Struktur dan Komposisi Komunitas Bakteri di Rizosfer Tanaman Pisang yang Sehat dan Terinfeksi Fusarium oxysporum f.sp. cubense (Foc)

Abstract

Pisang merupakan salah satu komoditas buah yang penting dan memainkan peran dalam ketahanan pangan. Produksi dan ekspor pisang global menunjukan penurunan pada tahun 2022 jika dibandingkan dengan tahun 2021. Penyakit layu Fusarium yang disebabkan oleh cendawan Fusarium oxysporum f.sp cubense Tropical Race 4 (Foc TR4) telah menyebabkan kerusakan pada tanaman pisang Cavendish dan diperkirakan pada tahun 2039 pisang di Indonesia mengalami gagal panen sekitar 43% akibat dari Foc TR4. Mekanisme penekanannya dapat dilakukan dengan menerapkan sistem rotasi tanam. Rotasi tanam dapat berfungsi sebagai model ideal untuk memahami taksonomi, struktur mikrobiom maupun karakteristik berbasis fungsional yang dimiliki inang dan lingkungan yang berhubungan dengan penekanan penyakit layu Fusarium pisang. Analisis metagenomik dengan menerapkan teknologi Next Generation Sequencing (NGS) diterapkan untuk mendalami terkait struktur mikrobiom tanah. Penelitian ini bertujuan untuk menginvestigasi struktur dan komposisi komunitas bakteri di rizosfer tanaman sehat dan terinfeksi Fusarium yang terekayasa secara alami melalui praktik monokultur nanas dan pisang serta rotasi tanam nanas-pisang; merumuskan kandidat bakteri potensial yang penting untuk induksi ketahanan tanaman pisang terhadap patogen Foc TR4. Penelitian terdiri dari beberapa tahapan yaitu pengambilan sampel dari PT. Great Giant Pineapple, Lampung, Indonesia. Ekstraksi DNA, sifat fisikokimia tanah, amplifikasi gen 16S rRNA, library preparation, sekuensing, analisis bioinformatika dan visualisasi data. Taksa bakteri yang dominan pada tingkat filum di rizosfer tanaman sehat meliputi Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidota, Plantomycetota dan Verrucomicrobiota, sedangkan pada rizosfer tanaman yang sakit taksa dominan meliputi Proteobacteria, Chloroflexi dan Actinobacteriota. Pada tingkat genus Bacillus, Streptomyces, Nitrospira dan Acidibacter lebih dominan di rizosfer tanaman yang sehat, sedangkan Sphingomonas, Bradyrhizobium, Acidothermus dan Bryobacter mendominasi rizosfer tanaman yang sakit. Beberapa genus yang ditemukan di rizosfer tanaman yang sehat dan sakit diklasifikasikan sebagai Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR), yang berpotensi meningkatkan ketahanan tanaman terhadap stres biotik dan abiotik. Keberadaan PGPR pada tanaman sehat dan sakit menunjukkan bahwa PGPR spesifik dan kompleksitas struktur komunitas dapat berkontribusi pada peningkatan ketahanan, sementara genus yang lain mungkin tidak cukup untuk menekan penyakit layu Fusarium. Informasi yang diperoleh dari penelitian ini dapat menjadi dasar bagi upaya masa depan untuk memanipulasi mikrobioma rizosfer guna meningkatkan kesehatan tanaman dan pendekatan untuk mengintensifkan praktik pertanian regeneratif guna memulihkan kesehatan tanah.

Bananas are essential fruit commodities and play a role in food security. Global banana production and exports showed a decline in 2022 compared to 2021. Fusarium wilt disease caused by the fungus Fusarium oxysporum f.sp cubense Tropical Race 4 (Foc TR4) has caused damage to Cavendish banana plants, and it is estimated that in 2039, bananas in Indonesia will experience crop failure of around 43% due to Foc TR4. The suppression mechanism can be carried out by implementing a crop rotation system. Crop rotation can be an ideal model for understanding the taxonomy, microbiome structure, and functional-based characteristics of the host and the environment related to suppressing banana Fusarium wilt disease. Metagenomic analysis using Next Generation Sequencing (NGS) technology was applied to explore the structure of the soil microbiome. This study aims to investigate the structure and composition of bacterial communities in the rhizosphere of healthy and Fusarium-infected plants that are naturally engineered through pineapple and banana monoculture practices and pineapple-banana crop rotation; formulate potential bacterial candidates that are important for the induction of banana plant resistance to the Foc TR4 pathogen. The study consisted of several stages, samples were collected from PT. Great Giant Pineapple in Lampung, Indonesia and analyzed through steps including DNA extraction, physicochemical properties of soil, 16S rRNA gene amplification, library preparation, sequencing, bioinformatics analysis, and data visualization. The dominant bacterial taxa at the phylum level in the rhizosphere of healthy plants include Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidota, Plantomycetota, and Verrucomicrobiota, while in the rhizosphere of diseased plants, the dominant taxa include Proteobacteria, Chloroflexi, and Actinobacteria. At the genus level, Bacillus, Streptomyces, Nitrospira, and Acidibacter are more dominant in the rhizosphere of healthy plants, while Sphingomonas, Bradyrhizobium, Acidothermus, and Bryobacter dominate the rhizosphere of diseased plants. Some genera found in both healthy and diseased plant rhizospheres are classified as plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), which have the potential to enhance plant resistance against biotic and abiotic stresses. The presence of PGPR in both healthy and diseased plants suggests that specific PGPR and the complexity of the community structure may contribute to improved resistance, while others might not be sufficient to suppress the disease. The information obtained from this study could serve as a foundation for future efforts to manipulate rhizosphere microbiome to enhance plant health and provide an approach for intensifying regenerative agriculture practices to restore soil health.