Analisis Potensi Genetik Tanaman Keladi Tikus (Typhonium flagelliforme Lodd.) Blume dengan Pendekatan Teknologi Multi-Omic.

Abstract

Tanaman keladi tikus (Typhonium flagelliforme) menunjukkan keragaman genetik yang rendah akibat pola perbanyakan yang dominan secara vegetatif. Meskipun mampu membentuk biji, produksi biji berlangsung sangat jarang dan tingkat perkecambahannya pun rendah. Kondisi tersebut membatasi upaya pemuliaan dan menghambat pengembangan varietas baru dengan karakter unggul, termasuk stabilitas kandungan metabolit sekundernya. Program pemuliaan keladi tikus melalui beberapa tahap utama, yaitu: pengumpulan plasma nutfah, pembentukan populasi dasar, hibridisasi atau persilangan, seleksi tanaman, pengujian daya hasil, hingga pelepasan varietas unggul baru kepada petani. Analisis potensi genetik dengan pendekatan multi-omic (genomik, transkriptomik, dan metabolomik) terhadap keragaman genetik perlu untuk dilakukan sebagai langkah awal untuk pengembangan varietas baru. Penelitian terdiri atas tiga topik, yaitu: (1) Kajian whole genome sequencing (WGS) tanaman keladi tikus (Typhonium flagelliforme Lodd.); (2) Kajian Transkriptomik, Pengembangan Marka EST-SSR dan Ekspresi gen SMT Tanaman Keladi Tikus; (3) Kajian Keragaman Genetik Tanaman Keladi Tikus Berdasarkan Karakter Morfologi, Metabolomik dan Marka EST-SSR serta Asosiasinya dan Seleksi Aksesi Potensial dengan MVSI. Penelitian pertama menyajikan rancangan draf genom T. flagelliforme yang komprehensif, yang dihasilkan melalui pendekatan shotgun genom utuh menggunakan Illumina NextSeq 2000 (PE150) dengan perakitan menggunakan SPAdes. Perakitan tersebut menghasilkan panjang total 0,715 Gb dengan kontiguitas sedang (N50 = 3,9 kb), dan kandungan GC 41,03%, konsisten dengan genom tumbuhan eukariotik lainnya. Analisis pengulangan mengungkapkan bahwa pengulangan yang diselingi mencakup 64,41% genom, dengan retrotransposon LTR, terutama elemen Gipsi dan Copia, mendominasi lanskap berulang. Sejumlah besar elemen yang tidak terklasifikasi juga menunjukkan keberadaan elemen transposabel spesifik garis keturunan atau baru. Genom tersebut menunjukkan kepadatan mikrosatelit sebesar 345,202 SSR/Mb, dengan pengulangan dinukleotida, terutama motif AG/CT dan AT/AT, yang mewakili kategori SSR yang paling melimpah. SSR trinukleotida, terutama AAG/CTT dan CCG/CGG, juga menonjol dan menawarkan potensi kuat untuk pengembangan penanda terkait gen. Penelitian kedua diperoleh data bahwa transkrip jaringan daun, bunga dan umbi keladi tikus berhasil dirakit menggunakan Trinity dan setelah penyaringan dan penghilangan urutan redundansi menghasilkan 576.268 contig pada sampel daun 281.927 contig pada sampel bunga dan 151.438 contig pada sampel umbi. Total 292.334 protein yang dapat diprediksi dari data tersebut. Anotasi fungsional transkrip keladi tikus menghasilkan jumlah anotasi sebagai berikut: 112.106 (Pfam), 87.117 (Kegg), 54.621 (GO), 11.026 (SignalP), dan 2.604 (eggNOG). Sekuen dan primer gen SMT1 dan SMT2 berhasil diperoleh menggunakan data transkriptomik umbi keladi tikus. Hasil analisis sekuen menunjukkan kemiripan tinggi dengan sekuen gen SMT1 dan SMT2 dari tanaman referensi yang terlibat dalam biosintesis sterol-C-24 methyltransferase 1 dan sterol-C-24 methyltransferase 2 untuk pembentukan senyawa ß-sitosterol dalam umbi. Studi ekspresi gen baik SMT1 dan SMT2 menunjukan bahwa ekspresi gen tersebut terekspresi lebih banyak pada bagian daun dibandingkan umbi. Penelitian ketiga mendapatkan informasi keragaman genetik tanaman keladi tikus berdasarkan penanda EST-SSR dari data transkriptom T. flagelliforme bahwa analisis struktur genetik dan analisis komponen utama (PCA) secara konsisten mengelompokkan aksesi menjadi dua klaster genetik utama, yang menegaskan keefektifan penanda EST-SSR dalam mengungkap struktur populasi T. flagelliforme. Selain itu, lebih dari 70% penanda EST-SSR menunjukkan kemampuan transfer lintas spesies, yang mengindikasikan potensi aplikasinya pada taksa Araceae lainnya. Informasi keragaman genetik tanaman keladi tikus berdasarkan karakter morfologi dan metabolomik diperoleh adanya variasi genetik. Hal ini diperoleh melalui analisis kemiripan yang berhasil mengelompokkan seluruh aksesi ke dalam tiga klaster utama, mengindikasikan adanya diferensiasi genetik di antara aksesi yang dikaji. Hasil analisis anova karakter morfologi menunjukkan bahwa karakter bobot biomassa, jumlah umbi, bobot umbi, dan jumlah anakan merupakan karakter yang paling prospektif untuk dijadikan dasar seleksi dalam program pemuliaan tanaman karena memiliki keragaman genetik yang tinggi dan pengaruh lingkungan yang relatif rendah. Hasil analisis asosiasi menunjukkan bahwa satu marka dapat berasosiasi dengan lebih dari satu karakter, demikian pula satu karakter dapat dikendalikan oleh beberapa marka. Marka yang menunjukkan asosiasi paling kuat dengan karakter target memiliki potensi besar untuk dimanfaatkan dalam mempercepat program pemuliaan melalui pendekatan berbantuan marka genetik. Analisis MVSI memberikan informasi bahwa Serpong, Tanggul Angin-Sidoarjo, dan Cikarawang-Bogor sebagai aksesi yang paling potensial berdasarkan karakter morfologi (tinggi tanaman, jumlah daun, luas daun, jumlah anakan, jumlah umbi, bobot umbi, dan bobot basah) dan metabolomik (campesterol, oleic acid, pinoresinol, tetracosane, dan vanillin).

The rodent tuber (Typhonium flagelliforme) shows low genetic diversity due to a vegetatively dominant propagation pattern. Although it is able to form seeds, seed production takes place very rarely and the germination rate is low. These conditions limit breeding efforts and inhibit the development of new varieties with superior characteristics, including the stability of their secondary metabolite content. The rodent tuber breeding program goes through several main stages, namely: collection of germplasm, formation of basic populations, hybridization or crossing, plant selection, yield testing, and release of new superior varieties to farmers. The study of genetic stability with a multi-omic (genomic, transcriptomics, and metabolomic) approach to genetic diversity needs to be undertaken as a first step for the development of new varieties. The research consisted of five experiments, namely: (1) Whole genome sequencing (WGS) study on rodent tuber (Typhonium flagelliforme Lodd.); (2) Genome profile of Typhonium flagelliforme chloroplast based on short-read data; (3) Transcriptomic study of rodent tuber (Typhonium flagelliforme Lodd.); (4) Development of simple sequence repeats (SSRS) markings and analysis of genetic diversity of rodent tuber plants; (5) Metabolomics and morphological analysis of some rodent tuber accessions (Typhonium flagelliforme). The first study presented a comprehensive draft design of the T. flagelliforme genome, generated through a whole-genome shotgun approach using Illumina NextSeq 2000 (PE150) with assembly using SPAdes. The assembly yielded a total length of 0,715 Gb with moderate contiguity (N50 = 3,9 kb), and a GC content of 41,03%, consistent with the genomes of other eukaryotic plants. Repeat analysis revealed that interspersed repeats covered 64,41% of the genome, with LTR retrotransposon, especially Gypsy and Copia elements, dominating the repetitive landscape. A large number of unclassified elements also indicate the presence of lineage-specific or new transposable elements. The genome showed a microsatellite density of 345,202 SSR/Mb, with dinucleotide repeats, especially AG/CT and AT/AT motifs, representing the most abundant SSR categories. Tricnucleotide SSRs, especially AAG/CTT and CCG/CGG, also stand out and offer strong potential for the development of gene-related markers. The second study obtained data that the transcripts of the leaf, flower and tuber tissues of rodent tuber were successfully assembled using Trinity and after filtering and removal the redundancy sequence resulted in 576,268 contig in leaf samples, 281,927 contig in flower samples and 151,438 contig in tuber samples. A total of 292,334 proteins can be predicted from the data. Functional annotations of roddent tuber transcripts resulted in the following number of annotations: 112,106 (Pfam), 87,117 (Kegg), 54,621 (GO), 11,026 (SignalP), and 2,604 (eggNOG). The sequences and primers of the SMT1 and SMT2 genes were successfully obtained using the transcriptomic data of tubers. The results of the sequence analysis showed a high resemblance to the SMT1 and SMT2 gene sequences of reference plants involved in the biosynthesis of sterol-C-24 methyltransferase 1 and sterol-C-24 methyltransferase 2 for the formation of ß-sitosterol compounds in tubers. Studies of gene expression of both SMT1 and SMT2 showed that the expression of these genes was expressed more in the leaves than in the bulbs. The third study obtained information on the genetic diversity of roddent tuber based on the EST-SSR marker from T. flagelliforme transcriptome data that genetic structure analysis and major component analysis (PCA) consistently grouped accessions into two main genetic clusters, which confirmed the effectiveness of the EST-SSR marker in uncovering the population structure of T. flagelliforme. In addition, more than 70% of the EST-SSR markers exhibit cross-species transfer capabilities, indicating their potential application to other Araceae taxa. Information on the genetic diversity of roddent tuber based on morphological and metabolomics characteristics obtained genetic variation This was obtained through a similarity analysis that successfully grouped all accessions into three main clusters, indicating a genetic differentiation among the accessions studied. The results of the analysis of morphological character anova showed that the characteristics of biomass weight, number of bulbs, tuber weight, and number of saplings were the most prospective characters to be used as the basis for selection in plant breeding programs because they had high genetic diversity and relatively low environmental influence. The results of the association analysis showed that a single mark could be associated with more than one character, similarly one character could be controlled by multiple markers. Markers that show the strongest associations with target traits have great potential to be utilized in accelerating breeding programs through genetic marker-assisted approaches. The MVSI analysis provides information that Serpong, Angin-Sidoarjo Embankment, and Cikarawang-Bogor are the most potential accessions based on morphological characters (plant height, number of leaves, leaf area, number of seedlings, number of bulbs, tuber weight, and wet weight) and metabolomics (campesterol, oleic acid, pinoresinol, tetracosane, and vanillin).