BIOTEKNOLOGI 1AGUNG Diajukan untuk memenuhi salah satu tugas matakuliah bioteknologi MAKALAH Disusun Oleh : Eni Yuspika Nur Rizki Amallia 12B008055 Titi Pujiyanti 1URUSAN BIOLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2010 BIOTEKNOLOGI 1AGUNG Jagung dibudidayakan secara komersial di lebih dari 100 negara dengan produksi sekitar 705jutametricton.Padatahun2004produsenjagungterbesardiduniaberturut-turutadalah AmerikaSerikat,Cina,Brasil,Meksiko,Perancis,danIndia.Padaumumnyajagung dibudidayakanuntukdigunakansebagaipangan,pakan,bahanbakuindustriIarmasi,makanan ringan, susu jagung, minyak jagung, dan sebagainya. Di negara maju, jagung banyak digunakan untuk pati sebagai bahan pemanis, sirop, dan produk Iermentasi, termasuk alkohol. Di Amerika, jagung banyak digunakan untuk bahan baku pakan. Di Indonesia jagung merupakan bahan pangan kedua setelah padi. Selain itu, jagung juga digunakansebagaibahanbakuindustripakandanindustrilainnya.Halinimengakibatkan kebutuhanjagungdidalamnegeriterusmeningkatdaritahunketahun.Untukmemenuhi kebutuhan jagung harus dilakukan impor, terutama dari Amerika.Diperkirakankebutuhanjagungdalamnegerisampaitahun2010akanterusmeningkat sehubungandenganbertambahnyajumlahpendudukdanberkembangnyaindustripangandan pakan. Oleh karena itu, produksi jagung dalam negeri perlu ditingkatkan sehingga volume impor dapat dikurangi dan bahkan ditiadakan.Ketergantungan akan jagung impor berdampak buruk terhadap keberlanjutan penyediaan jagungdidalamnegerimengingatkomoditasinidinegaraprodusenutamatelahdigunakan untuk berbagai keperluan, termasuk untuk bahan baku bioenergi. Di Amerika Serikat, misalnya, telah dicanangkan penggunaan jagung sebagai sumber bioenergi. Pada saatnya nanti akan terjadi persaingan penggunaan jagung untuk pangan, pakan, bahan baku industri, dan bioenergi. Apabilakebutuhanjagungnasionalmasihbergantungpadaimpordikhawatirkanakan mematikan industri pangan dan pakan berbasis jagung karena berkurangnya pasokan bahan baku. Halinimengancamketahananpangandankeberlanjutanusahapeternakan.Upayapeningkatan produksijagungdapatdilakukanmelaluiberbagaicara,antaralainmelaluiperbaikangenetik tanaman.Perbaikangeneticjagungbertujuanuntukmengatasikendalapertumbuhantanaman, terutama cekaman lingkungan biotik dan abiotik.Perbaikan genetik jagung dapat dilakukan secara konvensional maupun melalui rekayasa genetik(geneticengeenering).Denganberkembangnyabioteknologi,perbaikangenetikjagung melalui rekayasa genetik akan menjadi andalan dalam pemecahan masalah perjagungan di masa mendatang.Sepertidiketahui,pemuliaansecarakonvensionalmempunyaiketerbatasandalam mendapatkan siIat unggul dari tanaman. Dalam rekayasa genetic jagung, siIat unggul tidak hanya didapatkan dari tanaman jagung itu sendiri, tetapi juga dari spesies lain sehingga dapat dihasilkan tanamantransgenik.JagungBtmerupakantanamantransgenikyangmempunyaiketahanan terhadap hama, di mana siIat ketahanan tersebut diperoleh dari bakteri Bacillus thuringiensis. KendalapemanIaatansumbergenetikdalampemuliaankonvensionaldapatdiatasi melaluirekayasagenetikyangbertujuanuntukmendapatkantanamanyangmempunyaidaya hasiltinggidantahanterhadapcekamanbiotikdanabiotik.Penggunaanteknologirekayasa genetikpadatanamanjagungberkembangpesatsetelahpertamakaliGordonn-Kammetal. (1990)berhasilmendapatkantanamanjagungtransgenikyangIertil.Halinimerupakan terobosandalampengembangandanpemanIaatanplasmanutIahdalampenelitiandibidang biologi tanaman jagung. Teknologi rekayasa genetik merupakan teknologi transIer gen dari satu spesieskespesieslain,dimanageninteresberupasuatuIragmenDNA(donorgen) ditransIormasikan ke dalam sel atau tanaman inang (akspetor gen) untuk menghasilkan tanaman transgenikyangmempunyaisiIatbaru.TerdapatduametodedalampemanIaatanteknologi transIergen,yaitusecaralangsungdantidaklangsung.Metode transIergensecaralangsungdi antaranya adalah: a. ElektroIorasi (electroporation) Metodeinimenggunakanprotoplassebagaiinang.Denganbantuanpolyetilenglikol (PEG),DNAinteresterpresipitasidenganmudahdankontakdenganprotoplas.Setelah dilakukan elektroIorasi dengan voltase yang tinggi permeabilitas protoplas menjadi lebih tinggi, sehingga DNA melakukan penetrasi ke dalam protoplas. Metode elektroIorasi telah diaplikasikan pada protoplas jagung dan berhasil mendapatkan tanaman jagung transgenik tetapi tidak Iertil. b . Penembakan partikel (Particle bombardment),yaituteknologiyangmenggunakanmetodepenembakanpartikelataugengun.DNA yang melapisi partikel ditembakkan secara langsung ke dalam sel atau jaringan tanaman. Partikel yang mengandung DNA tersebut menembus dinding sel dan membran, kemudian DNA berdiIusi dan menyebar di dalam sel secara independen. Metode transIormasi dengan penembakan partikel pertamakalidiaplikasikanpadajagungolehGordon-Kammetal.(1990)danberhasil mendapatkan jagung transgenik yang Iertil. c. Karbid silikon (silicon carbide),yaituteknologitransIergendimanasuspensiseltanamaninangdicampurdenganseratkarbid silikon yang mengandung DNA plasmid dari gen interes, kemudian dimasukkan ke dalam tabung mikrodandilakukanpemutarandenganvortex.SeratsilikonkarbidaberIungsisebagaijarum injeksimikro(microinjection)untukmemudahkanperpindahanDNAkedalamseltanaman. Metode ini telah digunakan dan menghasilkan tanaman jagung transgenik yang Iertile. TransIergensecaratidaklangsung,yaitutransIergenyangdilakukanmelaluibantuan bakteri Agrobacterium (tidak langsung ditransIer ke sel atau tanaman). Gen yang berupa Iragmen DNAdisisipkanpadaplasmidTi(tumorinducing)daribakteriAgrobacterium.Melaluibekteri tersebutTiyangmengandungIragmenDNAdiinIeksikedalamintiseldanberintegrasidalam genom tanaman. Metode inimenghasilkanjagung transgenikyangIertile dan eIisien. Rekayasa genetikmelaluitransIormasiAgrobacteriumtumeIaciens(A.tumeIaciens)telahbanyak dilakukanpadatanamanmonokotiledon,sepertipadidanjagung,sehinggadigunakansebagai teknologi standar (rutin) untuk melakukan modiIikasi genetik terhadap spesies yang beragam. Keunggulan penggunaan transIormasi melalui A. tumeIaciens adalah: a. Mempunyai Irekuensi transIormasi yang tinggi b . Dapat terintegrasinya gen asing ke dalam genom inang c.Mempunyaijumlahcopynumberyangrendah,sehinggamemudahkanuntuk membedakan siIat ekspresi tanaman transgenik itu sendiri. StuditentanginIeksiA.tumeIacienspadatanamanjagungpertamakalidilaporkanoleh Grimsleyetal.(1988)danGouldetal.(1991).Penelitiyangmelaporkanpertamakalibahwa transIromasimelaluiA.tumeIaciensdapatditerapkanpadaspesiesserealiaadalahChanet al.(1992) dan Hiei et al. (1994), dengan menggunakan embrio muda sebagai eksplan. Ishida et al. (1996) telah berhasil mendapatkan tanaman jagung transgenik yang Iertil. Tanaman jagung yang digunakansebagaieksplanadalahgenotipeA188danhasilpersilanganA188dengangenotipe lainnya. Dengan tingkat Irekuensi yang tinggi, yaitu antara 5 dan 30, hampir semua tanaman jagungtransgenikyangdidapatkanmempunyaimorIologiyangnormaldanlebihdari70 merupakan tanaman Iertil. Setelah dilakukan analisis secara molekuler dan genetik, turunan dari tanaman jagung transgenik mempunyai stabilitas dalam integrasi dan ekspresi. Copy number dari gentertransIeryangterintegrasiadalahsatudanduakopi,hanyasedikityangmengalami rearrangement.LimajenisA.tumeIaciensyangtelahdikarakterisasidenganlatarbelakang kromosomyangberbedadankandunganplasmidTi-nyadapatdigunakankarenamembawa vektordengankonstruksikimeriksistembineryangdiaturolehpromoterCaMV35S.Kelima strain tersebut adalah C58c1, Agt121, EHA101, EHA105, HA105 and LBA4404. ProtokolyangdapatdilakukanuntukpengulangantransIormasijagungmelaluiA. tumeIaciensadalahmenggunakansupervektorbiner,dimanaA.tumeIaciensdapatmembawa ekstrakopibagivirB,virC,danvirGuntukmenginIeksiembriomuda,baikdariinbredline maupunhybdridline.Penggunaanvektorbineryangstandarjugadapatmenghasilkan transIormasi yang stabil, walaupun mempunyai Irekuensi transIormasi yang rendah (Gould et al. 1991).Frameetal.(2002)telahberhasilmendapatkanmetodetransIormasijagungyangstabil denganIrekuensitransIormasiyangtinggi,yaitu5,5,dimanauntukmeningkatkaneIisiensi tersebutdigunakanpenambahanL-Cyspadamediumkokultivasi.Keberhasilanmetode transIormasimelaluiA.tumeIaciensmemberikanpeluangbagiperbaikangenetiktanaman jagungdenganeIisiensiyangtinggi.EIisiensitransIormasiyangtinggidiperlukanuntukdapat menghasilkantanamantransgenikyangmempunyaiekpresiyangkuatdarisiIatgenyang diinginkan. Salah satu hambatan yang paling besar dalam upaya peningkatan produksi jagung adalah serangan organisme pengganggu tanaman (OPT), sepertihama dan penyakit tanaman. Serangan OPTpadatanamanjagungselainmenurukanproduksijugamengurangipendapatanpetanidan adanyaresidupestisidadalamjumlahbesaryangmenyebabkanpolusilingkungan.European cornborer(ECB),Ostrinianubilalis,merupakanhamajagungdiAmerikadanKanadayang dapat merugikan 1 milyar dolar Amerika per tahun.HamaECBdapatdieliminasiolehpestisidakimia,tetapihanyadapatdiaplikasipada arealyangterbatas(kurangdari20),karenaaplikasipestisidasulitdilakukandandiperlukan aplikasilain dalammengontrol ECB. Tersedianya bioaktiI dari kristal proteinyang dikode oleh genBt,memungkinkanmodiIikasigenetictanamanjagungyangdisisipidengangenBtuntuk menghasilkanjagungtransgenikBt(Btcorn).BtproteinyangdihasilkanolehgenBtdapat meracunihamayangmenyerangtanamanjagung.Setelahdimakanolehcornborer,Btprotein dipecaholehsuatuenzimpemecahdalampencernaanyangbersiIatalkalindarilarvaserangga danmenghasilkanproteinpendekyangmengikatdindingpencernaan.Pengikatandapat menyebabkan kerusakan membran sel sehingga larva berhenti beraktivitas. GenBtdisolasidaribakteritanahBacillusthuringiensisyangtelahdigunakanpetanidi negaramajusebagaipestisidahayatisejakpuluhantahunyanglalu.B.thuringiensis menghasilkan proteinKristal Bt, atau Crystal protein (Cry)yangmerupakan protein endotoksin yang bersiIat racun bagi serangga (insektisidal). Namun protein endotoksin yang dihasilkan oleh B.thuringiensistidakmelakukanpengikatanpadapermukaanpencernaanselmamalia,karena itu hewan ternak dan manusia tidak tahan terhadap protein tersebut . TerdapatdelapankelompokgenBtberdasarkansiIatvirulensinya,tetapiyangsudah banyakditransIormasikankedalamtanamanjagungadalahyangmenghasilkanjenisBt endotoksindarigenCry1Ab.ProteinCrydarigeninihanyamenghasilkansatujenisyang mengikat padalokasi spesiIik dari serangga target. Produksijagung Bt pada saat ini didominasi oleh Amerika, di mana areal pertanamannya pada tahun 2000 telah mencapai 92 dari total areal pertanaman jagung. Keuntungan diperoleh dari pertanaman jagung Bt di Amerika mencapai 141 juta dolar (59) dari total keuntungan sebesar 240 juta dolar Amerika. PertanamanjagungBtmempunyaidampakpositiIterhadaplingkungankarenadapat menekanpenggunaanpestisida.Penguranganpestisidaberartimenurunkanbiayaproduksi.Di negara bagian Iowa, Amerika Serikat, yang mempunyai 80 areal jagung Bt terjadi pengurangan penggunaan pestisida hingga 600 ton. Dampak positiI lain dari pertanaman jagung Bt adalah ketahanan tanaman terhadap jamur toksindariFusariumpenyebabbusuktongkol,dibandingkandenganjagungnon-Btyang mengalamikeruskanberat.Berdasarkanhasilanalisismikotoksin,jagungBtmempunyai kandunganIumonisin1,5ppm,sedangkanjagungnon-Btmempunyaikadaryanglebihtinggi, mencapai14,5ppm.PenelitianmenunjukkanbahwapenanamanjagungBttidakberpengaruh terhadapseranggabergunasepertilabalaba,coccinellid,chtysopid,nabid,danamanterhadap burung puyuh Northern Bobwhite. Sampai saat ini belum banyak dilaporkan perkembangan jagung transgenic di Indonesia. NamunBalaiBesarPenelitiandanPengembanganBioteknologidanSumberdayaGenetik Pertanian(BBBiogen)telahmelakukanpenelitianterhadapjagungBtyangtahanterhadap hama. Sejak 2006 BB Biogen melakukan penelitian transIormasi gen transporter nitrit (CsNitr-L) yangbertujuanmeningkatkan eIisiensi penggunaan N. Pemakaian pupuk N padajagungselama inimengalamibanyakkehilanganakibatadanyanitriIikasi,denitriIikasi,penguapan,dan pencucian. PadadasarnyapupukNyangdiseraptanamanhanyasekitar50,sehinggaterjadi ineIisiensi.JikagenCsNitr1-Ldiintroduksikanpadatanamanjagung,diharapkanakan meningkatkaneIisiensipemupukanNdanadanyatambahanharaNpadajagungakan meningkatkanhasil.MekanismeeIisiensiNadalahberdasarkanalurbiokimiadariasimilasiN-nitrat, di mana sumber nitrat yang sedikit diserap oleh tanaman jagung nontransgenik akan dapat denganmudahdigunakanolehtanamantransgenikyangmengandunggenCsNitr1-L.Sumber nitratyangberlebihanbagitanamanjagungdapatmenyebabkankeracunankarenadalam asimilasinyamenghasilkansenyawanitrityangberacun.Halinimengakibatkankapasitas penyerapan nitrat oleh tanaman jagung menjadi rendah untuk melakukan keseimbangan alamiah gunamenghindarikeracunannitritdalamselplastid.GenCsNitr1-Lmampumemindahkan dengancepatnitritdariplastidmenujuselkloroplasuntukdiubahmenjadisumberNamonium yang tersedia bagi pembentukan asam amino. Dengan semakin banyaknya nitrit yang ditranspor kekloroplas,makapembentukanasamaminosebagaibahanutamapembentukanproteinakan semakin banyak dan tanaman tumbuh lebih produktiI. PerakitantanamantransgenikdengangenCsNitr1-Ltelahdilakukanpadapadidan menghasilkantanamantransgenikyanglebihsehatsecaramorIologisdibandingkandengan tanamanpadinontransgenik.Mengacupadapemenuhankebutuhanjagungdalamnegeriyang masihimpor,peluangpengembanganjagungtransgenikmasihterbukaluas.Dalamkaitanini, beberapakendalayangmencakupsumberdayamanusia,biaya,danperalatansertakoordinasi dankerjasamaantarlembagaterkaitperlumendapatkanperhatianuntukdicarikanjalan keluarnya.