Respon Morfo-Fisiologi, Metabolit dan Molekuler Tiga Genotipe Melon (Cucumis melo L.) pada Kondisi Cekaman Salinitas

Abstract

Melon merupakan tanaman hortikultura yang memiliki nilai ekonomi tinggi. Buah dari spesies ini memiliki ukuran yang besar dan terasa manis, sehingga banyak diminati oleh masyarakat. Pemuliaan tanaman melon masih dilakukan hingga saat ini. Hal ini bertujuan untuk memperoleh genotipe dengan sifat unggul, sehingga mampu memenuhi kebutuhan pasar. Genotipe Melona, Tacapa Gold dan Gama Melon Parfum merupakan genotipe hasil pemuliaan oleh Fakultas Biologi, Universitas Gadjah Mada. Genotipe ini memiliki karakteristik morfologi dan agronomi yang unggul, sehingga bermanfaat bagi masyarakat. Pesisir Pantai Bocor, Kebumen, Jawa Tengah merupakan salah satu sentra budidaya melon yang sedang dikembangkan. Kawasan ini telah digunakan untuk menanam melon varietas unggul namun mengalami hambatan berupa hasil budidaya yang rendah. Salah satu penyebabnya adalah adanya kadar garam yang tinggi, sehingga berpengaruh terhadap perkembangan dan pertumbuhan tanaman. Pemanfaatan tiga genotipe tersebut pada lahan salin belum pernah dilakukan. Hal ini menyebabkan perlu adanya penelitian ketiga genotipe melon tersebut, sehingga mampu mengetahui kondisi morfologi dan fisiologi tanaman pasca penanaman, mekanisme toleransi terhadap kondisi salinitas serta kemampuan adaptasi genotipe pada lahan salinitas. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan menganalisis respon morfo-fisiologi, metabolit dan molekuler dari tiga genotipe Melon pada kondisi cekaman salinitas. Penelitian menggunakan rancangan split-plot dengan petak utama berupa salinitas (0 mM NaCl dan 220 mM NaCl) dan petak anakan berupa genotipe (Melona, Tacapa Gold dan Gama Melon Parfum). Penelitian dimulai dengan menanam biji dari tiga genotipe melon pada media kokopit yang ditetesi dengan larutan ABmix 3000 selama 3 minggu. Setelah itu, tanaman diberi penambahan 220Mm NaCl hingga masa panen budidaya. Tanaman melon yang telah berumur 28 hari setelah tanam (HST) diamati aspek morfologi, fisiologi, metabolomik dan molekuler. Pengambilan sampel daun dilakukan dengan memotong daun ke-2 hingga ke-5 dan disimpan pada aluminium foil. Selanjutnya, sampel daun disimpan dalam nitrogen cair dan dibawa menuju laboratorium untuk disimpan pada freezer dengan suhu -20 oC. Daun tersebut digunakan untuk menganalisis kandungan klorofil dan karotenoid, kandungan malondialdehid dan kandungan prolin. Selain analisis tersebut, tanaman melon juga dianalisis terhadap kerapatan dan persentase stomata terbuka, kandungan natrium dan kalium, pengamatan morfologi, bobot kering akar-tajuk, analisis metabolomik serta ekspresi gen berkaitan dengan cekaman salinitas. Data respon morfologi, anatomi, fisiologi dan molekuler dianalisis dengan uji DMRT 5% pada R Studio. Data respon metabolit dianalisis menggunakan perangkat lunak MzMine 3.9.0 dan Metaboanalyst. Hasil analisis karakter morfologi, fisiologi, metabolit dan molekuler dari tiga genotipe melon menunjukkan adanya perbedaan signifikan antara salinitas 0 mM NaCl dengan 220 mM NaCl. Kandungan air relatif (KAR) pada daun dari tiga genotipe melon menunjukkan penurunan signifikan akibat cekaman salinitas. Penurunan paling tinggi terjadi pada Melona, sedangkan Gama Melon Parfum menunjukkan penurunan kadar air relatif paling rendah di antara genotipe melon yang diuji. Nilai KAR pada daun berhubungan erat dengan akumulasi senyawa osmotic adjustment, salah satunya adalah prolin. Hasil analisis kandungan prolin menunjukkan adanya peningkatan signifikan akibat penambahan 220 mM NaCl pada medium penanaman. Selain itu, akumulasi senyawa ini sangat dipengaruhi oleh aktivitas enzim pyrroline-5-carboxylate reductase yang dikendalikan oleh gen P5CR. Pada tiga genotipe melon, ekspresi gen tersebut mengalami peningkatan signifikan akibat cekaman salinitas. Gama Melon Parfum dan Tacapa Gold memiliki peningkatan ekspresi yang sama, sehingga terindikasi bahwa kedua genotipe ini memiliki respon perubahan ekspresi gen P5CR yang sama saat terjadi cekaman salinitas. Malondialdehid (MDA) merupakan senyawa akhir dari proses peroksidasi lipid akibat adanya senyawa radikal bebas atau reactive oxygene species (ROS). Hasil analisis kandungan MDA menunjukkan adanya peningkatan kandungan MDA pada tiga genotipe melon akibat pemberian 220 mM NaCl. Selain itu, peningkatan MDA sejalan dengan peningkatan ekspresi gen CSD1-1 pada tiga genotipe melon dibawah perlakuan yang sama. Gen CSD1-1 berfungsi meregulasi aktivitas enzim antioksidan berupa superoxide dismutase (SOD). Hal ini mengindikasikan bahwa tiga genotipe melon mengalami peningkatan kandungan ROS akibat adanya pemberian 220 mM NaCl, namun hal tersebut diatasi dengan adanya peningkatan ekspresi gen CSD1-1. Klorofil merupakan pigmen yang berperan penting dalam proses fotosintesis pada tanaman. Kadar klorofil pada tanaman dipengaruhi oleh faktor lingkungan, salah satunya cekaman salinitas. Hasil penelitian pada tiga genotipe melon menunjukkan adanya penurunan kandungan klorofil pada Tacapa Gold dan Gama Melon Parfum akibat cekaman salinitas. Hal ini mengindikasikan cekaman salinitas mempengaruhi aktivitas biosintesis dan degradasi klorofil, sehingga berpengaruh terhadap proses fotosintesis pada tanaman. Karotenoid merupakan pigmen dan prekursor yang terlibat dalam biosintesis fitohormon asam absisat. Kandungan karotenoid pada tiga genotipe melon menunjukkan penurunan akibat penambahan 220 mM NaCl pada media penanaman. Hal ini berhubungan dengan adanya peningkatan aktivitas degradasi karotenoid oleh enzim 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase yang dikendalikan oleh gen NCED. Hasil analisis ekspresi gen tersebut menunjukkan peningkatan pada seluruh genotipe melon saat kondisi cekaman salinitas. Selain itu, konsentrasi relatif ABA juga mengalami peningkatan pada kondisi penambahan 220 mM NaCl. Hal ini mengindikasikan bahwa karotenoid yang menurun pada kondisi salinitas disebabkan adanya peningkatan proses biosintesis hormon asam absisat. Hormon ABA yang meningkat menyebabkan adanya perubahan regulasi pembukaan stomata pada tanaman. Hal ini ditunjukkan dengan penurunan persentase stomata terbuka pada tiga genotipe melon ketika terjadi cekaman salinitas. Selain itu, proses pembentukan stomata juga terhambat akibat adanya cekaman salinitas. Hal ini teramati adanya penurunan signifikan kerapatan stomata pada sisi adaksial akibat 220mM NaCl. Akumulasi natrium dan kalium juga terpengaruh akibat adanya penambahan 220mM NaCl pada media penanaman. Hal ini diamati pada nilai rasio Na/K yang mengalami peningkatan pada tanaman dengan kondisi salinitas. Peningkatan nilai rasio menunjukkan adanya peningkatan akumulasi natrium pada tanaman melon. Oleh karena itu, protein-protein transport (HKT dan NHX) yang ada pada sel bertanggung jawab terhadap perpindahan ion natrium dari luar menuju dalam sel tanaman. Pada penelitian ini, gen HKT1 dan NHX1 bertanggung jawab terhadap regulasi aktivitas protein transport natrium dan kalium pada tanaman melon. Hasil analisis ekspresi gen menunjukkan adanya peningkatan ekspresi gen HKT1 serta tidak adanya perubahan signifikan pada ekspresi gen NHX1 saat terjadi cekaman salinitas. Genotipe Gama Melon Parfum menunjukkan pola ekspresi yang berbeda dengan dua genotipe lainnya. Genotipe ini tidak memiliki perubahan signifikan pada ekspresi gen HKT1, namun terjadi peningkatan ekspresi gen NHX1 secara signifikan pada perlakuan salinitas. Hal ini mengindikasikan bahwa Gama Melon Parfum memiliki cara yang berbeda dalam menanggulangi natrium dari lingkungan maupun dalam sitoplasma. Aktivitas gen LEA (Late Embryogenesis Abundant) berkaitan dengan ketahanan tanaman terhadap cekaman lingkungan, salah satunya salinitas. Ekspresi gen ini pada tiga genotipe melon menunjukkan peningkatan akibat cekaman salinitas. Selain itu, Gama Melon Parfum memiliki peningkatan paling tinggi dibanding dua genotipe lainnya pada kondisi perlakuan 220 mM NaCl. Hal ini mengindikasikan bahwa genotipe Gama Melon Parfum memiliki ketahanan terhadap cekaman salinitas lebih baik dibanding dua genotipe lainnya. Cekaman salinitas pada tiga genotipe melon menunjukkan penurunan signifikan pada tinggi tanaman, rata-rata jumlah daun, panjang dan lebar permukaan daun. Penurunan pada karakter morfologi menunjukkan adanya hambatan dalam proses perkembangan dan pertumbuhan tanaman melon. Selain itu, bobot kering akar dan tajuk mengalami perubahan signifikan akibat cekaman salinitas. Bobot kering tajuk mengalami penurunan akibat penambahan 220 mM NaCl pada media penanaman. Selain itu, bobot kering akar tidak menunjukkan perubahan signifikan akibat salinitas. Hal ini mengindikasikan bahwa cekaman salinitas menyebabkan perubahan alokasi fotosintat pada tanaman menuju akar. Hasil analisis metabolomik menunjukkan adanya berbagai senyawa metabolit primer dan sekunder yang berhasil teridentifikasi. Senyawa-senyawa tersebut dikelompokkan menjadi 9 kelompok, yaitu asam amino, karbohidrat, kumarin, asam lemak dan lipid, flavonoid, asam organik, lain-lain, fenolik dan terpenoid. Senyawa metabolit primer yang berhasil teridentifikasi berupa asam sitrat, asam askorbat, ADP-glukosa, sorbitol, L-1-pirolin-3-hidroksi-5-karboksilat dan fosfoenolpiruvat, sedangkan senyawa metabolit sekunder yang berhasil teridentifikasi berupa kaempferol-3-glukuronida, naringenin-7-O-glukosida, quercetin-3-O-glukuronida, curcumenol, 4-metilumbeliferon, anetol dan eskuletin. Hasil analisis komponen utama (PCA) menunjukkan adanya pemisahan antara perlakuan 0 mM NaCl dan 220 mM NaCl. Pemisahan kelompok tersebut disebabkan adanya beberapa senyawa metabolit yang meningkat seperti asam askorbat, adenosin, curcumenol, asam kapératik dan cnicin. Selain itu, ditemukan juga beberapa senyawa metabolit unik yang hanya ditemukan pada setiap genotipe melon, seperti sinefrin, 4-hidroksi-5-[2-[(E)-3-hidroksiprop-1-enil]-4-metilfenil]-3-metilheksan-2-on, eskuletin, afzelin, apikatekin galat dan ornitin yang hanya ditemukan pada genotipe Melona. Hasil analisis metabolomik pada tiga genotipe melon menunjukkan beberapa senyawa metabolit yang dapat digunakan sebagai penanda cekaman salinitas. Senyawa tersebut berupa Mangostin Trimethyl ether, Mitomycin C, Adenosine dan Gitoxigenin Diacetate. Selain itu, cekaman salinitas juga memengaruhi aktivitas metabolisme pada empat lintasan berupa siklus asam trikarboksilat, metabolisme glikolat dan dikarboksilat, metabolisme arginin dan prolin dan metabolisme tirosin. Genotipe Tacapa Gold dan Gama Melon Parfum memiliki kesamaan aktivitas metabolisme yang dipengaruhi oleh cekaman salinitas. Namun, genotipe Tacapa Gold tidak menunjukkan peningkatan konsentrasi relatif pada senyawa L-Dopa. Hal ini mengindikasikan adanya peningkatan senyawa L-Dopa menyebabkan genotipe Gama Melon Parfum lebih tahan terhadap cekaman salinitas karena mampu meregulasi natrium dalam sel melalui aktivitas gen HKT dan NHX.