Identifikasi, Karakterisasi, dan Ekspresi Gen Terkait Karotenoid pada Bunga African Marigold (Tagetes erecta L.)

Abstract

African marigold (Tagetes erecta L.) merupakan tanaman florikultura yang termasuk ke dalam famili Asteraceae dan banyak dibudidayakan di Indonesia khususnya provinsi Bali karena digunakan sebagai salah satu properti dalam upacara keagamaan. Bunga African marigold memiliki warna yang cukup bervariasi mulai dari putih, kuning, dan oranye. Selain itu, African marigold memiliki kandungan karotenoid yang memiliki manfaat di berbagai bidang. Meskipun kebutuhan African marigold di Indonesia terbilang tinggi, namun hingga saat ini pemenuhan benih African marigold masih bergantung pada impor dari Thailand, oleh karena itu, diperlukan usaha pengembangan varietas African marigold untuk meningkatkan keragaman dan kemandirian dalam penyediaan benih. Salah satu nilai jual dari African marigold yakni adalah kandungan metabolit sekunder berupa karotenoid yang tinggi, sehingga pengetahuan dasar mengenai kandungan metabolit pada varietas African marigold yang akan dikembangkan menjadi penting. African marigold varietas Sudamala Oranye 1 dengan kelopak berwarna oranye dan varietas Sudamala Kuning dengan warna kuning diduga memiliki pigmen karotenoid yang tinggi. Penelitian ini bertujuan untuk mengidentifikasi dan mengkarakterisasi profil metabolit dan pola ekspresi gen terkait jalur biosintesis karotenoid pada dua stadia perkembangan bunga. Materi genetik yang digunakan pada penelitian ini adalah bunga African marigold varietas Sudamala Oranye 1 dan Sudamala Kuning dengan dua stadia perkembangan bunga yakni bunga semi terbuka (stadia 3), dan bunga mekar sempurna (stadia 4). African marigold varietas Sudamala Oranye 1 dan Sudamala Kuning diperbanyak secara klonal dengan stek dan ditanam di Kebun Percobaan Pasir Sarongge, Cianjur, Jawa Barat dengan ketinggian 1100 mdpl. Sampel untuk analisis metabolomik diekstraksi dan dimaserasi dengan metanol 70% yang mengandung HCl 0,1% dan data yang diperoleh dianalisis menggunakan perangkat lunak Metaboanalyst. Pada analisis ekspresi gen, dilakukan ekstraksi RNA dan sintesis cDNA, kemudian data yang diperoleh diolah menggunakan metode ??CT Livak dan Schmittgen. Melalui penelitan ini, dari bunga African marigold varietas Sudamala Oranye 1 dan Sudamala Kuning telah diidentifikasi sebanyak 57 senyawa pada dua stadia perkembangan, dengan 26 senyawa terdapat pada semua stadia yang diuji. Golongan senyawa utama meliputi karotenoid, asam amino, fenol, dan terpenoid, di mana karotenoid dari golongan xanthophylls dan carotenes diduga berkontribusi pada pembentukan warna oranye dan kuning pada bunga. Analisis ekspresi gen menunjukkan bahwa gen-gen biosintesis awal (PSY, PDS, ZDS, CRTiso, LCY-B, dan LCY-E) dan gen-gen biosintesis akhir (CYP97A dan CYP97C) berperan dalam pembentukan pigmen dan akumulasi senyawa metabolit sekunder yang berbeda pada dua stadia perkembangan bunga.

African marigold (Tagetes erecta L.) is a floricultural plant belonging to the Asteraceae family and is widely cultivated in Indonesia, particularly in Bali province, where it is used as an important element in religious ceremonies. African marigold flowers exhibit considerable color variation, ranging from white to yellow and orange. In addition, African marigold contains carotenoids, which have benefits across various fields. Although the demand for African marigold in Indonesia is relatively high, the supply of African marigold seeds still heavily depends on imports from Thailand, therefore, efforts to develop new African marigold cultivars are necessary to enhance genetic diversity and achieve seed self-sufficiency. One of African marigold’s selling points is its high content of secondary metabolites, primarily carotenoids; hence, fundamental knowledge regarding metabolite content in African marigold cultivars under development is essential. The African marigold Sudamala Oranye 1 variety, with orange petals, and Sudamala Kuning variety, with yellow petals, are thought to contain high levels of carotenoid pigments. This study aims to identify and characterize the metabolite profiles and gene expression patterns related to carotenoid biosynthesis at two flower developmental stages. The genetic material used in this study comprised flowers of the African marigold Sudamala Oranye 1 and Sudamala Kuning varieties at two flower developmental stages: semi-open flowers (stage 3) and fully bloomed flowers (stage 4). Both genotypes were clonally propagated via cuttings and cultivated at the Pasir Sarongge Experimental Garden, Cianjur, West Java, Indonesia, at an altitude of 1100 meters above sea level. Samples for metabolomic analysis were extracted and macerated using 70% methanol containing 0.1% HCl, and the resulting data were analyzed using MetaboAnalyst software. For gene expression analysis, RNA extraction followed by cDNA synthesis was performed, and the data were processed using the Livak and Schmittgen method. This study identified a total of 57 compounds in the flowers of Sudamala Oranye 1 and Sudamala Kuning varieties across the two developmental stages, with 26 compounds common to all stages examined. The major compound classes included carotenoids, amino acids, phenolics, and terpenoids. Carotenoids belonging to the xanthophyll and carotene classes are proposed to contribute to the formation of orange and yellow pigmentation in the flowers. Gene expression analysis indicated that early biosynthetic genes (PSY, PDS, ZDS, CRTiso, LCY-B, and LCY-E) and late biosynthetic genes (CYP97A and CYP97C) play critical roles in pigment formation and the accumulation of secondary metabolites, which differ between the two developmental stages.