KETAHANAN TERHADAP KEKERINGAN DAN SALINITAS
Abstrak
Kekeringan merupakan salah satu kendala utama dalam meningkatan produksi tanaman dan dapat menyebabkan kehilangan hasil hingga 70%. Faktor transkripsi mempunyai peranan penting dalam regulasi seluler dan perubahan fisik tanaman sebagai respon terhadap lingkungan. Sejumlah faktor transkripsi, seperti
CBF/ DREB, NAC,Zinc Finger Protein merupakan gen regulator yang berperan pada saat terjadi cekaman. Gen Oryza sativa NAC6 (OsNAC6 ) adalah salah satu faktor transkripsi yang dapat mengatur ekspresi gen pada saat terjadi cekaman. Plasmid pCambia 1305 yang mengandung gen kimera OsNAC6 yang dikendalikan oleh promoter CaMV 35S diintroduksi ke zigotik tanaman padi melalui transformasi Agrobacterium tumefaciens untuk mendapatkan tanaman transgenik. Jumlah plantlet putatif transforman yang dihasilkan 39 plantlet. Hasil analisis PCR menunjukan 21 tanaman positif hpt. Keberadaan gen hpt dalam genom dapat menjadi indikasi keberadaan gen target OsNAC6 . Dari analisis Southern Blot menunjukan tanaman transgenik mempunyai 1-3 salinan gen yang terintegrasi ke dalam genom tanaman. Ekspresi gen OsNAC6 pada galur C.71, C.83 dan C.91 lebih tinggi dibanding dengan tanaman kontrol. Hasil analisis lebih lanjut menunjukan bahwa ketiga galur tanaman transgenik mempunyai toleransi yang lebih tinggi terhadap cekaman kekeringan dan salinitas. Selain mengamati peningkatan ekspresi gen OsNAC6 pada tanaman transgenik, juga diamati terhadap gen regulator lain yang terkait dengan toleransi terhadap cekaman abiotik. Selain meningkatkan ekspresi OsNAC6 juga meningkatkan ekspresi relatif AP2, Zinc Finger Protein dan MYB. Faktor transkripsi
AP2/EREBP merupakan family yang cukup besar pada tanaman dan mempunyai peranan penting terhadap cekaman lingkungan atau cekaman biotik.
Kata kunci: A. tumefaciens, cekaman kekeringan, Oryza sativa, kultivar Ciherang, cekaman salinitas
Bab ini telah dipublikasi di Emirates Journal of Food and Agriculture (EJFA) dengan judul: Overexpression of OsNAC6 transcription factor from Indonesia rice cultivar enhances drought and salt tolerance
OVEREXPRESSION OF OsNAC6 TRANSCRIPTION FACTOR FROM INDONESIAN RICE CULTIVAR ENHANCES DROUGHT AND SALT
TOLERANCE
Abstract
Drought and salt are major constrain in crop production that reduce growth and cause yield loss of up to 70%. Transcription factor plays a major role in cellular regulation and physical changes of plants as a response to stress. A number of transcription factors, such as CBF/DREB, NAC, Zinc Finger protein are regulators during stress. The Oryza sativa NAC6 (OsNAC6 ) gene is one of the transcription factor in rice that can regulate gene expression during stress conditions. Thus, pCambia 1305 harboring OsNAC6 chimaeric gene with CaMV 35S promoter was introduced into rice zygotic embryo using A. tumefaciens mediated transformation to regenerate transgenic rice overexpressing the transgene. As many as 39 putative transgenic lines in which 21 lines possitively harbored hpt gene have been regenerated. The positive identification of hpt in the regenerated transgenic rice indirectly indicated integration of the targeted OsNAC6 since both transgenes were part of the same T-DNA. Further analysis indicated the presence of 1-3 copies of transgene integration in the genome. The expression of OsNAC6 transgene in the transgenic rice line#C.73, C.83 and C.91 were higher than wild type non-transgenic one. Further analysis indicated those three transgenic lines carrying OsNAC6 transgene exhibited higher tolerance against drought and salinity stresses. Moreover, three known stress-associated regulatory genes (AP2, Zincfinger protein and MYB) were up-regulated in those three transgenic lines. These findings demonstrated that OsNAC6 might be a candidate of stress-responsive NAC regulatory gene that can be used to develop either drought or salt tolerant tolerant transgenic plants.
Keywords: A. tumefaciens, Drought stress, Oryza sativa cv. Ciherang, Salt stress
This chapter has been published to the Emirates Journal of Food and Agriculture (EJFA), entitled: Overexpression of OsNAC6 transcription factor from Indonesia rice cultivar enhances drought and salt tolerance
Pendahuluan
Padi merupakan salah satu makanan pokok lebih dari setengah penduduk di belahan dunia termasuk Indonesia (Kibria et al. 2008). Seiring dengan peningkatan jumlah penduduk dalam rangka pemenuhan kebutuhan akan beras maka produksi padi secara nasional perlu ditingkatkan untuk menjamin ketahanan pangan. Namun demikian, usaha untuk meningkatkan produksi padi nasional masih menghadapi banyak kendala diantaranya adalah kendala faktor biotik maupun abiotik.
Pengaruh negatif cekaman kekeringan terhadap tanaman ditentukan oleh tingkat cekaman dan fase pertumbuhan tanaman saat mengalami cekaman. Cekaman kekeringan dapat menghambat pertumbuhan tanaman. Penghambatan pertumbuhan ini salah satunya dapat dilihat pada perluasan daun. Penurunan luas daun merupakan respon pertama tanaman terhadap kekeringan. Keterbatasan air akan menghambat perpanjangan sel yang secara perlahan akan menghambat pertumbuhan luas daun. Luas daun yang kecil mengakibatkan rendahnya transpirasi, sehingga menurunkan laju suplai air dari akar ke daun. Jika kondisi ini dibiarkan terus menerus, lama kelamaan akan terjadi absisi daun (Taiz dan Zeiger 2002).
Setiap tanaman memiliki mekanisme yang berbeda dalam menanggapi kondisi lingkungan yang tidak optimal, untuk mempelajari mekanisme tersebut diperlukan kajian fisiologi. Tanaman yang tahan kekeringan mengembangkan sejumlah strategi yang berhubungan dengan proses fisiologi. Berdasarkan kemampuan genetiknya, daya adaptasi tumbuhan terhadap cekaman lingkungan berbeda-beda. Cekaman kekeringan dapat mempengaruhi berbagai mekanisme seluler, biokimia, dan fisiologi tanaman. Pada tingkat seluler, kekeringan mengakibatkan kehilangan air protoplasmik sehingga konsentrasi ion meningkat, menghamabar fungsi-fungsi metabolik, dan meningkatkan kemungkinan terjadinya interaksi antar molekul yang dapat menyebabkan denaturasi protein dan fusi membran.
Tanaman mempunyai kemampuan untuk merespon dan beradaptasi terhadap cekaman kekeringan dengan mempertahankan diri dari kondisi cekaman tersebut. Cekaman kekeringan sering menyebabkan hambatan pertumbuhan, mengurangi produksi, dan bahkan menyebabkan kematian. Agar tetap dapat hidup dalam kondisi kekurangan air, maka tanaman harus memiliki sistem pertahanan terhadap cekaman lingkungan tersebut (Widyasari et al. 2004). Dalam menghadapi cekaman kekeringan, tanaman umumnya melakukan respon dan modifikasi baik bersifat morfologis maupun fisiologis. Secara morfologis, beberapa respon tanaman dalam menghadapi cekaman kekeringan antara lain : penurunan laju pertumbuhan daun, pembentukan lapisan lilin pada epidermis daun, mempercepat penuaan daun, dan peningkatan kerapatan rambut daun (Banziger et al. 2000; Hamim 2007). Respon secara fisiologis yaitu dengan penutupan stomata, penyesuaian tekanan osmotik, akumulasi asam amino prolin (Hamim 2007).
Respon tanaman padi terhadap cekaman kekeringan tergantung pada tingkat, waktu kekeringan, fase tumbuh, organ tanaman dan genotipe. Tingkat cekaman kekeringan berkaitan dengan nilai potensial air tanah, yang berkaitan erat dengan fase tumbuh tanaman padi (Yu et al. 2008). Tumbuhan merespon
adanya cekaman dengan mengirim sinyal yang dapat menyebabkan aktivasi sejumlah gen yang terkait dengan cekaman, dan mensintesis berbagai protein fungsional seperti faktor transkripsi, enzim, molekul chaperon, saluran ion, dan transporter, atau melakukan perubahan aktivitas respon fisiologis dan metabolik (Shinozaki dan Yamaguchi-Shinozaki 2000; Xiong dan Zhu 2002; Tran et al.
2004; Ouyang et al. 2007).
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa overekspresi gen terkait cekaman dapat meningkatkan toleransi terhadap kekeringan pada tanaman padi (Xu et al. 1996;. Garg et al. 2002; Jang et al. 2003; Hu et al. 2006, 2008; Ito et al. 2006; Nakashima et al. 2007; Oh et al. 2005). Overekspresi faktor transkripsi
C-repeat-binding protein/drought-responsive element binding protein
(CBF/DREB) pada tanaman Arabidopsis, padi dan tomat dapat meningkatkan toleransi terhadap salinitas, kekeringan dan cekaman abiotik lainnya (Lee et al.
2003; Oh et al. 2005). Overekspresi gen TaSC yang berasal dari gandum mampu meningkatkan ketahanan terhadap salinitas pada tanaman Arabidopsis. Protein fosfatase 2Cs (PP2Cs) up regulated dibawah kondisi cekaman salinitas (Meskiene et al. 2003). Overekspresi gen protein kinase pada padi mengatur ekspresi gen terkait cekaman dan meningkatkan toleransi terhadap kekeringan dan salinitas (Saijo et al. 2000). Overekspresi protein OsARP pada tembakau dapat meningkatkan toleransi terhadap salinitas (Uddin et al. 2008). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui respon padi transgenik overekspresi gen OsNAC6
terhadap kekeringan dan salinitas serta menguji keberadaan gen-gen faktor transkripsi yang bertanggung jawab terhadap respon cekaman abiotik.