Identifikasi Jenis dan Asal-usul Kayu dengan Penanda DNA
AYPBC Widyatmoko
Balai Besar Penelitian Bioteknologi dan Pemuliaan Tanaman Hutan [email protected]
Pendahuluan
Kegiatan penentuan jenis kayu (identifikasi jenis kayu), dalam arti luas adalah menentukan jenis kayu, mengukur dimensi kayu untuk mendapatkan volume, serta menetapkan mutu. Kegiatan ini penting dilakukan karena berhubungan baik kepentingan pemerintah, pihak produsen, maupun pihak konsumen.
Terkait dengan kepentingan pemerintah, penentuan jenis kayu berperan penting tidak hanya dalam hal pendapatan negara, tetapi juga legalitas jenis kayu yang ditebang atau dipasarkan. Bagi produsen, kepastian jenis kayu yang digunakan sangat penting untuk proses produksi dan pemasaran, karena jenis yang berbeda akan mempunyai sifat dan karakteristik yang berbeda pula, sehingga akan mempengaruhi proses produksi dan penggunaannya. Sedangkan bagi konsumen, kepastian jenis kayu akan lebih memudahkan untuk memilih kayu-kayu yang cocok untuk kepentingannya (Anonim, 2013).
Metode yang paling banyak digunakan untuk mengidentifikasi jenis kayu adalah dengan memeriksa sifat anatomi/struktur kayunya. Tetapi metode ini sangatlah susah untuk mengidentifikasi asal-usul kayu. Dewasa ini, identifikasi jenis dan asal-usul kayu banyak dilakukan menggunakan penanda DNA karena kelebihan yang dimiliki oleh metode ini.
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk menjawab beberapa pertanyaan mengenai identifikasi jenis dan asal-usul kayu menggunakan penanda DNA, yaitu: 1) Bagaimana peran penanda DNA dalam identifikasi jenis dan asal usul kayu?, 2) Apa tantangan dan kendala identifikasi jenis dan asal-usul kayu dengan penanda DNA?, 3) Bagaimana urutan kerja verifikasi asal-usul kayu?, dan 4) Sejauh mana kegiatan ini sudah dilakukan?
Diharapkan dengan membaca tulisan ini, para pembaca dapat memahami sejauh mana penanda DNA dapat digunakan untuk kegiatan identifikasi jenis dan asal-usul, termasuk tantangan dan kendala yang dihadapi, serta urutan kegiatan yang harus dilakukan.
Peran penanda DNA dalam identifikasi jenis dan asal usul kayu
struktur yang hampir sama (Anonim, 2013). Kesulitan akan semakin bertambah dengan semakin lamanya umur kayu (apalagi untuk kayu yang telah berumur ratusan tahun).
Identifikasi asal-usul kayu sangatlah susah dilakukan dengan memeriksa anatomi atau struktur kayunya karena perbedaan wilayah/populasi tidak memberikan perbedaan yang signifikan terhadap sifat dan karakteristik kayunya. Metode yang selama ini digunakan untuk mengetahui asal-usul kayunya adalah dengan menggunakan Chain of Custody (CoC), yang berupa dokumen asal-usul dari kayu. Tetapi tentunya dengan menggunakan metode ini, masih bisa terjadi kesalahan atau bahkan manipulasi terhadap asal-usul kayunya. Metode lain yang akhir-akhir ini digunakan adalah dengan melihat komposisi isotop dari bioelemen (hidrogen, karbon, nitrogen, oksigen, sulfur) (Förstel, 2007). Tetapi penggunaan metode ini sangat berhubungan dengan lingkungan dari tempat di mana pohon tumbuh (kayu berasal), sehingga tidaklah mudah untuk membedakan antara populasi yang satu dengan yang lain, apalagi untuk membedakan pohon/kayu yang berasal dari lokasi/populasi yang sama (yang mempunyai lingkungan yang sama).
Metode yang akurat untuk mengidentifikasi jenis dan asal-usul kayu adalah dengan menggunakan penanda DNA. Sifat dari DNA seperti disebut di bawah ini sangat mendukung ketepatan di dalam menentukan jenis dan asal-usul kayu, yaitu:
- DNA bersifat stabil dan keragaman tinggi
- DNA tidak dapat dimanipulasi pada saat penebangan dan pengolahan kayu
- Semua jaringan pada individu yang sama mempunyai susunan DNA yang sama dan diwariskan pada keturunannya
- Masing-masing individu/klon mempunyai karakter khusus
- Populasi yang berbeda kemungkinan mempunyai struktur genetik yang berbeda Degen dan Fladung (2007) mengatakan bahwa DNA dari sepotong kayu akan selalu terkandung di dalamnya, akan selalu terbawa dan tidak dapat/susah untuk dihilangkan/dirusak.
Dengan sifat stabil dari DNA dan semua jaringan pada individu yang sama mempunyai susunan DNA yang sama, maka di dalam penyusunan database, dapat dilakukan dengan menggunakan materi genetik yang lain yaitu daun (yang paling baik dan lengkap kandungan dan susunan DNA-nya). Tidak bisa atau sangat sulitnya memanipulasi DNA, maka DNA mulai dari pohon ditebang sampai dengan diproses (bahkan sudah berumur puluhan atau ratusan tahun) akan sama atau hanya berkurang sedikit karena terdegradasi. Proses evolusi yang terjadi pada populasi dapat menyebabkan perbedaan struktur DNA dari masing-masing populasi, sehingga memungkinkan membedakan populasi-populasi tersebut berdasarkan struktur DNA-nya. Tidak hanya itu, setiap individu tanaman/pohon (kecuali hasil pembiakan vegetatif) akan mempunyai susunan DNA yang berbeda, sehingga dapat dibedakan menggunakan penanda DNA.
polymorphism), RAPD (random amplified polymorphic DNA), AFLP (amplified fragment length polymorphism), SCAR (sequence characterized amplified regions), SSR (simple sequence repeat)/microsatellite, SNP (single nucleotide polymorphism) dan sequencing. Masing-masing penanda memiliki kelebihan dan kekurangan, dan penggunaannya pun dapat berbeda-beda. Penanda-penanda DNA tersebut secara garis besar dapat dibedakan menjadi 2 kelompok, yaitu penanda dominan (hanya menginformasikan ada tidaknya potongan DNA) dan penanda kodominan. Penanda kodominan menghasilkan informasi susunan DNA dari kedua orang tuanya. Penanda kodominan yaitu antara lain sequencing, SSR, SNP, RFLP, sedangkan RAPD, SCAR, AFLP adalah penanda dominan. Keseluruhan penanda DNA tersebut dapat digunakan untuk mengidentifikasi jenis dan asal usul, tergantung dari kegiatan seleksi yang dilakukan sebelumnya. Penanda yang banyak digunakan untuk identifikasi jenis dan asal-usul kayu adalah sequencing, SSR/microsatellite dan SNP.
Internal Trancribed Spacer (ITS) dari nukleus DNA telah banyak digunakan untuk identifikasi jenis dalam 10 tahun terakhir ini (Barker et al., 2007, Mort et al., 2007, Kenicer et al., 2005, Erikson et al., 2003). Penanda SSR atau microsatellite juga banyak digunakan untuk membedakan jenis, bahkan membedakan family. Dengan tingginya variasi/keragaman yang dapat diperoleh dari penanda SSR, penanda ini dapat digunakan untuk membedakan individu. (Duminil et al. 2006). Dewasa ini, telah banyak dikembangkan penanda SNP untuk membedakan jenis dan mendeteksi hibrid antar jenis, seperti yang dikembangkan untuk jenis Populus (Fladung et al., 2004).
Dengan beberapa kelebihan dari sifat DNA dan tersedianya berbagai macam penanda DNA, maka penanda DNA dapat digunakan untuk melakukan berbagai macam identifikasi, yaitu identifikasi jenis, identifikasi wilayah, identifikasi populasi dan identifikasi klon/individu pohon. Apabila dihubungkan dengan legalitas kayu, maka kemampuan identifikasi dari penanda DNA seperti tersebut di atas sangatlah bermanfaat untuk mengetahui kepastian dari asal-usul kayu. Identifikasi jenis akan sangat bermanfaat untuk mengetahui kebenaran jenis kayu yang disebutkan dan untuk menghindari tercampurnya jenis. Kemampuan penanda DNA untuk mengidentifikasi wilayah dan populasi akan mengetahui asal-usul dari kayu yang keluar dari suatu tempat. Sedangkan kemampuan penanda DNA untuk membedakan individu/klon, akan mengetahui secara pasti individu pohon yang ditebang.
Tantangan dan kendala identifikasi jenis dan asal-usul kayu dengan penanda DNA
Kemampuan penanda DNA di dalam mengidentifikasi jenis dan asal usul kayu, tentunya perlu didukung oleh berbagai macam pengembangan, mulai dari pengembangan metode untuk memperoleh DNA dari kayu, sampai dengan metode statistik untuk verifikasi asal-usul kayu.
Keberhasilan penanda DNA untuk dapat mengidentifikasi asal-usul geografis dari kayu tergantung dari perbedaan struktur genetik populasi dan kualitas dari database yang dihasilkan (jumlah dan distribusi dari sampel populasi, jumlah sampel per populasi). Oleh karenanya, tantangan atau kendala yang mungkin dihadapi untuk kegiatan identifikasi jenis dan asal-usul kayu antara lain: 1) metode ekstraksi DNA dari kayu kering dan jaringan tua yang lain, 2) jumlah materi yang cukup untuk dapat membedakan antar populasi (jumlah populasi dan distribusinya, serta jumlah individu per populasi), 3) database lengkap yang disusun dari sebanyak mungkin penanda DNA, dan 4) metode statistik untuk memverifikasi asal-usul. Mendeteksi asal-usul geografis dari sampel kayu, dibutuhkan koleksi sampel yang memadai dan genotyping dari populasi yang tersebar pada sebaran alaminya. Kemampuan untuk mendeteksi asal usul sampel kayu yang berasal dari suatu wilayah tergantung dari jumlah sampel, jumlah penanda polimorfik dan keragaman genetik dari populasi yang digunakan (Dykstra et al., 2003; Lowe, 2007). Finkeldey et al. (2007) mencoba untuk mengidentifikasi dipterokarpa menggunakan penanda genetika molekuler.
Pada tahun 2004, Lowe dan para rekannya mengekstraksi DNA dari kayu pohon ek dari kapal Mary Rose milik Raja Henry VIII, yang tenggelam pada 1945 dan diselamatkan pada 1982. Pada awal tahun 2011, Lowe dapat mengekstraksi DNA dari kayu yang berusia beberapa dekade dan mendapatkan hasil yang akurat (Lowe, 2007). Bahkan, Lapègue et al (1999) telah melaporkan keberhasilannya dalam mendapatkan DNA dari kayu Oak yang telah berumur sekitar 600 tahun. Noncoding region dari kloroplas DNA (cpDNA) telah berhasil diamplifikasi dari berbagai macam kayu oak, termasuk kayu oak yang telah berumur lebih kurang 600 tahun.
Urutan kerja verifikasi asal-usul kayu
Gambar 1. Alur kegiatan penelitian
Uraian singkat kegiatan penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Pengembangan metode ekstraksi DNA dari kayu
Ekstraksi DNA dari daun atau biji jauh lebih mudah daripada kayu karena mengandung DNA dalam jumlah yang cukup dengan kualitas yang baik. Ekstraksi DNA dari kayu, apalagi yang sudah berumur tua, sangatlah sulit karena DNA yang terkandung di dalamnya sudah mengalami degradasi, sehingga kuantitasnya sangat sedikit dengan kualitas yang kurang baik. Oleh karenanya, pengembangan metode ekstraksi DNA dari kayu menjadi kegiatan yang penting untuk mendapatkan DNA yang cukup untuk kegiatan selanjutnya. Metode ekstraksi DNA dari kayu dapat berbeda antara jenis satu dengan jenis lainnya, tergantung juga dari kandungan yang terdapat pada kayu tersebut.
Beberapa paper yang melaporkan pengembangan metode ekstraksi kayu adalah Doyle and Doyle (1987), Asif and Cannon (2005), dan Rachmayanti et al. (2006). Lowe (2004, 2011).
2. Pengembangan penanda DNA
Masing-masing penanda DNA mempunyai sifat dan karakteristik yang membuat mereka dapat digunakan untuk verifikasi asal-usul kayu atau tidak. Beberapa penanda DNA bersifat umum (universal), dimana dapat digunakan untuk berbagai jenis, sedangkan penanda lainnya bersifat species-specific (khusus untuk jenis tertentu saja).
Koleksi materi
Data base struktur DNA (Fingerprinting)
Identifikasi
populasi/individu pohon
Sampel kayu
Analisis DNA Verifikasi asal-usul kayu
Oleh karenanya, primer universal dapat langsung digunakan dari yang sudah dikembangkan, sedangkan penanda spesifik harus dikembangkan untuk masing-masing jenis. Penanda kloroplas dan mitokondria pada jenis daun lebar pada umumnya diturunkan dari ibunya (maternally inherited) dan biasanya menunjukkan struktur geografis yang cukup kuat walaupun variasinya relative rendah. Berbeda dengan penanda nuklear, penanda ini diturunkan oleh kedua induknya (bi-parentally inherited) dan mempunyai variasi yang sangat tinggi, walaupun kurang mencerminkan struktur geografisnya. Penanda nuclear DNA seperti microsatellite/SSR (simple sequence repeat) dan SNPs (single nucleotide Polymorphic DNA) dapat digunakan karena kedua penanda ini mempunyai variasi yang sangat tinggi sehingga akan berguna untuk identifikasi populasi atau individu.
3. Pengumpulan materi genetik dan pembangunan database
Pembangunan database genetik yang lengkap dari populasi jenis target merupakan syarat utama untuk mengaplikasikan database tersebut untuk mengidentifikasi asal-usul kayu menggunakan penanda DNA. Database genetik diperoleh dengan mengetahui struktur genetik dari populasi pada seluruh sebaran alamnya (bila memungkinkan). Selanjutnya database tersebut digunakan sebagai dasar untuk menganalisis identitas genetik, baik yang belum maupun sudah diketahui asal-usulnya. Database ini dibangun menggunakan berbagai penanda DNA dan keseluruhan populasi yang telah dikoleksi materi genetiknya. Isi dari database termasuk nama populasi, lokasi dan penanda spesifik.
4. Verifikasi asal-usul kayu menggunakan penanda DNA yang telah dikembangkan
Materi kayu yang telah dikoleksi dari beberapa populasi alam diekstraksi DNAnya dan dilakukan analisis menggunakan penanda DNA yang telah dikembangkan. Hasil dari analisis tersebut selanjutnya dibandingkan dengan database yang telah dibangun dengan metode statistik yang sesuai. Apabila kayu belum bisa teridentifikasi asal-usulnya, kemungkinannya adalah belum cukupnya penanda DNA yang digunakan untuk penyusunan database dan metode statistic yang digunakan.
Kegiatan identifikasi asal-usul kayu yang sudah dan sedang dilaksanakan
Kegiatan identifikasi asal-usul kayu menggunakan penanda DNA telah banyak dilaporkan. Finkeldey et al. (2007) melakukan identifikasi asal-usul kayu tropis (Dipterokarpa) menggunakan penanda molekuler. Identifikasi asal-usul kayu (beberapa masih dalam awal kegiatan) juga telah dilaporkan untuk kayu oak (Tang et al., 2011), ramin (Asif and Cannon, 2005) and merbau (Lowe et al., 2010).
penanda DNA. Kegiatan ini diawali dengan analisis keragaman genetik populasi merbau menggunakan penanda RAPD. Dengan diketahui jarak genetik yang cukup besar antar populasi, memungkinkan antar populasi dapat dibedakan secara genetik. Kegiatan yang telah dilakukan adalah pengembangan metode ekstraksi DNA dari kayu dan pengumpulan materi genetik merbau dari sebaran alaminya di Indonesia. Sebanyak 21 populasi mulai dari Sulawesi Tenggara sampai dengan Merauke (Papua) telah dikumpulkan. Populasi tersebut dapat mewakili keseluruhan populasi alam merbau yang ada di Indonesia. Penanda DNA sequencing dari kloroplas DNA (cpDNA) dan SSR telah dikembangkan untuk merbau. Saat ini database struktur genetik dari ke-21 populasi menggunakan penanda DNA yang telah dikembangkan sedang disusun. Penanda lain seperti SNP akan dikembangkan pada tahun 2013. Diharapkan pada akhir tahun 2014, database struktur genetik populasi merbau menggunakan penanda DNA telah selesai dikerjakan dan dapat digunakan untuk mengidentifikasi asal-usul kayu merbau.
Penutup
Kegiatan identifikasi jenis dan asal usul kayu merupakan salah satu kegiatan penting untuk memperoleh kepastian mengenai jenis dan asal-usul kayu. Informasi ini diperlukan baik oleh pemerintah, produsen maupun konsumen kayu. Berbagai metode dapat digunakan, tergantung dari tujuan dan kemampuan dari masing-masing metode untuk melakukan identifikasi. Dengan perkembangan ilmu genetika molekuler, penanda DNA dapat memberikan akurasi yang tinggi di dalam mengidentifikasi jenis dan asal-usul kayu. Tetapi mengingat biaya yang cukup tinggi dibandingkan dengan metode lain dan dibutuhkan peralatan yang cukup modern, metode ini dapat digunakan sebagai alternatif apabila metode yang lain tidak dapat melakukannya.
Daftar Pustaka
Anonim. 2013. Pengenalan jenis kayu- Manfaat Pengenalan Jenis kayu. http://www.dephut. go.id/ Halaman/STANDARDISASI_&_LINGKUNGAN_KEHUTANAN/ INFO_III01 /III_III01.htm.
Asif, M.J. and Cannon, H. 2005. DNA Extraction From Processed Wood: A Case Study for the Identification of an Endangered Timber Species (Gonystylus bancanus). Plant Molecular Biology Reporter 23: 185–192
Barker, N. P., Galley, C., Verboom, G. A., Mafa, P., Gilbert, M. and Linder HP. 2007. The phylogeny of the austral grass subfamily Danthonioideae: Evidence from multiple data sets . Plant Sys Evol 264:135-156
Degen, B. and Fladung, M. 2007. Use of DNA-markers for tracing illegal logging.
identification of timber origins” (Editor: Bernd Degen). pp. 6-14.
Doyle, J.J. and Doyle, J. L. 1987. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue. Phytochem Bull 19:11-15.
Duminil, J., Caron, H., Scotti, I., Cazal, S. O. and Petit, R. J. 2006. Blind population genetics survey of tropical rainforest trees. Mol Ecol 15:3505-3513
Dykstra, D. P., Kuru, G., Taylor, R., Nussbaum, R., Magrath, W. B. and Story, J. 2003. Technologies for wood tracking: Verifying and monitoring the Chain of Custody and Legal Compliance in the timber industry. Workshop on Log Tracking and Chain of Custody Systems. [email protected].
Erikson, T., Hibbs, M. S., Yodrer, A. D., Delwiche, C. F. and Donoghues, M.J. 2003. The phylogeny of rosideae (Rosaceae) based on sequences of the internal transcribed spcers (ITS) of nuclear ribosomal DNA and the TRNL/F region of chloroplast DNA. Int. J. Plant Sci. 164:197-211
Finkeldey, R., Rachmayanti, Y., Nuroniah, H. Nguyen, N. P., Cao, C. and Gailing, O. 2007. Identification of the timber origin of tropical species by molecular genetic markers – the case of Dipterocarps. Proceedings of the international workshop “Fingerprinting
methods for the identification of timber origins” (Editor: Bernd Degen). Pp. 20-27
Fladung, M., Nowitzki, O., Ziegenhagen, B. and Markussen, T. 2004. Identification of transgenes from wood of genetically transformed poplar trees. Wood Sci Technol 38:207-215
Förstel, H. 2007. Application of the natural variation of stable isotope composition in wood – a brief view of the history and outlook to the future. Proceedings of the international
workshop “Fingerprinting methods for the identification of timber origins” (Editor:
Bernd Degen). pp. 28-38.
Ibañez, M. T., Caru, M, Herrera, M. A., Gonzalez, L., Martin, L. M. Miranda, J. and Navarro-Cerrillo, R. M. 2009. Clones identification of Sequoia sempervirens (D. Don) Endl. in Chile by using PCR-RAPDs technique. Zhejiang Univ Sci B., 10(2):112–119. Kencier, G. J., Kajita, T., Pennington, R. T. and Murata, J. 2005. Systematics and
biogeography of Lathyrus (Leguminosae) based on internal transcribed spacer and cpDNA sequence data. Am. J. of Bot. 92:1199-1209
Lapègue, S. D. Pemonge, M.-H., Gielly, L., Taberlet, P. and Petit, R. J . 1999. Amplification of oak DNA from ancient and modern wood. Mol Ecol. 8(12):2137-2140.
Lowe, A. 2007. Can we use DNA to identify the geographic origin of tropical timber? Proceedings of the international workshop “Fingerprinting methods for the
identification of timber origins” (Editor: Bernd Degen). pp. 15-19.
Wiegand, C. M. and Crawford, D. J. 2007. Inferring phylogeny at low taxonomic levels: Utility of rapidly evolving cpDNA and nuclear ITS loci. Am. J. of Bot. 94:173-183
Rachmayanti, Y., Leineman, L., Gailing, O. and Finkeldey, R. 2006. Extraction, Amplification, and Characterization of Wood DNA from Dipterocarpaceae. Plant Molecular Biology Reporter 24: 45–55
Rimbawanto, A. dan Widyatmoko, AYPBC. 2006. Keragaman genetik empat populasi Intsia bijuga berdasarkan penanda RAPD dan implikasinya bagi program konservasi genetik. Jurnal Penelitian Tanaman Hutan 3: 149-154.
Rimbawanto, A. dan Widyatmoko, AYPBC. 2011. Identifikasi Aquilaria malaccensis dan A. microcarpa menggunakan penanda RAPD. Jurnal Pemuliaan Tanaman Hutan, 5:23-30. Runtunuwu, D.S, Rogi, J.E.X. dan Palendeng, J.H. Identifikasi varietas kentang “Superjohn”
berdasarkan penanda RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA). Eugenia, 17:52-59.
Scheepers, D., Eloy M.C. dan Briquet, M. 2000. Identification of larch species (Larix decidua, Larix kaempferi and Larix×eurolepis) and estimation of hybrid fraction in seed lots by RAPD fingerprints. Theoretical Applied Genetics 100:71-74.
Tang, X., Zhao, G. and Ping, L. 2011. Wood identification with PCR targeting noncoding chloroplast DNA. Plant Mol Biol. 77(6):609-17.
Widyatmoko, AYPBC. and Shiraisi, S. 2001. Identification of Acacia auriculiformis and A. mangium using RAPD markers. Bulletin of Kyushu Branch of the Japanese Forest Society, 54:55-56.
