Studi Genetik, Molekuler dan Pewarisan Karakter Kekeringan pada Sorgum

Abstract

Sorgum adalah tanaman pangan potensial di masa mendatang. Tantangan produksi pangan adalah keterbatasan lahan subur, cekaman kekeringan, cekaman suhu dan perubahan iklim, sehingga untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan varietas yang mampu beradaptasi pada kondisi lahan yang mengalami cekaman kekurangan air. Identifikasi karakter terkait toleransi kekeringan dan pewarisannya pada fase kecambah, vegetatif, generatif dan molekuler perlu dilakukan sebagai kegiatan pre breeding. Tujuan umum penelitian ini ialah perbaikan daya hasil dan toleransi sorgum terhadap cekaman kekeringan sehingga diperoleh genotipe toleran kekeringan. Studi kekeringan stadia kecambah bertujuan untuk mendapatkan informasi genotipe dan karakter toleran kekeringan stadia kecambah melalui uji cepat dengan PEG 6000. Studi ini menggunakan 10 genotipe sorgum sebagai materi genetik, dengan perlakuan tanpa cekaman osmotik dan cekaman osmotik dengan PEG 6000 15%. Hasil analisis ragam menunjukkan bahwa karakter panjang akar dan rasio akar-tunas dapat digunakan sebagai karakter untuk melakukan seleksi pada stadia perkecambahan. Studi kekeringan untuk stadia vegetatif dan generatif dilanjutkan di rumah plastik dengan tujuan untuk mempelajari adaptasi dan toleransi tanaman sorgum pada stadia vegetatif, dan generatif. Materi genetik yang digunakan pada percobaan cekaman vegetatif dan generatif yaitu Pahat, Samurai, Super 2, PI-150-20A, B69, Numbu, Kawali dan N/UP 118-7. Percobaan cekaman vegetatif dan generatif menggunakan Rancangan Kelompok Lengkap Teracak (RKLT) dengan 3 ulangan. Perlakuan cekaman kekeringan stadia vegetatif diberikan pada saat umur tanaman 22 hari setelah tanam atau stadia 5 daun sedangkan perlakuan cekaman kekeringan stadia generatif diberikan pada saat tanaman memasuki fase anthesis sampai panen. Percobaan kekeringan stadia vegetatif dan generatif dipertahankan pada kondisi 40% kapasitas lapang. Adaptabilitas tanaman sorgum diduga berdasarkan nilai karakter fisiologi dan hasil pada kondisi cekaman kekeringan. Berdasarkan penelitian ini diperoleh informasi bahwa nilai karakter kehijauan daun yang tinggi pada genotipe Super 2 merupakan indikator genotipe tersebut adaptif terhadap cekaman kekeringan. Toleransi tanaman sorgum terhadap cekaman kekeringan stadia vegetatif maupun generatif diduga berdasarkan nilai indeks toleransi kekeringan. Nilai indeks toleransi kekeringan diperoleh dengan menggunakan hasil biji pada kondisi tidak tercekam dan kondisi tercekam kekeringan. Genotipe yang toleran kekeringan memiliki nilai indeks kekeringan seperti GMP, STI dan MP yang tinggi. Berdasarkan perolehan hasil biji pada penelitian ini didapatkan bahwa Kawali, Numbu dan B69 termasuk kategori toleran kekeringan stadia vegetatif dan generatif berdasarkan indeks GMP, STI, dan MP. Identifikasi sekuen gen stay green terkait toleransi kekeringan pada sorgum dilakukan dengan tujuan untuk identifikasi dan menganalisis sekuen gen stay green yang terkait toleransi kekeringan pada tanaman sorgum. Materi genetik yang digunakan terdiri atas tujuh genotipe sorgum yaitu B69, Kawali, Numbu, Samurai 2, Pahat, dan Super 2. Tahapan penelitian meliputi isolasi DNA, desain primer, PCR, pensejajaran dan analisis filogenetik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa primer yang telah didesain dapat mengamplifikasi DNA semua genom sorgum yang digunakan dan menghasilkan pita tunggal dengan ukuran fragmen sekitar 300-985 pasang basa. Selain itu sekuen gen SGR dari tujuh genotipe sorgum memiliki sekuen homologi (identity) 51-100% dengan aksesi yang terdeposit pada pangkalan data NCBI. Genotipe B69, Kawali dan Numbu memiliki kurang lebih 54 prediksi asam amino yang sama. Hal ini menunjukkan bahwa kemungkinan ke 54 sekuan asam amino pada genotipe B69, Kawali dan Numbu terkait dengan potensi hasil pada kondisi cekaman kekeringan. Analisis filogenetik menunjukkan bahwa ketujuh genotipe sorgum yang digunakan dalam penelitian ini tidak berada dalam satu cabang dengan sekuens gen SGR yang ada di database. Studi genetik dan molekuler karakter kehijauan daun dan hasil pada kondisi optimum dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan informasi kendali genetik karakter kehijauan daun dan hasil pada populasi F2 dan identifikasi molekuler pewarisan karakter kehijauan daun pada populasi F4 pada kondisi optimum. Materi genetik yang digunakan terdiri atas empat populasi F2 hasil persilangan Numbu x Samurai 2, Kawali x Pahat, Kawali x B69 dan Super 2 x PI-150-20A serta tetua-tetuanya, dan dua populasi F4 hasil persilangan Numbu x Samurai 2 dan Kawali x Pahat. Populasi F2 dan F4 serta tetuanya ditanam pada waktu dan hamparan yang sama. Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakter kehijauan daun pada empat populasi F2 yang digunakan pada penelitian ini dikendalikan oleh aksi gen aditif dengan nilai heritabilitas arti luas kategori sedang hingga tinggi. Populasi Numbu x Samurai 2 dan Super 2 x PI-150-20A untuk karakter kehijauan daun memiliki nilai heritabilitas arti luas kategori sedang, sehingga seleksi berdasarkan karakter tersebut sebaiknya dilakukan pada generasi lanjut. Karakter bobot biji per tanaman pada populasi persilangan Numbu x Samurai 2 dan Kawali x Pahat dipengaruhi aksi gen aditif dengan nilai heritabilitas arti luas kategori tinggi. Dengan demikian seleksi langsung terhadap bobot biji per tanaman dapat dilakukan pada generasi awal (F2) untuk populasi persilangan Numbu x Samurai 2 dan Kawali x Pahat. Selain itu pewarisan karakter kehijauan daun secara molekuler juga dipelajari untuk memperoleh informasi galur-galur yang membawa gen stay green pada generasi F4. Penelitian ini belum berhasil mengidentifikasi keberadaan gen stay green pada semua populasi F4 yang digunakan.

Sorghum is a potential food crop in the future. The challenge of food production is the limited arable land, drought stress, temperature stress, and climate change, so to overcome these problems it is necessary to have varieties that can adapt to land conditions that are experiencing water stress. Identification of characters related to drought tolerance and their inheritance in available germplasm in the germination, vegetative, generative, and molecular phases needs to be carried out as a pre-breeding activity. The general aims of this research is to improve the yield and tolerance of sorghum to drought stress to obtain drought-tolerant genotypes. The study of drought at germination stage aims to obtain information on genotype and drought tolerant characters of germination stage through a rapid test with PEG 6000. This study used 10 sorghum genotypes as genetic material, with experiments without osmotic stress and osmotic stress (PEG 6000 15%). The results of the analysis of variance showed that the characters of root length and root-shoot ratio could be used as characters to select the germination stage. Drought studies for the vegetative and generative stages were continued in the plastic house to study agronomic and physiological characters as well as genotypes related to the adaptation and tolerance of sorghum plants in the vegetative and generative stages. The genetic materials used in the vegetative and generative stress experiments were Pahat, Samurai, Super 2, PI-150-20A, B69, Numbu, Kawali and N/UP 118-7. The vegetative and generative stress experiments used a completely randomized block design with three replications. The vegetative stage drought stress treatment is given at the age of the plant 22 days after planting or the five-leaf stage while the generative stage drought stress treatment is given when the plants enter the anthesis phase until harvest. The vegetative and generative stages of the drought experiment were maintained at 40% field capacity. The adaptability of sorghum plants was estimated based on physiological character values and yields under drought-stress conditions. Based on this study, information was obtained that the high leaf greenness character value in the Super 2 genotype was an indicator that the genotype was adaptive to drought stress. The tolerance of sorghum plants to drought stress in the vegetative and generative stages was estimated based on the drought tolerance index value. The drought tolerance index value was obtained by using the yield of seeds in non-stressed and drought-stressed conditions. Drought tolerant genotypes have high drought index values such as GMP, STI and MP. Based on the yield of seeds in this study, it was found that Kawali, Numbu and B69 were categorized as drought tolerant in the vegetative and generative stages based on the GMP, STI, and MP indices. Identification of the gene sequences of stay green related to drought tolerance in sorghum was carried out to identify and analyze the gene sequences of staying green related to drought tolerance in sorghum plants. The genetic material used consisted of seven sorghum genotypes namely B69, Kawali, Numbu, Samurai 2, Pahat, and Super 2. The research stages included DNA isolation, primer design, PCR, alignment and phylogenetic analysis. The results showed that the primers that had been designed could amplify the DNA of all the sorghum genomes used and produce a single band with a fragment size of around 300-985 base pairs. In addition, the SGR gene sequences of the seven sorghum genotypes have sequences of 51-100% homology (identity) with the accessions deposited in the NCBI database. The B69, Kawali, and Numbu genotypes have approximately the same 54 predicted amino acids. This indicates that the 54 amino acid sequences in the B69, Kawali, and Numbu genotypes are related to yield potential under drought stress conditions. Phylogenetic analysis showed that the seven sorghum genotypes used in this study were not in the same branch as the SGR gene sequence in the database. Genetic and molecular studies of green leaf character and yield of F2 populations at optimum conditions were carried out with the aim of obtaining information on genetic and molecular control of leaf green characters and yields of F2 populations at optimum conditions. The genetic material used consisted of four F2 populations resulting from crosses of Numbu x Samurai 2, Kawali x Pahat, Kawali x B69, and Super 2 x PI-150-20A and their parents, and two F4 populations resulting from crosses of Numbu x Samurai 2 and Kawali x Pahat. The F2 and F4 populations and their parents were planted at the same time and in the same plot. The results showed that the greenish character of the leaves in the four F2 populations used in this study was controlled by additive gene action with moderate to high heritability values in the broad sense category. The population of Numbu x Samurai 2 and Super 2 x PI-150-20A for the character of green leaves has a broad meaning heritability value in the medium category, so selection based on these characters should be done in later generations. The character of seed weight per plant in the cross populations of Numbu x Samurai 2 and Kawali x Pahat was influenced by additive gene action with a high heritability value in the broad sense category. Thus direct selection of seed weight per plant can be carried out in the early generation (F2) for the cross populations of Numbu x Samurai 2 and Kawali x Pahat. In addition, the inheritance of the green leaf character molecularly was also studied to obtain information on the strains carrying the stay green gene in the F2 generation. This study has not succeeded in identifying the presence of the stay green gene in all F2 populations used.