Karakterisasi Daun, Identifikasi Genotipe Kontras Ubi Kayu (Manihot esculenta Crantz) dan Analisis Bioinformatika Gen terkait Mineral Target pada Daun

Abstract

Tanaman ubi kayu (Manihot esculenta Crantz) berasal dari Amerika dan telah banyak dibudidayakan oleh masyarakat diberbagai wilayah di Indonesia. Keragaman ubi kayu di Indonesia relatif tinggi berdasarkan pada berbagai karakter seperti karakter morfologi dan agronomi, tingkat adaptasi terhadap cekaman biotik dan abiotik, kandungan nutrisi seperti nutrisi mineral esensial, antioksidan, vitamin dan sebagainya. Tanaman ubi kayu berpotensi sebagai sumber pangan bernutrisi untuk pemanfaatan pada bagian umbi maupun daun. Penelitian ini secara lebih lanjut mempelajari kadar nutrisi mineral pada daun ubi kayu khususnya besi, seng dan magnesium, sebagai salah satu sumber pangan fungsional untuk meningkatkan ketersediaan nutrisi mineral penting bagi tubuh manusia. Program pemuliaan tanaman terkait seleksi genotipe potensial untuk karakter kandungan mineral dapat dilakukan dengan melakukan karakterisasi genotipe ubi kayu berdasarkan pada karakter morfologi sebagai informasi dasar untuk karakter seleksi. Karakter morfologi yang dapat digunakan untuk mengkarakterisasi ubi kayu mengacu pada deskriptor ubi kayu dari International of Institute of Tropical Agriculture (IITA). Karakter daun terdiri dari warna dan bentuk pucuk, bentuk lobus, warna petiol, warna daun, tekstur tepi daun, dan orientasi petiol, jumlah lobus, panjang dan lebar lobus, panjang petiol, jumlah daun, tinggi tanaman, diameter batang dan nilai SPAD (The Soil Plant Analysis Development) daun. Selain itu, studi terkait pengaruh genetik pada genotipe ubi kayu terhadap perbedaan kadar mineral target pada daun perlu dipelajari, salah satunya menggunakan pendekatan studi literatur dan analisis bioinformatika kandidat gen yang berperan dalam mekanisme penyerapan, translokasi dan akumulasi mineral target pada daun ubi kayu. Penelitian ini terdiri dari tiga percobaan dengan masing-masing percobaan bertujuan untuk (1) mengkarakterisasi genotipe-genotipe ubi kayu berdasarkan karakter daun yang dapat digunakan sebagai informasi dasar terkait karakter seleksi untuk mendukung program pemuliaan tanaman, (2) mengidentifikasi dan menyeleksi genotipe ubi kayu yang memiliki kandungan mineral besi, seng dan magnesium yang tinggi dan rendah (genotipe kontras), serta mengetahui hubungan antar beberapa karakter morfologi dengan kadar mineral target pada daun ubi kayu (3) mengidentifikasi gen-gen yang terlibat dalam mekanisme penyerapan hingga akumulasi mineral besi, seng dan magnesium pada tanaman ubi kayu menggunakan studi literatur dan analisis bioinformatika. Percobaan pertama dilakukan dari Februari hingga Agustus 2020 di KP. Cikabayan menggunakan 12 genotipe mutan ubi kayu generasi MV9. Percobaan ini menggunakan rancangan acak kelompok lengkap satu faktor (genotipe ubi kayu) dan tiga ulangan percobaan, dimana pada setiap ulangan terdiri dari 10 tanaman per genotipe. Pengamatan karakterisasi daun dilaksanakan pada umur tanaman 3 hingga 6 BST pada daun ketiga setelah pucuk dengan karakter yang diamati mengacu pada deskriptor ubi kayu IITA. Hasil percobaan pertama menunjukkan karakter kuantitatif seperti panjang petiol, lebar lobus, dan nilai SPAD berbeda nyata antar genotipe yang diamati, sedangkan karakter tinggi tanaman, diameter batang, jumlah daun, panjang lobus, dan jumlah lobus tidak berbeda nyata. Hasil analisis regresi antara karakter nilai SPAD dengan kadar mineral Fe, Zn dan Mg pada genotipe ubi kayu yang diamati menunjukkan hubungan yang rendah/lemah. Karakter kualitatif daun pada 12 genotipe ubi kayu yang diamati menunjukkan dominasi warna pucuk purplish green, bentuk pucuk present, bentuk lobus tengah lancelolate, warna petiol kemerahan, tekstur tepi daun halus, warna tulang daun kemerahan dan orientasi petiol horizontal. Percobaan kedua dilakukan dari November 2020 hingga Agustus 2021 pada KP. Cikabayan menggunakan 12 genotipe mutan ubi kayu generasi MV10. Percobaan ini menggunakan RKLT (Rancangan Kelompok Lengkap Teracak) satu faktor yaitu genotipe ubi kayu dan tiga ulangan percobaan (10 tanaman per genotipe). Pengamatan karakter daun yang mengacu pada deskriptor ubi kayu dari IITA yang dilakukan pada umur tanaman 3 hingga 5 BST dan analisis kandungan mineral Fe, Zn dan Mg dilakukan pada umur tanaman 3 dan 5 BST dengan sampel daun berupa pucuk hingga daun ketiga. Pemilihan genotipe potensial untuk karakter nutrisi mineral berdasarkan pada kadar mineral tertinggi dan terendah untuk masing-masing mineral pada genotipe tertentu. Hasil percobaan kedua menunjukkan adanya variasi kadar mineral Fe, Zn dan Mg pada masing-masing umur amatan. Genotipe ubi kayu yang memiliki kadar besi tertinggi pada 3 dan 5 BST terdiri dari genotipe G6-2-15- 3-3 dan G4D3-113, sedangkan genotipe G6-2-15-1-1 dan G5D2-223 memiliki kadar besi terendah pada 3 dan 5 BST. Genotipe G4D1-222 memiliki kadar seng tertinggi pada 3 dan 5 BST, sedangkan genotipe G1D1-532 memiliki kadar seng terendah pada 3 dan 5 BST. Genotipe yang memiliki kadar magnesium tertinggi pada 3 dan 5 BST yaitu G6-2-15-5-3, G2D1-422 dan G6-1-15-4-3, sedangkan genotipe yang memiliki kadar magnesium terendah pada 3 dan 5 BST yaitu G6-1-15-4-3 dan G6-2-15-3-3. Analisis korelasi dan regresi antar karakter morfologi dengan kadar mineral Fe, Zn dan Mg pada ubi kayu generasi MV10 pada 3 BST menunjukkan adanya korelasi positif antara karakter mineral Mg dengan diameter batang, mineral Zn dengan diameter batang, mineral Fe dengan jumlah daun dan mineral Mg dengan mineral Zn. Selain itu, karakter nilai SPAD belum dapat digunakan sebagai karakter penduga kadar mineral Fe, Zn dan Mg pada daun ubi kayu yang diamati karena hubungan antar karakter tergolong rendah. Percobaan ketiga dilakukan dari September hingga November 2021. Penelitian ini menggunakan program BLAST NCBI, MEGA-X, GSDS 2.0 dan software Geneious untuk analisis homologi sekuen, MSA, konstruksi pohon filogenetik, diagram ekson dan intron serta perancangan primer. Hasil analisis homologi dan filogenetik terkait gen dalam mekanisme penyerapan hingga akumulasi mineral Fe, Zn dan Mg menunjukkan tingkat homologi dan nilai bootstrap pada tanaman referensi dengan tanaman ubi kayu sekitar 70% hingga 100%. Hasil BLAST sekuen gen ke genom ubi kayu menunjukkan kandidat gen teridentifikasi pada genom M. esculenta-v8 kultivar AM560. Kandidat gen terkait mineral Fe terdiri MeFIT, MeBRUTUS, MeYSL1, MeFRO3, MeVIT1, dan MeOPT3. Kandidat gen terkait mineral Zn terdiri dari MeMYB308, MeHMA2, MeZIP8, MeZIP5, dan MeZIP11. Kandidat gen terkait mineral Mg terdiri dari MeMHX, MeMRS2-1, MeNIPA4, dan MeNIPA8.