Penulis dilahirkan di Pontianak pada tanggal 12 Agustus 1989 sebagai anak kedua dari tiga bersaudara, dengan ayah bernama Ashari dan ibu bernama Nurmawati. Pada tahun 2007, penulis lulus dari SMU Negeri 6 Pontianak dan pada tahun yang sama diterima di Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Tanjungpura Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB), lulus pada tahun 2012. Pada tahun yang sama, penulis diterima di Program Studi Mikrobiologi (MIK) pada Program Pascasarjana IPB dengan beasiswa studi calon dosen (Beasiswa Unggulan) dari Direktorat Pendidikan Tinggi (DIKTI) tahun 2012.
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains (M.Si),
penulis melakukan penelitian dengan judul “Studi Metagenomik Aktinomiset Berdasarkan Gen 16S rRNA dan Deteksi Gen nifH Pada Tanah dan Akar Empat Varietas Tanaman Padi Asal Indonesia dengan Teknik DGGE”. Penelitian ini dibimbing oleh Dr Ir Yulin Lestari dan Dr Ir Iman Rusmana M.Si. Artikel penelitian ini sedang dalam proses publikasi di jurnal Hayati Journal of Bioscience.
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Padi merupakan bahan makanan pokok penduduk Indonesia. Kebutuhan terhadap padi semakin meningkat seiring dengan pertambahan jumlah penduduk Indonesia yang mencapai 1.3% setiap tahunnya. Peningkatan kebutuhan terhadap padi tidak sebanding dengan angka produktivitas padi di Indonesia. Angka produksi padi di Indonesia pada awal tahun 2012 yaitu sebesar 68.96 juta ton gabah kering giling (GKG), sedangkan pada akhir tahun 2012 mengalami penurunan sebanyak 4.73% (0.66 juta ton) (BPS 2012). Penurunan angka produksi padi tersebut dapat disebabkan oleh penyakit, cekaman lingkungan, atau defisiensi salah satu unsur hara seperti nitrogen. Duan et al. (2012) menyatakan bahwa kebutuhan tanaman akan nitrogen lebih tinggi dibandingkan dengan unsur hara lainnya. Kekurangan suplai nitrogen dapat mengakibatkan pertumbuhan tanaman tidak optimum karena nitrogen merupakan faktor pembatas bagi produktivitas tanaman. Upaya alternatif yang dapat dilakukan untuk meningkatkan produktivitas tanaman padi yaitu dengan memanfaatkan mikrob endofit.
Mikrob endofit merupakan mikrob yang hidup didalam jaringan internal tumbuhan tanpa menyebabkan efek negatif terhadap inangnya (Hasegawa et al. 2006). Setiap tanaman dapat mengandung beberapa mikrob endofit penghasil senyawa metabolit sekunder yang diduga sebagai akibat koevolusi atau transfer genetik dari tanaman inangnya (Tan dan Zao 2001). Salah satu mikrob endofit yang berperan penting sebagai penghasil senyawa metabolit sekunder yaitu aktinomiset. Aktinomiset diketahui memiliki kemampuan menghasilkan beragam senyawa bioaktif. Sebanyak 22.500 senyawa bioaktif yang dihasilkan oleh mikrob, 45% dihasilkan oleh aktinomiset, 38% oleh fungi dan 17% oleh bakteri uniselular (Berdy 2005). Sifat aktinomiset endofit yang tidak berdampak negatif pada jaringan tumbuhan menunjukkan adanya hubungan simbiosis mutualisme antara aktinomiset endofit dan inangnya. Aktinomiset dapat memberikan keuntungan pada tanaman dengan memproduksi fitohormon, pelarut fosfat, pendegradasi selulosa, dan fiksasi nitrogen serta dapat mengontrol patogen dengan memproduksi metabolit sekunder (Tian et al. 2004; Nurkanto 2007, Khamna et al. 2010; Soe et al. 2010).
Aktinomiset yang telah berhasil diisolasi dari tanah, rizosfer, dan filosfer berpotensi sebagai antipatogen bagi tanaman. Sangmanee et al. (2009) telah berhasil mengisolasi Streptomyces sp. dari akar tanaman kacang polong (Pisum sativum). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa aktinomiset tersebut mampu menghambat pertumbuhan Oidium sp. yang merupakan penyebab penyakit embun tepung pada tanaman kacang polong. Correa et al. (2010) juga berhasil membuktikan bahwa beberapa isolat aktinomiset yang diisolasi dari daerah rizosfer tanaman semanggi putih (Trifolium repens) mampu melarutkan fosfat, memproduksi siderofor, dan memfiksasi nitrogen. Kemampuan dalam memfiksasi nitrogen dapat ditunjukkan oleh aktinomiset dari genus Micromonospora. Aktinomiset ini mampu mereduksi asetilen menjadi etilen yang merupakan indikator aktivitas nitrogenase (Villegas et al. 1997).
2
Penelitian terdahulu telah berhasil membuktikan bahwa aktinomiset endofit memiliki kemampuan untuk menstimulasi pertumbuhan tanaman padi. Kemampuan yang dimiliki aktinomiset tersebut yaitu mampu menambat N2 bebas
(Pratyasto 2012), mampu menghasilkan IAA (Yusepi 2011), melarutkan fosfat, siderofor, HCN, kitinase, serta mampu menghambat mikrob patogen seperti
Xanthomonas oryzae pv. oryzae yang merupakan penyebab penyakit hawar daun pada tanaman padi (Hastuti et al. 2012a).
Berbagai macam kemampuan aktinomiset endofit pada tanaman padi yang telah berhasil diketahui sangat terkait dengan keberadaan dan keragamannya di dalam jaringan tanaman inang. Tanaman padi di Indonesia memiliki beberapa tipe agroekosistem berbeda yang digunakan sebagai lahan pertanian, seperti lahan persawahan irigasi sangat baik ditanami padi varietas Ciherang (CHR) dan IR 64, lahan kering yang subur sangat baik ditanami padi varietas Situ Patenggang (STP), sementara itu dilahan pasang surut atau lebak sangat baik ditanami padi varietas Inpara (INR) (Suprihatno et al. 2009). Keragaman aktinomiset sangat bervariasi pada tanah yang berbeda (George et al. 2012). Tian et al. (2007) menyatakan bahwa Streptomyces spp. dan Nocardiodies sp. berhasil diisolasi dari tanaman padi dan Streptomyces merupakan genus yang paling banyak diisolasi dari batang serta akar tanaman padi asal provinsi Guandong, Cina Selatan. Penelitian terdahulu mengenai aktinomiset endofit yang dapat dikulturkan melaporkan bahwa jumlah populasi aktinomiset tertinggi pada tanaman padi yaitu pada saat masa vegetatif. Populasi tertinggi diperoleh dari bagian akar dengan dominansi pada genus Streptomyces berdasarkan identifikasi secara morfologi (Jelita 2012). Isolat Streptomyces endofit memiliki kemampuan untuk tumbuh pada media tanpa nitrogen dan memproduksi amonia yang mengindikasikan bahwa isolat tersebut mampu memfiksasi nitrogen pada tanaman padi (Sari 2014). Informasi mengenai pengaruh berbagai tipe agroekosistem terhadap komunitas aktinomiset pada tanah dan akar tanaman padi Indonesia masih belum diketahui. Selanjutnya, informasi mengenai bakteri yang berasosiasi dengan tanaman padi yang memiliki gen fungsional seperti gen nifH juga belum banyak diketahui. Masalah utama untuk mengetahui keragaman aktinomiset secara keseluruhan baik di tanah maupun di dalam jaringan tanaman padi yaitu hanya 1% mikrob yang dapat dikulturkan, sedangkan 99% lainya masih tidak bisa dikulturkan pada media buatan (Sekiguchi 2006). Solusi untuk mengatasi kesulitan dan keterbatasan yang terkait dengan teknik kultivasi melaluipendekatan secara metagenomik.
Prinsip analisis keragaman secara metagenomik dilakukan berdasarkan analisis DNA yang diambil langsung dari lingkungan, sehingga dapat diperoleh gambaran menyeluruh untuk suatu komunitas. Pendekatan ini sangat memungkinkan untuk menganalisis spesies-spesies yang tidak dapat dikulturkan di laboratorium. Penelitian keragaman aktinomiset pada batang dan akar tanaman padi asal Cina menunjukkan populasi aktinomiset lebih beragam menggunakan pendekatan molekuler dibandingkan dengan pendekatan kultivasi secara konvensional (Tian et al. 2007). DNA total yang telah berhasil diisolasi dapat diidentifikasi menggunakan penanda filogenetik seperti gen 16S rRNA dan recA (Stein et al. 1996). Beberapa teknik berbasis molekuler yang digunakan untuk menganalisis keanekaragaman bakteri adalah Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE), Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism
3 2000) dan Pyrosequencing (Fakruddin et al. 2013). Analisis keragaman genetika yang cepat dan sederhana untuk menelaah profil DNA pengkode 16S rRNA maupungen nifH hasil amplifikasi dapat dilakukan dengan teknik DGGE. Prinsip penggunakan teknik ini yaitu pemisahan fragmen DNA yang mempunyai panjang sama, tetapi komposisi sekuens pasangan basa yang berbeda (Fischer dan Lerman 1983). Pemisahan ini didasarkan pada pengurangan mobilitas elektroforesis dari molekul DNA yang terdenaturasi secara parsial di dalam gel poliakrilamida yang mengandung gradien DNA denaturant yang bertambah secara linear. Penggunaan teknik DGGE telah berhasil digunakan untuk menentukan keragaman komunitas mikrob yang kompleks (Muyzer dan Smalla 1998). Analisis keragaman menggunakan pendekatan metagenomik dengan teknik DGGE memungkinkan untuk mengetahui keragaman aktinomiset endofit secara keseluruhan serta mempunyai kemampuan untuk memfiksasi nitrogen pada tanah dan jaringan akar tanaman padi.
Perumusan Masalah
Aktinomiset endofit telah terbukti berperan penting bagi pertumbuhan tanaman padi. Salah satu faktor yang mempengaruhi hal tersebut yaitu keragaman aktinomiset endofit pada tanaman. Sampai saat ini penelitian mengenai keragaman aktinomiset lebih mengarah pada aktinomiset yang bersifat culturable
saja. Sekitar 99% mikrob termasuk aktinomiset tidak dapat dikulturkan secara in vitro sehingga data mengenai keragaman aktinomiset endofit secara keseluruhan dan keragaman mikrob atau aktinomiset endofit yang mampu memfiksasi nitrogen pada tanaman padi asal Indonesia baik yang bersifat culturable ataupun
unculturable belum tersedia.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui keragaman genetik aktinomiset berdasarkan gen 16S rRNA dan keragaman bakteri yang mampu memfiksasi nitrogen berdasarkan gen nifH pada tanah dan akar empat varietas tanaman padi dengan menggunakan pendekatan metagenomik.
Manfaat Penelitian
Analisis keragaman genetik aktinomiset pada tanaman padi diharapkan mampu memberikan informasi ilmiah dasar tentang keragaman aktinomiset yang berkolonisasi pada tanaman padi, baik yang bersifat culturable ataupun
unculturable. Selain itu informasi keragaman bakteri pemfiksasi nitrogen pada tanaman padi diharapkan dapat dimanfaatkan potensinya untuk meningkatkan produksi tanaman padi. Pengembangan bioprospeksi aktinomiset tersebut dapat digunakan untuk menghasilkan senyawa bioaktif yang bernilai ekonomi tinggi.
4
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian meliputi pengambilan dan sterilisasi sampel, isolasi DNA genom pada jaringan tanaman padi, amplifikasi gen 16S rRNA dan gen nifH, analisis keragaman menggunakan teknik DGGE dan konstruksi pohon filogenetik.