Regulasi gen toleransi aluminium B11 dan interaksi protein B11 dengan promotor ART1 pada padi

Abstract

Padi merupakan tanaman pangan penting di Indonesia. Produksi padi di Indonesia mencapai 81.382.451 ton gabah kering giling (GKG) di tahun 2017 dan naik dari tahun sebelumnya sebesar 2.56 %. Padi sawah (wetland paddy) memiliki produksi sekitar 76 juta ton GKG, sementara padi ladang (dryland paddy) mencapai 5 juta ton GKG. Konsumsi olahan padi yaitu berupa beras di Indonesia mencapai 1.565 kg/kap/minggu atau 81.611 kg/kap/tahun. Konsumsi padi dari tahun ke tahun memiliki pertumbuhan yang tinggi karena pertumbuhan penduduk yang cepat, sementara luas lahan pertanaman padi di Indonesia relatif terbatas dan berkurang karena pengalihan fungsi lahan pertanian menjadi perumahan atau bangunan, sehingga peningkatan produksi padi di lahan-lahan pertanian relatif sulit untuk dicapai. Salah satu cara untuk meningkatkan produksi padi adalah dengan menambah lahan pertanian atau ekstensifikasi. Akan tetapi, ekstensifikasi sulit dilakukan pada tanah-tanah subur karena kompetisi penggunaan lahan, sehingga ekstensifikasi hanya mungkin dilakukan pada tanah-tanah yang bersifat suboptimal atau marginal. Ekstensifikasi efektif dilakukan di daerah di luar Pulau Jawa yang memiliki tipe tanah masam podsolik merah kuning. Tanah masam podsolik merah kuning memiliki kandungan aluminium (Al) dalam bentuk terlarut yaitu berupa Al3+. Kandungan Al3+ yang tinggi bersifat toksik bagi tanaman termasuk padi. Padi yang tercekam Al memiliki ciri-ciri yaitu tudung akar rusak, daerah pemanjangan akar terhambat, akar menjadi lebih pendek, dan ujung akar rusak. Kerusakan pada bagian akar membuat daerah penyerapan unsur hara penting menjadi terganggu dan lebih jauh menurunkan produksi. Perbaikan tanaman dengan memanfaatkan gen toleran Al seperti B11 dapat menjadi salah satu solusi alternatif selain ekstensifikasi. Gen B11 sudah berhasil diisolasi dan sedang dikarakterisasi mode aksinya dalam toleransi terhadap cekaman Al. Sejauh ini, analisis molekular gen maupun promotor B11 belum tuntas diketahui. Oleh karena itu penelitian ini bertujuan: menganalisis tingkat ekspresi gen B11 pada beberapa tipe jaringan tanaman dan serial waktu cekaman, menganalisis sifat induksivitas promotor B11 pada padi yang toleran dan sensitif Al; mencari daerah fungsional promotor B11 pada kondisi normal dan tercekam Al; menentukan studi awal lokalisasi subselular dan interselular ekspresi gen B11 pada protoplas dan jaringan tanaman padi, tembakau, dan arabidopsis menggunakan mikroskop fluoresens dan konfokal; dan menguji tingkat interaksi protein B11 dengan promotor ART1. Penelitian ini menggunakan sampel benih, DNA, dan RNA dari padi cv. Hawara Bunar, IR64, Inpago 5, dan Inpago 6. Metode yang digunakan pada penelitian ini meliputi analisis ekspresi gen B11 menggunakan teknik qRT-PCR, transformasi tanaman yang dimediasi Agrobacterium tumefaciens dan polietilen glikol (PEG), analisis transient assay pada promotor B11, isolasi protoplas, konstruksi fusi gen 35S::B11-YFP dan 35S::YFP-B11, dan analisis interaksi B11 dengan promotor ART1 menggunakan teknik transaktivasi. Gen B11 adalah gen yang bersifat inducible terhadap cekaman Al. Berdasarkan analisis ekspresi, hasil penelitian menunjukkan bahwa gen B11 memiliki mode aksi early response terhadap cekaman aluminium (Al) dari perlakuan Al pada jam ke 24 dan meningkat pada jam ke 48. Selain itu, gen B11 juga terekpresi pada semua jaringan padi (akar, batang, dan daun) dan ekspresi tertingginya terjadi pada jaringan ujung akar. Sifat induksivitas tersebut berkaitan dengan promotor B11. Promotor B11 dari padi cv. Hawara Bunar (toleran Al) memiliki induksivitas terhadap Al yang lebih tinggi jika dibandingkan promotor B11 dari IR64 (sensitif Al). Dengan demikian, diduga bahwa promotor B11 berperan penting dalam merespon cekaman Al pada tingkat transkripsi. Pada promotor B11, Elemen cis-acting RY dari promotor B11 menunjukkan adanya motif fungsional penting yang terinduksi cekaman Al dan diduga berperan sebagai situs pengikatan faktor transkripsi atau regulator terkait Al. Situs pengikatan faktor transkripsi yang berkaitan dengan Al diduga berada pada -1.007 hingga -714 pb dari promotor B11. Terdapat perbedaan daerah fungsional promotor B11 sebelum dan sesudah cekaman Al. Sebelum tercekam Al, elemen cis-acting dari B11 adalah DRE (-714 hingga -550 pb), sedangkan setelah tercekam Al, elemen cis-acting dari B11 adalah RY (-1.007 hingga -714 pb). Studi awal lokalisasi subselular protein B11 perlu dilakukan untuk mengetahui peran dari protein tersebut dalam mekanisme toleransi Al. Hasil studi awal menunjukkan bahwa protein B11 terlokalisasi pada bagian inti sel dan sitoplasma. Protein B11 disintesis di dalam sitoplasma dan ditransportasikan ke dalam inti sel dengan motif nuclear localization signal (NLS) putatif MAVPKKKVSKYK KGLRNGPKALK pada daerah C-terminal berdasarkan analisis bioinformatika NoD Nucleolar localization sequence detector, NLStradamus, dan LOCALIZER 1.0. Protein B11 yang terdapat di inti sel cenderung lebih banyak ditemukan pada protoplas yang mendapatkan cekaman Al daripada kondisi normal tanpa cekaman Al. Protein B11 diduga mengalami perpindahan lokalisasi dari sitoplasma menjadi ke inti sel ketika tercekam Al baik pada padi, tembakau, atau arabidopsis. Perubahan lokalisasi protein B11 ketika tercekam Al memungkinan B11 berikatan dengan daerah promotor ART1. Regulasi ini diduga berkaitan dengan peran protein B11 pada tingkat transkripsi dan translasi. Sifat gen dan promotor B11 yang terinduksi oleh cekaman Al merupakan suatu mode aksi gen B11 dalam meregulasi toleransi tanaman padi terhadap cekaman Al. Informasi mengenai regulasi tingkat transkripsi pada promotor B11 dapat digunakan untuk menentukan mekanisme interaksi B11 dengan protein-protein regulator cekaman Al lainnya, sehingga lebih jauh dapat digunakan untuk proses pemuliaan tanaman secara presisi.