gain berbasis SV, kategori gen core, shell, dan unique, serta dinamika R-genes. Penelitian ketiga menganalisis 34 genom kloroplas Elaeis untuk mengevaluasi konservasi struktur plastom, keragaman nukleotida, haplotipe kloroplas, filogeni, dan pewarisan maternal pada hibrida interspesifik. Perakitan genom Eg-DCM dan Eg-DBG menghasilkan rakitan genom berkualitas tinggi dengan kelengkapan gen yang baik dilakukan pada penelitian pertama. Kedua genom menunjukkan struktur kromosom yang dapat digunakan untuk analisis komparatif, anotasi gen, karakterisasi elemen repetitif, dan identifikasi R-genes. Elemen repetitif menjadi komponen penting dalam struktur genom kelapa sawit, sedangkan repertoar R-genes menunjukkan keberadaan berbagai kelas gen ketahanan, seperti CNL, NL, TNL, RLK, RLP, dan MLO. Hasil penelitian ini memperluas sumber daya genomik kelapa sawit dan menyediakan dasar penting untuk analisis pan-genom pada tahap berikutnya. Konstruksi pan-genom berbasis graf menggunakan 30 genom E. guineensis yang dilakukan pada penelitian kedua menunjukkan bahwa pan-genom kelapa sawit masih menyimpan variasi yang luas. Pertumbuhan komponen graf dan gen menunjukkan bahwa pan-genom belum sepenuhnya tertutup pada kedalaman sampling yang digunakan. Variasi struktural berupa insersi, delesi, serta duplikasi tandem, proksimal, dispersed, dan interkromosomal tersebar pada seluruh kromosom. Variasi struktural tersebut menjadi dasar inferensi PAV dan copy-number gain. Analisis PAV menunjukkan bahwa sebagian besar gen kelapa sawit merupakan gen core yang hadir pada hampir seluruh aksesi, tetapi terdapat pula gen shell dan unique yang membentuk komponen variabel pan-genom. Gen core terutama berkaitan dengan fungsi biologis dasar, sedangkan gen shell dan unique lebih banyak berhubungan dengan respons terhadap stimulus, cekaman, regulasi, transport, dan metabolisme khusus. Analisis copy-number gain menunjukkan bahwa variasi jumlah salinan gen juga merupakan komponen penting dalam pan-genom kelapa sawit. Duplikasi tandem menjadi kontributor utama copy-number gain, sedangkan duplikasi proksimal, dispersed, dan interkromosomal memberikan kontribusi tambahan terhadap variasi jumlah salinan gen. Integrasi PAV dan copy-number gain pada R-genes menunjukkan bahwa kelas gen ketahanan memiliki pola stabilitas yang berbeda. RLK cenderung lebih konservatif dan diperkaya pada komponen core, sedangkan CNL lebih dinamis dan diperkaya pada komponen shell. Hasil ini menunjukkan bahwa sistem pertahanan kelapa sawit terdiri atas komponen yang stabil dan komponen yang variabel, sehingga populasi liar dan semi-domestik berpotensi menjadi sumber variasi gen ketahanan yang penting bagi pemuliaan. Penelitian ketiga menunjukkan bahwa genom kloroplas Elaeis memiliki struktur yang sangat konservatif, terdiri atas wilayah large single-copy (LSC), small single-copy (SSC), dan sepasang inverted repeat (IR). Genom kloroplas E. guineensis memiliki ukuran plastom, panjang wilayah LSC, SSC, IR, kandungan GC, dan komposisi SSR tidak berbeda nyata antara aksesi liar, semi-domestik, dan komersial. Namun, analisis keragaman nukleotida berbasis sliding window menunjukkan bahwa aksesi liar memiliki keragaman nukleotida lebih tinggi dibandingkan aksesi komersial, terutama pada wilayah SSC dan batas IRb/SSC. Analisis haplotipe mengidentifikasi sembilan haplotipe kloroplas pada 30 aksesi E. guineensis. Aksesi liar memiliki kekayaan haplotipe tertinggi dan beberapa haplotipe privat, sedangkan aksesi komersial hanya memiliki dua haplotipe dan tidak memiliki haplotipe privat. Filogeni kloroplas menunjukkan bahwa aksesi liar, semi-domestik, dan komersial masih berbagi garis maternal utama, sehingga penyempitan keragaman pada material komersial lebih tepat ditafsirkan sebagai penyempitan representasi haplotipe, bukan pemisahan garis maternal yang sepenuhnya berbeda. Selain itu, genom kloroplas hibrida OG identik dengan E. oleifera var. Taisha, sehingga mengonfirmasi pewarisan maternal pada hibrida E. oleifera × E. guineensis. Secara keseluruhan, disertasi ini menunjukkan bahwa populasi liar dan semi-domestik merupakan reservoir penting variasi genomik kelapa sawit. Variasi tersebut terlihat pada genom inti melalui variasi struktural, PAV, copy-number gain berbasis SV, komponen variabel, dan dinamika R-genes, serta pada genom kloroplas melalui keragaman nukleotida dan haplotipe maternal. Material komersial tetap mempertahankan komponen genom utama yang sama dengan kelompok lain, tetapi merepresentasikan subset keragaman yang lebih sempit. Domestikasi dan pemuliaan kelapa sawit dalam hal ini dapat dipahami sebagai proses penyaringan sebagian variasi dari pool genetik yang lebih luas. Hasil disertasi ini menyediakan dasar genomik untuk konservasi plasma nutfah, pemilihan tetua, pengembangan marka berbasis SV/PAV/CNV/haplotipe, analisis populasi, pan-genome-wide association study (pan-GWAS), dan pemuliaan kelapa sawit berbasis genom yang lebih presisi.