ORGANISASI GENOM

PENDAHULUAN

Pengertian Genom

Genom adalah gugus atau himpunan gen lengkap dari suatu organisme yang mengendalikan keseluruhan metabolisme sehingga organisme tersebut dapat hidup dengan sempurna. Genom terdiri dari satu set lengkap kromosom yang  diturunkan dari tetuanya. Banyaknya gen yang terdapat dalam suatu genom berbeda antar organisme. Semakin rumit suatu organisme, semakin banyak gen yang dikandung di dalam genomnya.  Istilah genom dipakai untuk menunjukkan keseluruhan kode genetik pada kromosom yang ada pada suatu organi sme. Baru pada tahun 1944 diketah ui, materi dari kode genetik itu adalah DNA yang ada pada setiap organisme. Sekarang ini istilah genom telah dikenal luas mas yarakat. Tidak semua rangkaian DNA itu mengkode suatu gen, kebanyakan justru bagian yang tak berfungsi apaapa atau yang biasa d ikenal dengan DNA sampah ( junk DNA ). Genom eukariot lebih komplek dibandingkan dengan genom  prokariot. Selain itu genom tana man diketahui memiliki kompleksitas lebih tinggi dibanding dengan genom eukariot lainnya.  Gen-gen  tersebut mengandung info rmasi untuk semua protein yang diperlukan dalam kehidupan suatu organisme.  Protein-protein ini berfu ngsi antara lain memberi bentuk organisme, membantu tubuh memproses makanan, menentukan bagaimana organisme berti ngkah laku a taupun beradaptasi terhadap lingkungan hidupnya.  DNA terdiri dari empat struktur kimia yang hampir sama susunannya, dinama kan nukleotida, yaitu  Adenin (A),  Timin (T),  Sitosin (C) dan  Guanin (G). Empat basa ini diulang-ulang ribuan samp ai jutaan  kali jumlahnya dalam genom, mulai dari organisme sederhana bersel  tunggal seperti bakteri sampai yang kompleks dengan sel ba nyak seperti tanaman, hewan dan manusia.  Sebagai perbandingan, genom  Eschericia coli,  sang bakteri dalam usus perut kita,  berukuran 4,5 juta basa,  Arabidopsis berjumlah 150 juta basa, tanaman padi berjumlah 453 juta basa, sedangkan manusia memiliki genom sebesar tiga miliar basa. Urutan (sekuen) DNA yang tersusun dari empat nukleotida ini sangatlah penting, karena sekuen  ini me landasi perbedaan da ri setiap makhluk hidup. Bahkan menentukan spesies suatu organisme.  Dalam sel tumbuhan terdapat tiga je ni s genom yaitu genom inti sel, genom kloroplas dan genom mitokondria. Ukuran  genom yang tersimpan dalam inti sel akan lebih  besar daripada inti sel itu sendi ri. Ukuran inti sel tumbuhan berkisar 3-10 m dengan kandungan DNA sekitar 10 11 pasang basa.  Organ mitokondria dan kloroplas juga mengandung bahan gentik ya ng penting tetapi biasanya dalam jumlah gen yang sangat kecil  dan bersifat  pewarisan maternal.  Informasi dalam DNA harus terorganisasi dengan cara te rtentu supaya dapat disimpan dalam organel dan tetap bisa dimanfaatkan sebagai sumber informasi. 

ORGANISASI GENOM INTI TANAMAN

Genom Inti 

Organisme eukariot  tingkat tinggi tumbuh dan berkembang memiliki jaringan-jaringan khusus yang terspesialisasi masing-masing jaringan memiliki fungsi yang berbeda. Karena DNA euka riot harus mengkode semua protein terspesialisasi yang terdapat  dan diperlukan oleh jari n gan-jaringan yang berbeda, maka mudah dipahami bila organisme e ukariot memiliki jumlah DNA yang lebih besar dari organisme prokariot. Jumlah DNA pada satu sel tanaman atau hewan berada dalam bentuk kromosom dapat mencapai 100 sampai 10000 kali lebih  besar dari bakteri. Namun demikian, jumlah DNA yang besar tidak  begitu saja berkorelasi dengan kompleksitas yang lebih tingg i dari orga nisme tersebut. Telah diketahui bahwa genom tanaman atau manusia harus mengkode jauh lebih banyak protein dibandin gkan sel bakteri meski fenomena ukuran genomnya ribuan kali lebih besar.  Hal ini terjadi karena di dalam genom  eukariot te rdapat banyak DNA yang tidak mengkode protein. Gen-gen yang akti f berekspresi menghasilkan protein berupa sekuen DNA kopi tun ggal. Pada  eukariot, proporsi DNA kopi tunggal yang fungsional relatif lebih kecil dibandingkan genom secara keseluruhan.

Organisasi Genom Inti

Berbeda dengan bakteri, DNA tanaman biasanya tidak berada dalam keadaan bebas d i dalam sitoplasma. Pada  keadaan sel tidak membelah, kromosom tersebar di dalam nukleus berupa massa  kompleks benang DNA deng an protein yang disebut kromatin. Jumlah DNA yang  sangat banyak di dalam sel eukariot berimplikasi kepada masalah pengemasa n  ke dalam bentuk yang lebih kompak. Pada kedelai diploid, kandungan DNAnya sekitar 4 x 109 pasang basa yang berarti panjangnya  hampir 1,5 meter. DNA sebanyak itu harus dikemas di dalam inti sel yang berdiameter tidak lebih dari 10 um.  Kromatin mempunyai butir-buti r kec il dan komponen dari struktur ini adalah unit-unit kromatin berbentu k bundar yang disebut nukleosom (tubuh). Pengkompak an DNA dimulai dengan satu nukleosom mengandung 146 pasang basa melingkari histon oktamer (masing-ma sing 2 H2A, 2 H2B,  2 H3 d an 2 H4) sehingga mencapai ketebalan 11 nm. Nukleo som dapat diamati pada fase sub-fase leptoten dan paki ten.   Di antara nukleosom satu dengan yang lain terdapat DNA penghubung (linker DNA) yang ukurannya bervar iasi dari 20 sampai  100 pasang basa sehingga mencapai ketebalan 30  nm. Histon H1 berasosiasi pada DNA penghubung. Pengkompakan DNA ke dalam st r uktur kromatin melindungi degradasi DNA oleh enzim nuklease. DNA yang melilit molekul histon oktamer terlindungi dari enzim-en zim yang dapa t mendegradasi DNA. Gabungan diatas memendek membentuk pola gelombang dengan lebar antara puncak dan lembah gelo mbang sebesar 300 nm. Pembent ukan nukleosom memperpendek panjang untaian menjadi seperlimanya dinamakan de ngan solenoid. Struktur ini kemudian menggulung lagi sampai membentuk kromosom.  Pada sel eukariot, biasanya ha nya 5-10% saja dari total DNA yang terekspresi. Banyak gen-gen yang hanya di transkripsi pada waktu tertentu dan pada jaringan tertentu dan bahkan pada kondis i lingkungan tertentu. 

Struktur Kromosom

Bagian kromosom terdiri dari telo mer yang terletak di bagian ujung kromosom dan  terdiri dari sekuens DNA  yang dibutuhkan untuk  stabilitas ujung

kromosom, sentromer yang merupakan bagian kromosom yang beras osiasi dengan benang gelendong, ketika pembelahan mitosis ataupun meiosis.   Selain itu terdapa t juga bagii an kromosom yang cenderung padat pilinannya dan jelas tampak pada interfase, umumnya berada di sekitar sentromer d an telomer. Bagian ini dinamakan heterokromatin. Sedangkan bagian kromosom yang memiliki kepadatan normal dan me ngalami siklus  kondensasi, cenderung kurang memilin pada interfase dinamakan eukromatin. Gen-gen aktif umumnya berada pada bagian ini.   Kromosom organisme terdiri dari  dua bentuk yaitu linear dan sirkular. Semua kromosom inti eukariot mempunyai bentuk linear, sedangkan mitokondria mempunyai bentuk sirkular. Hampir semua spesies bakteri mempunyai kromosom berbentuk  sirkular, baik DNA  kromosom maupun DNA plasmid. DNA mitokondria dan DNA bakteri mempunyai ukur an relatif kecil bila dibandin gkan dengan DNA kromosom inti eukariot. Virus memiliki ukuran DNA yang sangat kecil berbentuk linear. Be ntuk sirkular memberi kan perlindungan bagi DNA dan aksi enzim-enzim endonuklease yang biasa bekerja memotong dari ujung DNA. Kromosom eukariot line ar melindungi diri dengan cara berasosiasi dengan protein histon. Watson dan Crick (1953) menyataka n bahwa molekul DNA terdiri dari dua utas polinukleotida yang  terpilin  pada satu sumbu yang sama (DNA berutas ganda). Hampir sebagian besar organism e termasuk seluruh bakteri dan eukariot memiliki  struktur kromosom berutas ganda. Virus dengan nama bakteriofage M13 memiliki struktur kromosom utas tungga l di mana dalam sat u molekul DNA tersebut hanya ada satu rantai polinukl eotida. DNA utas ganda berfungsi untuk melindungi diri dari kerusakan ak ibat  kegiatan enzim dalam sel ataupun perubahan kondisi sel. Posisi basa yang  berada di bagian dalam heliks ganda menyebabka n molekul DNA cukup stabil atau  tahan dari pengaruh luar. Hal ini berbeda dengan DNA utas tunggal yang ra wan terhadap pengaru h luar karena basa-basanya berada dalam keadaan be bas. DNA utas ganda merupakan syarat DNA dapat melakuk an reflikasi. Pada DNA  utas tunggal virus terdapat ruas-ruas yang urutan basanya merupakan komplemen  atau antiparalel terhadap ruas yang lain sehingga pada saat  akan melakukan reflikasi,  ruas-ruas ters ebut akan berpasangan satu dengan lainnya membe ntuk utas ganda. Struktur superhelik (superkoil)  merupakan bentuk khusus penggulungan DNA. Struktur superkoil merupakan fe  nomena umum yang terjadi pada DNA sirkular seperti pada kromosom bakteri,  plasmid dan DNA virus. Pelipatan atau penggulungan  superkoil terjadi akibat adan ya ketegangan pada permukaan heliks ganda. Enzim yang berperan dalam pembent ukan struktur superk oil adalah enzim topoisomerase. Topoisomerase beke rja mengatur perubahan topologi DNA dengan cara menaikkan atau menurunkan   jumlah pilinan pada heliks ganda. Topoisomerase I berfungsi meningkatkan  jumlah pilinan heliks (pilinan positif) sedangkan to poisomerase II berfungsi menurunkan pilinan heliks ganda (pilinan negatif). 

Struktur Gen

Gen merupakan fragment DNA yang da pat ditranskripsikan menjadi RNA dan diterjemahkan menjadiprotein, ya ng selanjutnya mampu mempengaruhiproses fisiologi tanaman maupun fenotipenya. Pada dasarnya gen tersusun oleh empat komponen:

1.       Regulator.   Merupakan bagian dari gen ya ng berperan dalam pola aktivasi suatu gen (pada rangkaian fisiologis apa,  kondisi apa, fase perke mbangan apa, atau pada organ apa). Re gulator terdapat pada awal sebuah gen mendahului promotor. Regulator terdiri dari tiga elemen responsif yaitu HSE (Heat Shock  response Element), GRE ( Glucocorticoid Response Element ) dan SRE (  Serum Response Element).

2.        Promotor.  Merupakan bagian dari gen  yang berperan dalam penentuan utas yang akan dikode untuk dit raskripsikan dan kapan titik awal transkripsi akan dilakukan. Letak promotor berada sebelum  titik awal transkripsi, sehingga  jarak dari titik inisiasi dinotasikan de ngan tanda '-', atau disebut arah  downstream. Promotor yang paling umum terdapat  da lam gen tanaman adalah TATA box. Selain TATA box (TATAAA, 10 bp), jenis  promotor lainnya adalah CAAT box (GGCCAATCT, 22 bp),  GC box ( GGGCGG, 20bp),  Octamer (ATTTGCAT, 20 bp), kB (GGGACTTTCC, 10 bp) dan ATF (GTGACGT, 20 bp).

3.       Transcribed  Region.  Merupakan bagian gen ya ng akan ditranskripsikan menjadi RNA. Bagian ini dimulai dari titik awal transkripsi (start s ite) hingga titik akhir transkripsi ( termination site ). Notasi mulai  start site  adalah `+' atau  uptream.  Dalam bagian i ni terdapat bagian ya ng akan dibawa keluar dari inti sel yang disebut exon, dan bagian yang akan tetap ditinggalkan di dalam i nti sel, yang disebut  intron. Pada bagian  exon mRNA, terdapat bagian yang akan diterjemahkan menjadi rantai asam amino ( Open Reading Frame/ORF ) dan bagian yang tidak diterjemahkan (Un-translated Region/UTR).

4.        Terminator.  Merupakan bagian sekuens  DNA dari suatu gen yang memberi tanda kepada enzim penyus un RNA (RNApolymerase) untuk menghentikan proses pemanjangan rantai RNA. Kompleksitas Genom Inti

Sekuen DNA Berulang ( Tendemly Repeated DNA ) merupakan ciri dari eukariot. Pada prokariot hampir keseluruhan genom merupakan sekuen yang khas. Sekuen berulang ( repetitive sequens DNA ) ditandai oleh banyaknya pasangan nukleotida tiap ruas, jenis runtunan basa pada setiap ruas, banyaknya ruas rangkap tiap jenis runtunan.   Berdasarkan frekuensi pemunculannya, sekuen berulang dibagi menjadi;

1)         sekuen berulang tinggi atau fraksi cepat ( highly repetitive ), yaitu berulang sampai 106 tiap genomnya. Sekuen ini terdiri  dari rangkaian yang sederhana dan cenderung berhubung an dengan kromatin sert a terkonsentrasi pada bagian dekat entromer.

2)         Sekuen berulang menengah ( moderately repetitive )yang  disusun oleh sekuen yang berulang antara 10 2 sampai 10 5 dengan panjang sekuen pengulangan 400-500 pasang basa di mana se ba gian besar tersebar di antara sekuen-sekuen yang khas. Jumlah sekuen  berulang pada spesies tertentu dapat mencapai lebih dari  90% dari total DNA. Umumnya DNA dengan sekuen berulang tinggi terletak pada bagian heterokromatin. Hampir keseluruhan prote in kecuali histon dibentuk di bawah kendali sekuen yang khas. Histon dibentuk ol eh sekuen berulang. Sebagian sekuen berulang  menengah ditanskripsikan  ke dalam rRNA dan tRNA. RNA yang mengendalikan pembentukan protein (mRN A) dibentuk oleh sekuen yang  khas. Sebagian dari sekuen berulang tinggi  tidak diekspresikan atau tidak berfungsi dalam transkripsi.

Sampai saat ini masih   banyak hal yang belu m terjawab tentang fungsi sekuen berulang, tetapi keberadaannya telah terbukti dan dapat diterima.  DNA kopi berulang dipelajari dari an alisa kinetik hibridisasi. DNA rantai ganda dapat didenatur menjadi DNA  rantai tunggal den gan menaikkan temperatur. Bila temperatur diturunkan, rantai tunggal berasosiasi kembali membentuk rant ai ganda. Sekuen DNA ya ng mempunyai kopi banyak (berulang) akan berasosiasi  secara cepat, sedangka n yang mempunyai kopi sedi kit atau kopi tunggal akan memerlukan waktu lebih la ma untuk menemukan dan berasosiasi kenbali denga rantai pasangannya. Menu rut  Russell (1986) terdapat sebagian DNA kopi berulang yang fungsional dalam menghasilkan protein.  Ukuran genom sesama eu kariot akan  bervariasi sangat besar. Pada tanaman, ukuran genom sangat bervar iasi dan DNA sekuen kopi berulang diketahui men yumbang secara substansial te rhadap ukuran genom tersebut serta bertanggungjawab terhadap variasi ukur an genom yang ada (Cava lier-Smith, 1985).  Tanaman dengan ukuran genom yang  relatif besar cenderung mempunyai proporsi DNA sekuen kopi berulang yang   besar. Organisasi DNA sekuen kopi berulang dalam suatu genom tersusun secara berurutan dan berkelompok di daerah-daerah tert entu pa da kromosom. DNA sekuen ko pi berulang biasanya terdapat pada bagian heterokromatin sepe rti telomer atau di sekitar se ntromer. Ukuran DNA kopi berulang bervariasi dari  yang berukuran ratusan sampai ribuan basa per kopinya (Aswidinnoor et al, 1 991).  DNA kopi berulang yang memiliki sekuen  motif hanya beberapa basa saja disebut dengan sekuen DNA berulang sederhana (  simple sequence repeat  - SSR). SSR hanya memiliki sekuen motif dari 2, 3  dan 4 basa saja. Pada padi misalnya, motif-motif S SR yang ditemukan anta ra lain (GA)n, (GT)n, (TTG)n, (CGG)n, (TGT)n, (CAG)n, (TGG)n, (GATA)n,  (ATC)n, (CTTT)n dan (CATG)n (Mc Coutch et al, 1997).

Satelit; Bagian DNA yang memiliki frekuensi pengulangan sekuen sangat tinggi dengan panjang pengulang an sekita r satu sampai beberapa ribu pasang basa. Tipe sekuen dari satelit banyak terjadi mengelompok di sekitar bagian heter okromatin (sampai 100 juta pasang  basa), dekat bagian sentromer dan telomer, serta banyak juga ditemukan pada kromosom Y (jantan).

 Minisatelit;  Frekuensi pengulangan sekuen sedang, dengan ukuran pengulangan moderat (9 sampai 100 bp, teta pi biasanya  sekitar 15 bp), umumnya dengan panjang sekuen rata-rata 0.5  kb sampai 30 kb. Minisatelit banyak ditemu kan pada bagian eukromatin dari genom tanaman dan memiliki ukuran yang sangat bervariasi. 

Mikrosatelit;  Frekuensi pengulan gan sekuen  genom sedang.  Mikrosatelit merupakan bagian DNA yang mengandung  sekuen pengulangan 2-6 bp. Ukuran ini ditemukan  pada genom vertebrata, se rangga dan tanaman. Jumlah kopi akan bervariasi dari setiap spesies, biasa nya berjumlah 10 sampai 10 0 kopi sekuen. Mikrosatelit dapat juga disebut sebagai  Simple Sequence Repeat  (SSR),  ShortTandem Repeat  (STR),  Simple Seq uence Motif  (SSM) atau  Variable Number Tandem Repeat (VNTR).  Mikrosatelit terdapat pada semua  genom inti pada organisme  eukariot. Jumlah SSR tertinggi pada tanaman adalah  dinucleotide (AC)n, (GA)n, dan trinucleotide (AAG)n, (AAT)n. SSR tersebar   di sepanjang genom inti serta terdapat juga di genom kloroplas dan genom mitokondria.

Sekuen Khas ( Dispersed DNA ) ditemuk an tersebar di sepanjang genom inti, memiliki sekuen yang unik di mana dari sekian banyak pasang basa yang terdapat di dalamny a, hanya ditemukan  sekali atau beberapa kali saja unit berulang (low copy number). Pada genom eukariot juga ditemukan banya k kopi dari  pseudogen yang mempunyai sekuen DNA yang hampir sama dengan gen fungsional namun pseudogen tidak ditranskripsikan  karena  beberapa elemen yang diperlukan untuk transkripsi telah hilang.

Gen Transposon

Gen transposon (elemen loncat)  merupakan elemen DNA yang bisa berpindah tempat ( mobile genetic el ement ) dan mengalami transposisi di mana suatu potongan DNA yang tersisip dala m sebuah replikon yang lebih besar dan dapat b erpindah tempat dari satu situs ke  situs lain, baik dalam satu replikon yang sama atau antar replikon yang berbeda. Elemen lon cat merupakan bagian umum dari kromosom, plasmid, gemon fage da n sebagainya yang banyak terdapat dalam prokariot dan eukariot  termasuk khamir, protozoa,  Drosophila dan tanaman. Keberadaan elemen loncat pertama kali dikemukakan oleh Barbara McClintoc k pada 1950 yang melakukan pengamatan pada jagung dan menemukan adanya kelainan segregasi pada  beberapa sifat yang dihubungkan  dengan perubahan kromosom nomor9. Selain itu  juga ditemukan fenomena elemen loncat pada bakteri. Proses perpindahan eleme n loncat  disebut transposisi. Transposisi dikendalikan oleh enzim transpos ase yang dihasilkan oleh gen  trp yang terdapat da lam elemen loncat itu. Transposase memiliki kekhasan yaitu hanya berfungsi pada dirinya dan tidak dapat mentrans posisikan elem en loncat lainnya. Berdasarkan strukturnya elemen lon cat terbagi menjadi sekuen sisipan ( insertion sequence) dan transposon.   Sekuen sisipan merupakan elemen l oncat yang berukuran kecil (700-2000 bp). Dalam sekuen ini hanya terkandung gen  trp dan  tidak terdapat gen lain. Pada bagian kiri dan kanan sekuen sisi pan terdapat sekuen ulang balik ( inverted sequence). Sekuen  ulang balik akan dikenali  oleh enzim transposase dalam proses transposisi. Keberadaan sekuen sisipan  dalam satu gen dapat dik etahui dari perubahan yang ditimbulkan pada ekspresi gen tempat sekuen tersebut disisipkan atau dikeluarkan. Tersisipnya maupu n h ilangnya suatu sekuen sisipan dapat menyebabkan terjadinya mutasi pada suat u gen. Pada mekanisme gen berulang akan terjad i  insertion mutagenesis  yaitu transposisi transposon yang menyisip ke antara suatu gen menyebabkan perubahan  (mutasi) pada g en tersebut sehingga tidak dapat berfungsi seperti semula. Transposon merupakan elemen loncat yang mem iliki ukuran lebih besar dari sekuen sisipan deng an panjang mencapai ribuan atau puluhan ribu pasang basa. Pada transposon, f ragmen DNA pemb awa gen beserta kedua sekuen sisipan yang mendampinginya menjadi satu kesatuan  dan bersama-sama akan lepas dari tempat asalnya ke tempat yang lain. 

Mekanisme Transposisi

Elemen loncat dapat berpindah  ke berbagai tempat yang mempuny ai sekuen pengenal atau sasaran yang sesuai dengan elemen tersebut. Sekuen sasaran mempunyai urutan basa tertentu ya ng khas u ntuk setiap elemen loncat. Berdasarkan jenis sekuen sasarannya maka elemen loncat terbagi menjadi elemen dengan satu sasaran ( hanya satu jenis  sekuen sasaran) dan elemen dengan banyak

sasaran (lebih dari satu jenis sekuen sasa ran). Sekuen sasaran da p at terletak pada berbagai tempat seperti di tengah gen, dala m promotor atau di  luar gen. Sebagian besar proses transposisi m elibatkan proses reflikasi. Transposase akan berperan membentuk  nick pada ujung-ujung elemen lon cat dan juga sekuen pengenal  sasaran, kemudian bagian ujung utasan  elemen loncat akan bergabung dengan ujung sasaran. Hasil penggabungan ini akan membentu k molekul DNA yang lebih besar karena merupakan gabungan donor  dan sasaran. Molekul DNA ini akan bekerja melengkapi utas tung gal menjadi  utas ganda dan terbentuk molekul DNA gabungan (kointegrat) yang mengandung dua elemen loncat dan sekuen sasaran.  

ORGANISASI GENOM SITOPLASMA TANAMAN

Genom Kloroplas 

Pada tanaman, selain terdapat di inti sel, DNA juga terdapat dalam kloroplas. Genom kloroplas ini adalah unik untuk organisme  eukariot tanaman. Kloroplas berasal dari prot oplastid kecil (plastid ya ng belum dewasa, kecil dan hampir tak berwarna, deng an sedikit atau  tanpa membran dalam).  Protoplastid membelah pada saat embrio berkem bang dan berkembang menjadi kloroplas ke tika daun dan batang terbentuk. Tiap kl oroplas dikelilingi oleh sistem atau selimut membran ganda yang mengatur lalu lintas mo lekul keluar masuk kloroplas. Pada bagian tert entu kloroplas terdapat tumpukan tilakoid yang disebut grana. Kloroplas memilik i genomnya sendiri  yang disebut plastome tetapi juga tetap memerlukan informasi genetik tambahan dari genom inti sel. Secar a konvensional gen-gen yang ada  pada genom inti diwariskan dari generasi ke generasi mengikuti pola pe nurunan Mendel sedangka n sifat-sifat yang dikendalikan oleh gen yang ada pada ge nom kloroplas (juga genom mitokondria) diwariskan dengan pola pewari san  cytoplasmic atau uniparental atau pola pewarisan maternal. Gen-gen pada genom ini diwariskan melalui tetua betina. Klor oplas mengandung peralatan bioki mia lengkap yang diperlukan dalam reflikasi dan ekspresi dari plastom, termasuk DNA dan RNA po limerase, ribosom, tRNA dan rRNA sintase. Namun ukuran plastom tidak cukup besar untuk mengkode semua protein yang diketahui a da pada kloroplas. Hal ini membuktikan bahwa organel masih tetap tergantung da ri genom inti untuk bisa menjalankan fungsinya.   Kedua genom (genom inti dan plas tom) bisa mengkode protein yang berbeda menjadi subunit dari satu enzim  yang sama. Sebag ai contoh adalah enzim Rubisco (ribulose 1,5-biphosphate car boxylase-oxygenase) yang  berfungsi dalam fiksasi karbon dan meng kontribusi sampai 50%  dari total protein dapat larut yang ada di daun. Subunit terkecilnya dikode  oleh gen yang ada di genom  inti, sedangkan subunit besarnya dikode oleh gen yang ada di plastom.  Di kloroplas terdapat DNA, RNA,   ribosom dan berbagai enzim. Semua molekul ini sebagian besar terdapat di  stroma, tempat berlangsungnya transkripsi dan tran slasi. 

Struktur dan Replikasi Genom Kloroplas

Seperti diketahui, DNA tersusun atas utas  ganda, berpilin dan terdiri dari  struktur protein DNA klor oplas lebih besar dari pada DNA mitokondria hewan, dengan ukuran antara 80 kb hingga 600 kb. Barisan  DNA dari genom kloroplas dari setiap individu sudah terdeteksi.  Sebagai contoh, genom Tembakau adalah

155,844 bp; dan genom P adi adalah 134,525 bp . Pada individu uniseluler seperti alga hijau  Chlomydomonos, satu kloroplas dalam sel  terdiri antara 5 0 sampai 1500 molekul DNA kloroplas. Semua genom kl oroplas terdiri dari banyak barisan DNA yang tidak bertenda. Kloroplas DNA, dapat diperoleh dari suatu jenis tanaman hijau, dari alga sampai  tumbuhan angiospermae, perbedaa nnya sangat kecil dari mtDNA kecuali dari bentuknya. Biasanya berbentuk bundar atau lingkaran,  dengan panjang sekitar 37 m - 44  m, ukuran dari berat molekul kira-kira 1 x 107 dalton. Ekstrak atau sari dari DNA kloroplas  dari selada, kacang polong, gandum,  Euglena, dan Chlamidomonas menunjukkan kesamaan ukuran dalam bentuk lingkaran, tetapi unt uk alga laut,  Acetabularia mediterranea,  dihasilkan panjang molekul di atas 200 m dan dengan berat molekul kira-kir a 1 x 109  dalton. Molekul lurus sudah ditemukan dalam pengujian seluruh spesie s, tetapi itu kelihatannya merupak an hasil dari siklus pemecahan.

Organisasi Gen Pada DNA Kloroplas

Pada tanaman tingkat tinggi, DNA klor oplas berbentuk mol ekul melingkar tertutup (close circular DNA) berutas ganda. DNA kloroplas (genom) terdapat dalam 50 atau lebih lingkaran jal ur-ganda melilit dalam tiap plastid. Pada keadaan yang lebih kompleks, genom  kloroplas akan membentuk  Supercoiled Close Circ ular DNA. Genom kloroplas memiliki  ukuran paling kecil di antara DNA tanaman.  Berbagai gen plastid menyandi se mua molekul  RNA-pemindah (sekitar 30), dan molekul RNA-ribosom (empat) yang digunakan oleh plastid untuk translasi. Kira-kira 85 gen sepe rti ini menyandi protein yang terlibat dalam transkripsi, translasi, dan fotosintesis, te tapi sebagian besar pr otein di plast id di sandi oleh gen nukleus. Plastom tida k membentuk kompleks dengan protein histon. DNA kloroplas dapat be rjumlah beberapa  kopi sehingga bersifat poliploid. DNA plastome direflikasi secara semi konservatif. Pembelahan kloroplas berhubungan dengan u kuran sel dan pada waktu ekspansi sel berlangsung cepat selama perkembangan daun, jumlah kloroplas per sel bertambah seiring p erkembangan volume sel. Sintesa DNA  kloroplas tidak secepat proses pembelahan plastid. Jumlah kopi klor oplas DNA juga berbeda  pada masingmasing spesies yang berbeda. Jumlah kopi umumnya dapat mencapai 10-20 per kloroplas dan satu sel bisa mengandung sa mpai 40 kloroplas. Kelebihan dari genom kloroplas  adalah sangat efisien dalam memanfaatkan DNA. Hal ini dikarenakan  hampir  semua DNA merupakan bagian dari gen tertentu sehingga mempunya i fungsi tertentu. Total nukleotida dibandingkan dengan nukleo tida yang menj adi bagian dari gen sekitar 90% sehingga hampir tidak terdapat DNA berulang pada genom kloroplas. Genom kloro plas terdiri  dari dua gen, pada setiap kloroplas terdapat RNA ribosom (16 S; 23 S; 4,5 S; 5 S). Be rbeda dengan DNA mitokondri a yang hanya memiliki satu tiruan gen. Genom juga terdiri dari gen untuk RNA transfer, dan gen untuk yang lainnya, tetapi buka n semuanya. Susunan protein untuk transkripsi dan translasi dari gen yang sudah ditandai pada kloroplas  (seperti protein ribosom, sub unit RNA polimerase, dan faktor-fak tor translasi) atau untuk proses fotosintesis. Intron ditemu kan pada bebe rapa daerah pengkodean protein dan gen RNA transfer pada DNA kloroplas.  Plastid (juga mitokondria) mempunyai  al at produksi ribosomal sendiri. Di dalam jagung, gen RNA disalin menjad i bagian dari suatu 20000 nukleotida pasangan membal ikkan pengulangan, denga n 5S rDNA berbatasan sampai 23S rDNA,

karena itu adanya di dalam  E. coli  dan dengan pemisahan keduan ya dari 16 rDNA oleh alat pengatur dasar.  Dalam sel eukariot kadang-kadang perbandingannya rangkaian 28S dan 18S  rDNA yang b ersebelahan satu sama lainnya, sedangkan rangkaian 5S rDNA ditempatkan di mana saja di dalam gen.

Genom Mitokondria

 Mitokon dria merupakan organel yang j uga terdapat di dalam sitoplasma dari semua hewan aerob dan sel tana man. Fungsi utama mitokondri a adalah sebagai sumber energi di dalam sel.  Mitokondria mengandung enzim untuk siklus Kreb, melakukan fosforilasi oksidatif  dan  juga terlibat dala m biosintesa asam lemak. Struktur DNA mitokondria ditemuka n dalam keadaaan rantai ganda dan meling kar tertutup ( Close Circular DNA ), linear DNA dan keadaan  linearcircular DNA . Pada genom ini banyak terjadi sekuen berulang  sehingga rekombinasi sel pada genom mitokondria  tinggi. Organisasi  genom mitokondria lebih kompleks daripada genom kloropl  as. Dengan terdapatnya banyak sekuen DNA berulang menyebabkan pemanfaatan DNA di dalam mitokondria tidak seefisien genom kloro plas.   Seperti halnya DNA kloroplas, genom mitokondria juga berasosiasi dengan protein histon. Mitokondria da ri semua orga nisme mengandung gen fungsional atau DNA kopi tunggal yang sama jumlahnya. Pada tanaman, ukuran genomnya besar di samping DNA  kopi  tunggal, diketahui genom mitokondria mengandung pula sekuen DNA yang tidak mengkode protein. Genom mitokondria merupakan  poliploid dengan jumlah sampai ratusan kopi sel.  Studi mengenai genom mitokondria da pat digunakan un tuk pengembangan varietas-varietas hibrida melalui pe mbentukan mandul jantan sitoplasma (cytoplasmatic mael sterility-CMS). C M S merupakan peristiwa gagalnya organ bunga jantan menghasilkan serbuk sari kare na interaksi gen yang ada pada genom inti dengan gen pada sitoplasma yang  berada pada mit okondria. Sterilitas diwariskan secara maternal.

Struktur dan Reflikasi Genom Mitokondria

Struktur genom mitokondr ia akan berbeda pada  setiap spesies berkisar 208-2400 kb. Genom mitokondria terdiri  dari gen-gen yang digunakan pada

proses resprasi rantai  protein, protei n riboso m rRNAs dan tRNA. Genom mitokondria memiliki dua bagian umum yaitu bagian pengkodean ( coding region) yang bertanggungjawab da lam produksi berbagai molekul biologi s pada respirasi selular dan bagian kontrol ( control region) yang bertanggungjawab pada  regulasi molekul DNA mitokondria (mtDNA). mt DNA dari saudara sekandung akan cocok sama lain dan ditemukan dala m keadaan sin gel berbentuk melingkar dengan ukuran 120-160 kb. mtDNA dapai dite mukan berkali-kali dan pada sel manusia dapat terdiri dari  ratusan sampai ribuan mitokondria.  Genom mitokondria terdiri dari bagian  large single copy  (LSC) dan bagian small single  copy  (SSC).  Large inverted repeat  (LIR) biasanya 20-30 kb, bagian genom yang tersisipi ini me rupakan bagian yang aktif melakukan rekombinan.  Perbedaan ukuran genom mitoko ndria  antara spesies yang berbeda sangat bervariasi. Sebagai contoh, ukuran genom  mitokondria pada hewan berkisar dari 15-18  kb, dan genom mitokondria jamur  berkisar dari 18-78 kb. Tanaman tersusun dari lebih banyak protein diba nding spesies-spesies  tersebut. Sebagai contoh, gen untuk ribosom, subunit I dan subunit II dari sitokrom oksidase dan subunit

ATPase berlokasi dal am genom mitokondria tanaman.Ketika DNA dari mitokondria jagung d it eliti, beberapa  molekul bundar dalam beberapa ukuran terdeteksi. Dari  penelitian mengenai genom mitokondria diketahui bahwa  mitokondria  terdiri dari molekul-mol ekul yang lebih sederhana berupa lingkaran-lingkaran dengan ukur an yang berbeda-beda. Me kanisme terbentuknya molekul-molekul ini merupa kan hasil rekombinasi intramolekuler sehingga membentuk molekul-molekul  yang  lebih kecil. Keragaman mungkin terjadi karena jagung mempunyai 10 ulangan  dimana rekombinasi intramolekuler dapat terjadi.

Promiscuous DNA 

Promiscuous merupakan bagian  organel DNA yang ditemukan pada bagian terpisah. Pene litia n Stern dan Lonsdale ( 1982) menghibridisasi mtRNA dengan intisari Sstll pada  mtDNA jagung, menemukan bahwa hibridisasi  pada fragmen-fragmen tersebut tidak menga ndung gen mtRNA. Mereka kemudian melihat klon kosmid mtDNA jagung yang  dihibridisas i dengan mtRNA dan menemukan bahwa gen ini dihibridis asi dengan sebuah molekul RNA yang berukuran cp 16S. Mereka kemudian  me metakan klon dan membandingkannya dengan peta cpDNA jagung dan menemukan bahwa peta klon hampir sama dan sebangun dengan daera h cpDNA 16S RNA. Pemetaan ini memperlihatkan bahwa dua peta identik berakhir pada bagi an 12 kb DNA. Dapat disimpulkan bahwa c pDNA sudah ditransfer pada genom mitokondria. Pengamatan mengenai promiscuous juga disampaikan oleh penelitipeneliti lain. St ern dan Palmer melih at pada jagung, buncis, bayam dan pea menemukan fakta-fakta tentang homo logi cpDNA/mtRNA. Pengamatan ini  diperluas dengan lokasi-lokasi DNA lain dalam sel tanaman. Kemble  et al (1983) menggambarkan bahwa sekuen DNA mitokondr ia te rletak pada inti sel pada jagung. Scott dan Timmis (1984) memperlihatkan bahwa sequens cpDNA ditemukan pada DNA inti.

NTROL GENETIK PROSES METABOLISME TUMBUHAN DAN REGULASI EKSPRESI GEN SERTA PERKEMBANGAN TANAMAN Di ambil dari tugas mata kuliah teman saya I Putu Yudhiarta

Perkembangan merupakan hasil gabungan interaksi proses genetik dengan lingkungan. Genetik merupakan sumber informasi yang dimiliki oleh sel dari suatu organisme, yang mengotrol aktivitas fisiologi dan biokimia sejalan dengan arah perkembangannya. Tetapi potensi genetik ini hanya akan berkembang apabila ditunjang oleh lingkungan yang cocok yang memberikan fasilitas kepada organisme dalam melaksanakan aktivitasnya.

Setiap sel hidup pada tumbuhan akan memperoleh kelengkapan genetik yang diturunkan dari induknya dan merupakan sumber informasi untuk melaksanakan kegiatan pertumbuhan dan perkembangan. Sumber-sumber informasi ini berada dalam inti sel dan setiap sel hidup menerima kelengkapan informasi genetik yang asli yang diterimanya pada saat proses pembelahan pembelahan sel terjadi. Informasi genetik yang tepat perlu diterima oleh setiap sel, sehingga setiap organ pada tumbuhan dapat berkembang pada jalur yang tepat. Dalam perjalanan proses perkembangan menuju terbentuknya suatu individu tumbuhan yang utuh dan lengkap, setiap informasi genetik yang tidak relevan atau tidak dibutuhkan akan ditahan atau disimpan dan tidak digunakan.

Dalam pemanfaatan informasi genetik dalam kaitannya dengan perkembangan akan menyangkut proses pengaktifan gen, selanjutnya mRNA akan ditranskripsi. mRNA yang diturunkan dari DNA pada gen ini telah terpolakan susunan asam amino yang akan membentuk protein enzim tertentu, yang selanjutnya akan digunakan dalam kegiatan metabolisme dalam sel yangs sesuai dengan arah perkembangannya.

Aktif dan inaktifnya gen ditentukan oleh bekerja tidaknya represor. Represoe ini akan menghambat kerja gen operator, sehingga gen struktural tidak dapat bekerja. Disini terlihat bahwa faktor genetik akan menentukan gen struktural mana yang bekerja dan protein dan enzim mana yang dibentuk. Yang mampu menghilangkan hambatan represor adalah efektor yang dapat berupa substrat yag harus dipecah oleh enzim. Dapat ditarik analogikan bahwa lingkungan dapat menentukan protein apa atau gen mana yang aktif bekerja sehingga terjadi diferensiasi. Senyawa yang dihasilkan oleh aktivitas gen dapat pula menghambat kerja gen, karena senyawa itu dapat mengaktifkan represor sehingga memblokir kerja gen operator. Hambatan kerja gen dapat terjadi kerena histon salah satu protein penyusun DNA. Sebagai bagian dari protein struktural histon dapat menghambat aktivitas gen

diseluruh kromosom atau bagian kromosom tertentu saja, atau histon itu menghambat aktivitas gen tertentu saja.

Proses pengaktifan gen-gen tersebut harus berjalan dalam urutan yang tepat, artinya tahap pengaktifan akan merupakan prasyarat untuk pengaktifan berikutnya.

Secara umum, bagaimana mekanisme proses pengaktifan tersebut dilaksanakan, telah diusulkan oleh ilmuwan Prancis F. Jacob dan J. Monod seperti terlihat pada gambar yang dikenal dengan nama sistem operon berikut ini.

Jacob dan Monod menggambarkan mekanisme pengontrolan sintesis protein, diatur oleh gen pengatur(regulator gene), gen operator(operator gene), dan gen struktur(struktural gene). Kombinasi gen operator dengan gen struktur disebut operon. Mekanisme kerja operon ini dikatakan bahwa gen struktur yang memprogram mRNA untuk enzim yang lebih spesifik, berada dalam kelompok atau sendirian, masing-masing berkombinasi dengan suatu gen operator yang berfungsi mengatur gen struktur menjadi aktif atau dalam keadaan terbuka, dan menjadi tidak aktif atau dalam keadaan tertutup. Gen pengatur yang letaknya terpisah(bukan bagian dari operon) membentuk suatu molekul pengatur (suatu protein) yang disebut repressor yang menjaga gen operator dalam keadaan tertutup, sehingga operon berada dalam keadaan tidak aktif. Hadirnya atau penambahan suatu molekul yang disebut induser, yang bergabung dengan atau mentidakaktifkan “repressor”, memberi kesempatan kepada gen operator untuk berada dalam keadaan terbuka, sehingga operon diaktifkan. Beberapa molekul lain yang disebut korepresor dapat bertindak menutup gen, dengan cara mengaktifkan

represor kembali sehingga operon menjadi tertutup dan menjadi tidak aktif. Molekul-molekul induser dan korepressor dapat merupakann metyabolit sederhana yang terlibat dalam urutan reaksi atau metabolisme.

Tidaklah sukar untuk membayangkan bahwa beberapa aktivitas metabolisme sel berkaitan dengan pertumbuhan (misalnya sintesis dinding sel), menghasilkan molekul yang disamping sebagai senyawa antara dalam sintesis dinding sel, dapat pula bertindak sebagai induser operon yang memprogram pembentukan mRNA yang akan mensintesis enzim sitoplasmik. Senyawa-senyawa ini lebih lanjut dapat menghasilkan senyawa antara yang akan merangsang sintesis komponen-komponen struktur dan lain-lain. Pada beberapa tahap, beberapa senyawa antara atau produk aktivitas metabolisme dapat pula bertindak sebagai korepresor operon sebelumnya, sesuai dengan urutannya.

Proses pengaktifan satu atau kelompok operon yang spesifik akan selalu mengarah pada satu pola perkembangan. Arah perkembangan pada satu tingkat perkembangan(juvenile) dapat sangat berbeda dengan arah perkembangan pada tingkat yang lain (dewasa), meskipun kedua-duanya dikontrol oleh operon yang sama.

Keragaman penampilan tanaman terjadi akibat perbedaan sifat dalam tanaman (genetik) atau perbedaan keadaan lingkungan atau kedua-duanya.

P = G + LP : fenotif(sifat yang tampak)G : genetikL : lingkungan

Perbedaan susunan genetik merupakan salah satu fakor penyebab keragaman penampilan tanaman. Biji yang diperoleh dari penyerbukan silang antara tanaman dari jenis yang berbeda akan mempunyai susunan genetik yang berbeda. Program genetik – suatu untaian susunan genetik yang akan diekspresikan pada suatu fase atau keseluruhan fase pertumbuhan – yang berbeda dapat diekspresikan pada berbagai sifat tanaman yang mencakup bentuk dan fungsi tanaman yang menghasilkan keragaman pertumbuhan tanaman. Pada tanaman yang menyerbuk sendiri pun, susunan genetik dapat berbeda di antara biji yang berasal dari tanaman berbeda bahkan mungkin tanaman yang sama. Mutasi, fenomena yang menggambarkan peristiwa perubahan bahan genetik secara tiba-tiba dan dapat diwariskan, sudah umum dikenal. Mutasi dapat terjadi karena kekeliruan dalam pemindahan informasi genetik daei suatu generasi ke generasi berikutnya. Sekalipun replikasi DNA terjadi melalui dua sistem koreksi yaitu oleh DNA itu sendiri dan enzim DNA polymerase. Mutasi dapat juga terjadi karena pengaruh faktor luar yang dikenal dengan istilah mutagen seperti radiasi sinar tertentu dan bahan kimia.

Kerusakan DNA yang dapat menghasilkan susunan genetik yang berbeda dapat terjadi pada biji selama penyimpanan. Ini berhubungan dengan terbentuknya radikal(gugus) bebas yaitu molekul yang mengandung elektron yang tidak berpasangan. Zat ini yang sangat reaktif, membiak sendiri dan berada dalam berbagai produksi biologis – dapat mengakibatkan gangguan metabolisme termasuk kerusakan DNA. Sebagai contoh, radikal bebas oksigen terlibat dalam kerusakan DNA melalui pengrusakan basa dan gugusan fosfat gula. Reaksi biokimia yang dapat membawa pembentukan radikal bebas mencakup proses metabolisme penting seperti transfer elektron, oksidasi substrat, metabolisme lemak dan mekanisme pertahanan patologi.

Keragaman penampilan tanaman akibat perbedaan susunan genetik selalu mungkin terjadi sekalipun bahan tanam yang digunakan berasal dari jenis tanaman yang sama. Namun perlu diingat bahwa susunan genetik yang berbeda tidak selalu seluruhnya diekspresikan, hanya hanya diekspresikan sebagian yang mungkin mengakibatkan hanya sedikit perubahan penampilan tanaman. Oleh karena itu suatu portanyaan dapat timbul tentang besaran sumbangan faktor genetik terhadap total keragaman penampilan tanaman. Apabila bahan tanam yang mempunyai susunan genetik yang berbeda ditanam pada kondisi lingkungan yang sama, maka keragaman tanaman yang muncul dapat dihubungkan dengan perbedaan susunan genetik, dengan catatan bahwa faktor lain dapat berpengaruh konstan. Pengaruh suatu susunan genetik terhadap keragaman tanamn dapat ditafsirkan dengan melibatkan keadaan llingkungan yang berbeda. Dalam keadaan demimkian, suatu perbandingan relatif dapat dibuat antara pengaruh genetik dan lingkungan terhadap keragaman tanaman.

Salah satu analisis yang umum digunakan untuk mengevaluasi sumbangan perbedaan genetik terhadap keragaman penampilan tanaman adalah heritabilitas, yaitu suatu ukuran tingkat pengaruh genetik terhadap fenotip. Dapat dihitung

dengan persamaan sebagai berikut :h2 = V(P) – V(E)/V(P)

dimana V(P) adalah keragaman individu dalam suatu populasi, akibat perbedaan genetik dan perbedaan lingkungan dan V(E) keragaman lingkungan. Akan tetapi tanaman tingkat tinggi bukanlah suatu organisme yang ideal untuk menyelesaikan suatu siklus cukup panjang. Tanaman tahunan misalnya dapat membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk dapat menyelesaikan siklus hidup secara lengkap.

Akan tetapi dalam suatu percobaan, bahan tanam seperti biji atau atau bagian vegetatif selalu berasal dari varietas yang sama kecuali untuk tujuan pengujian spesies atau varietas. Sehingga perbedaan genetik sebagai sumber keragaman dapat dihilangkan. Sekalipun demikian, ini tidak berarti bahwa faktor ini dapat diabaikan begitu saja, bahkan harus diingat setiap saat melaksanakan penelitian agar sikap hati-hati tetap dilakukan untuk menekan keragaman yang bersumber dari perbedaan genetik.

DAFTAR PUSTAKA

Sasmitamihardja, Drajat dan Arbasyah Siregar. 1996. Fisiologi Tumbuhan. Bandung: ITB

Salisburry, Frank B. Dan Cleon W. Ross. 1995. Fisiologi Tumbuhan Jilid 3.Bandung : ITB

Sitompul S.M. dan Bambang Guritno. 1995. Yogyakarta : UGM

MAKALAH FISIOLOGI DAN BUDIDAYA TANAMAN

BAB I.

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Dua dekade lagi, kira-kira pada tahun 2025, negara kita diprediksikan akan

dihuni oleh penduduk yang mencapai sekitar 273 juta jiwa, dengan laju pertumbuhan

penduduk sekitar 0.9% sampai 1.3 % per tahun (BPS, 2007). Adanya jumlah penduduk

yang sangat besar menyebabkan kebutuhan akan pangan menjadi meningkat, terutama

terhadap beras, ditambah dengan adanya beragam permasalahan krusial lainnya yang

terkait erat dengan bidang pertanian, seperti (diantaranya): produksi beberapa

komoditas yang masih belum mencukupi kebutuhan/stok dalam negeri (misalnya padi,

kedelai dan jagung), adanya penurunan produktivitas lahan, tingginya laju konversi lahan

pertanian ke non-pertanian (sekitar 50 ribu ha per tahun), angka kemiskinan (berkisar

16%; BPS, 2006) dan pengangguran yang masih cukup tinggi (10%; BPS, 2007), serta

terjadinya degradasi kualitas sumber daya alam akibat dari proses pembangunan yang

tidak ramah lingkungan. Dengan beragamnya permasalahan yang ada, bila tanpa

diimbangi dengan upaya-upaya yang strategis dan komprehensif dalam mengatasinya,

maka akan menyebabkan permasalahan menjadi makin kompleks, yang salah satunya

dapat berakibat pada melemahnya program ketahanan pangan dan pada gilirannya akan

membawa implikasi pada bidang sosial, ekonomi, bahkan politik di tanah air. Oleh

karena itu,

upaya yang serius dalam membangun pertanian menjadi hal yang mutlak dilakukan.

Terkait dengan hal di atas dan terlebih mengingat bahwa Indonesia merupakan

negara yang mempunyai keanekaragaman hayati yang tinggi, salah satu strategi yang

sangat potensial dalam rangka meningkatkan produktivitas, kualitas serta daya saing

komoditas tanaman adalah melalui pendekatan pemuliaan tanaman. Melalui kegiatan

pemuliaan, diharapkan dapat dihasilkan beragam kultivar unggul baru, selain memiliki

produktivitas yang tinggi, juga memiliki beberapa karakter lain yang mendukung upaya

peningkatan kualitas dan daya saing. Pemuliaan tanaman sendiri didefinisikan sebagai

serangkaian kegiatan penelitian dan pengembangan genetik tanaman (modifikasi gen

ataupun kromosom) untuk merakit kultivar/varietas unggul yang berguna bagi

kehidupan manusia.

B. Rumusan Masalah

1. Apa Pengertian Fisiologi dan Pemuliaan Tanaman ?

2. Bagaimana Peran Fisiologi dalam Peningkatan Hasil Pertanian ?

3. Bagaimana Peran Pemuliaan Tanaman dalam Peningkatan Hasil Pertanian ?

BAB II.

PEMBAHASAN

A. Pengertian Fisiologi dan Pemuliaan Tanaman

1. Pengertian Fisiologi

Fisiologi Tumbuhan adalah salah satu bidang biologi yang

mengkaji fungsi dan proses yang terjadi dalam tubuh tumbuhan. Bagaimana tumbuhan

mengelola hidupnya merupakan hal yang sangat menarik untuk dipelajari. Walaupun

tumbuhan bersifat autotrof, tetapi untuk dapat hidup normal, tumbuhan memerlukan

bahan-bahan dari lingkungannya. Air dan bahan terlarut diambil dari lingkungannya,

masuk melalui lintasan pengangkutan, merambat melalui akar, batang dan daun serta

bagian tubuh lainnya hingga sebagian dari bahan tersebut dikeluarkannya ke atmosfir.

Bahan organik dan anorganik bergerak ke berbagai arah dalam tubuh tumbuhan. Untuk

dapat mendukung hidupnya, tumbuhan menyelenggarakan ribuan macam reaksi kimia

yang berlangsung di dalam setiap sel. Reaksi-reaksi tersebut, selain berlangsung dalam

bentuk reaksi perombakan juga terjadi reaksi pembentukan dalam rangka pertumbuhan

dan perkembangannya serta kelestarian jenisnya.

Fisiologi tumbuhan adalah suatu bidang ilmu yang mengkaji

fenomena-fenomena penting di dalam tumbuhan. Dalam kajian ini dipelajari proses dan

fungsi yang menyangkut tanggapan tumbuhan terhadap perubahan-perubahan

lingkungan, dan pertumbuhan serta perkembangannya sebagai hasil dan respon

tersebut. Proses berarti suatu urutan kejadian alam yang berkesinambungan. Contoh

proses fotosintesis, respirasi, penyerapan ion, angkutan, membuka dan menutupnya

stomata, asimilasi, transpirasi, perbungaan dan pembentukan biji. Fungsi menunjukkan

aktivitas benda-benda di alam, apakah itu sel, jaringan, organ, atau bahan-bahan kimia.

Tumbuhan akan selalu berusaha untuk tumbuh dan berkembang normal. Namun

demikian, sejumlah faktor internal dan eksternal (lingkungan) dapat menghambatnya.

Cahaya, temperatur, lama penyinaran, gravitasi, derajat keasaman dan berbagai faktor

fisika-kimia lainnya dapat menjadi sumber/penyebab cekaman bagi tumbuhan. Oleh

karena itu kajian fisiologi tumbuhan juga menjabarkan dan menjelaskan bagiamana

proses-proses dan fungsi-fingsi tadi bereaksi terhadap perubahan lingkungan. Pada

prinsipnya, fisiologi tumbuhan merupakan studi tentang bagaimana tumbuhan hidup,

termasuk berbagai aspek proses: metabolisme, hubungannya dengan air, nutrisi

mineral, perkembangan, gerak, irritabilitas (respons terhadap lingkungan), organisasi,

tumbuh, dan proses transpor.

2. Pengertian Pemuliaan Tanaman

Pemuliaan tanaman adalah kegiatan mengubah susunan genetik

individu maupun populasi tanaman untuk suatu tujuan. Pemuliaan tanaman kadang-

kadang disamakan dengan penangkaran tanaman, kegiatan memelihara tanaman untuk

memperbanyak dan menjaga kemurnian; pada kenyataannya, kegiatan penangkaran

adalah sebagian dari pemuliaan. Selain melakukan penangkaran, pemuliaan berusaha

memperbaiki mutu genetik sehingga diperoleh tanaman yang lebih bermanfaat.

Sedangkan menurut Undang-undang Republik Indonesia nomor

29 tahun 2000 tentang perlindungan varietas tanaman, Pemuliaan tanaman adalah

rangkaian kegiatan penelitian dan pengujian atau kegiatan penemuan dan

pengembangan suatu varietas, sesuai dengan metode baku untuk menghasilkan varietas

baru dan mempertahankan kemurnian benih varietas yang dihasilkan.

Ilmu Pemuliaan Tanaman merupakan ilmu atau pengetahuan

terpakai (applied science) yang berkembang sejalan dengan perkembangan ilmu – ilmu

lain, khususnya agronomi. Dahulu, ketika manusia hidup berpindah – pindah, untuki

memenuhi kebutuhan pangan mereka dengan mudah mencarinya di hutan. Tetapi

setelah hidup menetap, mereka mulai bercocok tanam. Dengan bercocok tanam, secara

sadar atau tidak, mereka mulai melakukan seleksi dalam mencari bahan – bahan

pertanaman, meskipun dalam bentuk yang sangat sederhana. Sekarang, dengan jumlah

penduduk yang sudah demikian padat dan perkembangan ilmu serta teknologi yang

demikian pesat, manusia harus berbuat sesuatu untuk memenuhi kebutuhan difup yang

diambil dari tanaman, baik secara langsung maupun tidak langsung. Manusia mengambil

manfaat dari tanaman tidak hanya sebagai sumber bahan pangan, tetapi juga sebagai

sumber untuk memenuhi kebutuhan dalam banyak hal, misalnya sebagai bahan

sandang, bangunan, makanan ternak, keindahan, pencegah erosi, dan sebagainya

(Mangoendidjojo, 2003).

B. Peran Fisiologi dalam Peningkatan Hasil Pertanian

Menurut Dardjat (1996: 01), “Fisiologi adalah ilmu yang mempelajari proses,

fungsi dan aktivitas suatu organisme dalam menjaga dan mengatur kehidupannya.”

Dengan mempelajari fisiologi tumbuhan, kita akan dapat lebih memahami bagaimana

sinar matahari dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk menghasikan karbohidrat dari bahan

baku anorganik berupa air dan karbondioksida, tumbuhan membutuhkan banyak air, biji

berkecambah, tumbuhan layu jika kekeringan dan berbagai macam gejala lainnya yang

ditampakkan oleh tumbuhan.

Peranan fisiologi yang paling terlihat dalam pemuliaan tanaman adalah

menyangkut unsur genotip dan ketersediaan plasma nutfah yang melimpah pada

tumbuhan. Hal ini sangat mungkin, apalagi didukung dengan biodiversitas lokal yang

tinggi. Dengan ketersediaan sumber daya genetik yang melimpah ini memungkinkan

untuk dilakukan perakitan varietas baru.

Perakitan varietas modern bergantung pada ketersediaan keragaman genetik

tanaman. Karakter-karakter unggul yang diperlukan untuk memperbaiki varietas yang

telah ada, hampir semuanya dipunyai oleh varietas tradisional yang ditanam petani dan

diseleksi selama beberapa generasi, serta sejumlah spesies liar. Sebab itu, meskipun

varietas modern saat ini telah diadopsi secara luas oleh petani, namun keberadaan

varietas tradisional harus dipertahankan, walaupun selama ini belum banyak

dimanfaatkan.

Dalam program pemuliaan tanaman, varietas lokal banyak digunakan sebagai

donor gen sifat mutu baik (rasa enak dan aromatik), ketahanan terhadap hama dan

penyakit utama, serta toleransi terhadap cekaman abiotik seperti suhu rendah, laban

salin, toleran, sulfat masam, dan genangan. Dengan berlangsungnya proses intensifikasi

budi daya tanaman, sejumlah varietas lokal sering kalah bersaing dengan varietas-

varietas modern yangpotensi hasilnya tinggi, sehingga di daerah-daerah tertentu

keberadaan varietas lokal sudah hampir punah (Daradjat et aL 2008). Dalam

memberdayakan varietas lokal, Kementerian Pertanian telah melepas ratusan varietas

lokal, terutama buah-buahan (Kementerian Pertanian 2010).

C. Peran Pemuliaan dalam Peningkatan Hasil Pertanian

1. Pemanfaatan Plasma Nutfah

Kekayaan plasma nutfah yang terdapat di alam memiliki potensi untuk

dimanfaatkan dalam industri pertanian. Oleh sebab itu, saat ini plasma nutfah banyak

dikaji dan dikoleksi dalam rangka meningkatkan produksi pertanian dan penyediaan

pangan. Hal ini dilakukan karena plasma nutfah merupakan sumber gen yang berguna

bagi perbaikan tanaman seperti gen untuk ketahanan penyakit, serangga, gulma dan

juga gen untuk ketahanan terhadap cekaman lingkungan abiotik yang kurang

menguntungkan seperti kekeringan. Selain itu plasma nutfah juga merupakan sumber

gen yang dimanfaatkan untuk peningkatan kualitas hasil tanaman seperti kandungfan

nutrisi yang lebih baik.

Plasma nutfah merupakan bahan dasar bagi pemilihan tetua untuk menciptakan

bahan tanaman unggul. Materi genetik plasma nutfah merupakan kunci utama dalam

pengembangan program pemuliaan di Indonesia. Saat ini plasma nutfah yang sudah ada

untuk beberapa komoditi tersebar di wilayah Indonesia. Mengingat hal tersebut, maka

perlu dikelola dengan baik materi genetik tanaman yang ada agar tidak punah dan

dapat memberikan manfaat bagi kemakmuran masyarakat.

Keberhasilan program pengelolaan plasma nutfah sangat ditentukan oleh

tingkat pemanfaatan plasma nutfah. Pemanfaatan plasma nutfah dalam program

pemuliaan yang sangat intensif telah dilakukan pada tanaman pangan dan hortikultura.

Hal ini terlihat dari jumlah varietas unggul yang telah dihasilkan. Sementara pada

tanaman perkebunan masih terbatas pada tanaman tertentu.

Plasma nutfah adalah substansi pembawa sifat keturunan yang dapat berupa

organ utuh atau bagian dari tumbuhan atau hewan serta mikroorganisme. Plasma

nutfah merupakan kekayaan alam yang sangat berharga bagi kemajuan ilmu

pengetahuan dan teknologi untuk mendukung pembangunan nasional.

Ilmu pemuliaan tanaman memiliki peranan yang cukup penting dalam

kehidupan sehari-hari yaitu dengan penggunaan berbagai macam jenis unggul dari

tanaman, dengan peningkatan produksi yang dirasa semakin meningkat. Dengan melihat

berkembangnya pemuliaan tanaman maka dihasilkan :

a. Jenis baru yang berproduksi lebih tinggi dari jenis yang sudah ada.

b. Jenis unggul yang tahan hama, penyakit dan cekaman lingkungan.

c. Jenis baru yang kualitasnya tinggi sehingga mampu bersaing dipasaran dunia.

d. Jenis unggul yang masaknya awal atau berumur genjah

Dengan adanya gen-gen yang dimanipulir akan menciptakan keragaman baru

maka berkembanglah Ilmu pemuliaan tanaman.

2. Program Pemuliaan

Banyak Program Pemuliaan yang berkembang. Ada beberapa prospek pemuliaan

tanaman antara lain:

a. Pemuliaan Konvensional:

1) Menghasilkan jenis baru dengan persilangan

2) Dengan memanfaatkan keragaman yang tersedia di alam

3) Perkawinan antar genera tidak dapat

4) Perakitan sifat ketahanan sulit

5) Acak dan Waktu lama

b. Bioteknologi / rekayasa genetik :

1) Menghasilkan jenis baru dengan menggunakan dasar genetik

2) Perkawinan antar genera bisa dilakukan

3) Gen dari bacteri dapat ditransfer ke tanaman sehingga menghasilkan tanaman

transgenik

4) Cepat dan Terarah

Rekayasa genetik tanaman :

a. Gene cloning

1) Identifkasi dan isolasi gen target

2) Konstruksi DNA- rekombinan

b. Transformasi

masukkan DNA-rekombinan ke dalam sel / jaringan inang

c. Regenerasi

Sel / jaringan yang telah mengalami transformasi tumbuh menjadi tanaman

transgenik

d. Teknik transfer gen

1) Secara biologis :

a) Agrobacterium tumefaciens

b) Agrobacterium rhizogens

2) Secara mekanis :

a) Microinjection

b) Electroporation

c) Particle bombartdment

3) Secara kimia :

a) PEG (Poly Etilen Glycol)

b) Ca Cl2

4) Sasarannya adalah :

1) Perbaikan kearah peningkatan ketahanan

a) Herbisida resistance

b) Insect resistance

c) Fungi resistance

d) Virus resistance

2) Perbaikan kearah peningkatan kualitas

a) Peningkatan kadar asam amino esensial dalam biji

b) Penghambatan reaksi pencoklatan pada kentang

c) Penghambatan pelunakan pada tomat

d) Ekspresi gen phylase dalam biji untuk meningkatkan utilisasi phosphat

e) Peningkatan kadar total soluble solids pada tomat melalui ekspresi gen isopetenyl

transferase

f) Peningkatan kadar crucic acid (> 90 % ) dan lauric acid (> 30 %) Rapaseed

g) Menunda pelayuan bunga

Sepertihalnya pada revolusi hijau, peran pemuliaan tanaman dalam usaha

peningkatan hasil pertanian juga sangat penting. Hasil-hasil pemuliaan akan sangat

menentukan usaha peningkatan hasil pertanian. Oleh karena itu, diperlukan strategi

khusus dalam pemuliaan tanaman agar varietas yang dihasilkan sesuai.

Strategi pemuliaan yang digunakan untuk mencapai peningkatan hasil pertanian

ini adalah (1) pemuliaan yang merakit varietas tanaman dengan arsitektur baru (new

ideotype) untuk meningkatkan produktivitas dan kualitas hasil panen (2) pemuliaan

adaptif yang menghasilkan varietas unggul berdaya hasil tinggi meskipun pada

lingkungan tercekam (biotik dan abiotik), (3) pemuliaan dengan pendekatan partisipasi

petani (pemuliaan tanaman partisipatif) dalam rangka menghasilkan tanaman yang

beradaptasi pada lokasi tertentu, dan (4) pemuliaan dengan memanfaatkan bioteknologi

dan rekayasa genetika

BAB III.

PENUTUP

A. Kesimpulan

Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa fisiologi dan pemuliaan memiliki

memiliki keterkaitan antara satu sama lain dalam peranananya yang sangat penting

dalam meningkatkan hasil pertanian di Indonesia. Karena Fisiologi merupakan bagian

dari Pemuliaan dalam usaha meningkatkan hasil pertanian. Dengan Fisiologi kita dapat

mengetahui struktur dan fungsi pada bagian tubuh tanaman sehingga kita dapat

melakukan suatu rekayasa maupun suatu perakitan pada tanaman agar diperoleh

tanaman baru yang unggul.

Peran pemuliaan tanaman dalam usaha peningkatan hasil pertanian sangat

penting terutama dengan pemanfaatan plasma nutfah.. Pemanfaatan plasma nutfah

dalam program pemuliaan yang sangat intensif telah dilakukan pada tanaman pangan

dan hortikultura. Hasil-hasil pemuliaan akan sangat menentukan usaha peningkatan

hasil pertanian Hal ini tentu telah terlihat dari banyaknya jumlah varietas unggul yang

telah dihasilkan dan telah terbukti dapat meningkatkat mutu dan hasil pertanian.

Daftar Pustaka

Lakitan Benyamin. 2004. Dasar-Dasar Fistum. Jakarta. PT. Raja Grafinda.Persada.

Mangoendidjojo, W. 2003. Dasar-Dasar Pemuliaan Tanaman. Kanisius, Yogyakarta.

Salisbury Frank B. 1995. Fisiologi Tumbuhan. Bandung: ITB

Sasmitamihardja, Dardjat. 1996. Fisiologi Tumbuhan. Bandung: ITB

Wilkins Malcolm B. 1989. Fisiologi Tanaman. Jakarta: BUMI AKSARA