Karakterisasi Malai dan Gen DUF-640 pada Genotipe Hotong (Setaria italica (L.) Beauv.) Lokal Indonesia

Abstract

Hotong [Setaria italica (L.) Beauv.] merupakan tanaman serealia berbiji kecil yang menunjukkan resiliensi terhadap perubahan iklim karena toleransinya terhadap berbagai cekaman abiotik. Tanaman ini juga berpotensi dikembangkan sebagai pangan fungsional karena kandungan nutrisi dan manfaat kesehatan bijinya. Meskipun memiliki potensi yang besar, pemanfaatan dan penelitian untuk pengembangan hotong sebagai tanaman pangan masih tertinggal dibandingkan dengan tanaman serealia utama lainnya. Salah satu target perakitan varietas unggul hotong sebagai tanaman pangan adalah peningkatan produktivitas. Sejumlah penelitian menunjukkan bahwa karakter malai menentukan produktivitas hotong. Indonesia memiliki sejumlah genotipe lokal hotong yang bervariasi produktivitasnya, namun saat ini belum terdapat varietas unggul hotong di Indonesia. Oleh karena itu, karakterisasi malai, dan gen yang berpotensi mengatur karakter malai, pada genotipe hotong lokal Indonesia perlu dilakukan. Penelitian ini terdiri atas dua percobaan. Percobaan pertama bertujuan untuk mengidentifikasi karakter malai yang berkorelasi dengan produktivitas, dan mengidentifikasi genotipe hotong lokal Indonesia dengan karakter malai dan hasil yang baik sebagai bagian program pemuliaan hotong di Indonesia. Percobaan pertama dilaksanakan pada bulan Maret hingga Juli 2024 menggunakan delapan genotipe hotong, yaitu ICERI-5, ICERI-6, ICERI-7, Botok-4(B), Buru, Hambapraing, Mauliru-2, dan NTB-1. Hasil analisis korelasi terhadap karakter malai dan karakter hasil menunjukkan bahwa laju pengisian biji, bobot malai, bobot biji per malai, bobot biji per tanaman, jumlah biji pada cabang utama di zona tengah dan pangkal, serta kerapatan biji pada malai, kerapatan biji zona ujung, dan zona tengah malai berkorelasi positif dengan estimasi produktivitas. Karakter-karakter seperti bobot biji per malai, bobot biji per tanaman, dan jumlah biji cabang utama per malai menunjukkan nilai heritabilitas arti luas yang tinggi, serta nilai keragaman genetik dan keragaman fenotipik yang moderat, sehingga dapat dijadikan karakter seleksi. Analisis komponen utama dan pengelompokan (two-way heatmap clustering) menunjukkan bahwa Buru, ICERI-7, Hambapraing, dan Mauliru-2 merupakan genotipe dengan produktivitas tinggi. Percobaan kedua bertujuan untuk mengisolasi dan mengkarakterisasi gen DUF-640 (Seita.9G222400) pada genotipe hotong lokal Indonesia dengan karakter malai berbeda. Gen DUF-640 merupakan kandidat gen terkait QTL qPBN9.2 yang mengatur jumlah cabang utama (primary branch number) pada malai hotong berdasarkan penelitian sebelum ini. Percobaan dilaksanakan pada bulan Juni sampai dengan Oktober 2024. Materi genetik yang digunakan adalah sembilan genotipe hotong, yaitu ICERI-5, ICERI-6, ICERI-7, Botok-4, Mauliru-2, Botok-10, Buru, NTB-1, dan Hambapraing. Hasil penelitian menunjukkan bahwa gen DUF-640 berhasil diisolasi dari DNA genom sembilan genotipe hotong lokal Indonesia. Kontras dengan variasi pada karakter malai antara genotipe hotong lokal Indonesia yang teridentifikasi pada percobaan pertama, sekuens basa nukleotida gen DUF-640 tidak menunjukkan variasi antara sembilan genotipe hotong Indonesia. Analisis struktur gen dan filogenetik menunjukkan bahwa gen DUF-640 sangat terkonservasi antar berbagai genotipe hotong, Setaria viridis, S. bicolor, P. hallii, dan P. virgatum dari subfamili Panicoideae. Analisis domain protein menggunakan NCBI-CDD menunjukkan bahwa DUF-640 mengodekan protein yang tergolong dalam famili domain ALOG, kelompok faktor transkripsi yang penting dalam regulasi pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Pengelompokan berdasarkan kesamaan domain ALOG mengindikasikan bahwa gen DUF-640 kemungkinan memiliki fungsi terkonservasi dalam regulasi pertumbuhan dan perkembangan pembungaan pada hotong.

Foxtail millet (Setaria italica (L.) Beauv.) is a small-grained cereal crop demonstrating climate-resilience due to its tolerance to various abiotic stresses. This plant also has the potential as a functional food because of the nutritional content and health benefits of its grains. Despite its promising potential, the utilization and research for developing foxtail millet as a food crop still lag behind other major cereal crops. Increasing productivity is one of the key targets in breeding superior foxtail millet varieties as food crops. Several studies have shown that panicle traits determine foxtail millet productivity. Indonesia possesses several local foxtail millet genotypes with varying productivity. However, currently, no superior foxtail millet variety is available in the country. Therefore, characterizing panicle traits and identifying genes that potentially regulate these traits in local Indonesian foxtail millet genotypes is necessary. This study consists of two experiments. The first experiment aimed to identify panicle traits correlated with productivity and to identify local Indonesian foxtail millet genotypes with favorable panicle traits and yield as part of a foxtail millet breeding program in Indonesia. The first experiment was conducted from March to July 2024 using eight foxtail millet genotypes: ICERI-5, ICERI-6, ICERI-7, Botok-4(B), Buru, Hambapraing, Mauliru-2, and NTB-1. Correlation analysis of panicle and yield traits showed that grain filling rate, panicle weight, grain weight per panicle, grain weight per plant, number of grains on the main branch in the middle and basal zones, as well as grain density in the panicle’s tip zone, and middle zone, were positively correlated with estimated productivity. Traits such as grain weight per panicle, grain weight per plant, and number of grains on the main branch per panicle exhibited high broad-sense heritability and moderate genetic and phenotypic variations, making them suitable traits for selection. Principal component analysis and two-way heatmap clustering revealed that Buru, ICERI-7, Hambapraing, and Mauliru-2 are genotypes with high productivity. The second experiment aimed to isolate and characterize the DUF-640 gene (Seita.9G222400) in local Indonesian foxtail millet genotypes with different panicle traits. DUF-640 is a candidate gene associated with QTL qPBN9.2, which regulates the number of primary branches on foxtail millet panicles based on previous research. This experiment was conducted from June to October 2024. The genetic material used included nine foxtail millet genotypes: ICERI-5, ICERI-6, ICERI-7, Botok-4, Mauliru-2, Botok-10, Buru, NTB-1, and Hambapraing. The results showed that the DUF-640 gene was successfully isolated from the genomic DNA of all nine local Indonesian foxtail millet genotypes. In contrast to the variation in panicle traits among the genotypes identified in the first experiment, the nucleotide sequences of the DUF-640 gene showed no variation among the nine Indonesian foxtail millet genotypes. Gene structure and phylogenetic analysis indicated that DUF-640 is highly conserved across various foxtail millet genotypes, Setaria viridis, S. bicolor, P. hallii, and P. virgatum from the Panicoideae subfamily. Protein domain analysis using NCBI-CDD revealed that DUF-640 encodes a protein belonging to the ALOG domain family, a group of transcription factors important for regulating plant growth and development. Clustering based on ALOG domain similarity suggests that DUF-640 likely has a conserved function in regulating growth and floral development in foxtail millet.