Teknik
Rekayasa Genetik
Dalam Perbaikan Sumber Daya Genetik Tanaman
1.
Pendahuluan
Sepanjang
sejarah ilmu pengetahuan, manusia telah memanfaatkan proses alami pertukaran
genetik melalui pemuliaan yang menciptakan berbagai varietas dalam ciri-ciri
biologi. Upaya untuk memperbaiki jenis-jenis tumbuhan telah dilakukan dengan
pemuliaan tradisional maupun melalui teknik biologi molekuler. Dalam kedua cara
tersebut, manusia telah merekayasa proses alam untuk menghasilkan berbagai
organisme yang memiliki sifat yang diinginkan, seperti meningkatkan produksi,
tahan terhadap serangan hama, dan penyakit atau ternak dengan produksi daging
tinggi dan kadar lemak rendah.
Letak
perbedaan antara pemuliaan tradisional dan transfer gen dengan metode biologi
molekuler adalah kecepatan, ketepatan, keterandalan, dan cakupan. Pemuliaan
tradisional menyilangkan dua macam tumbuhan atau hewan yang berkembang biak
secara seksual dan akan terjadi pencampuran puluhan ribu gen. Masing-masing
induk, melalui proses peleburan sel sperma dan sel telur, menyumbangkan separuh
genomnya kepada keturunannya. Banyak persilangan harus dilakukan sebelum
kombinasi gen yang tepat terjadi pada keturunan dengan kombinasi sifat-sifat
yang diinginkan.
Metode
biologi molekuler dapat menyederhanakan masalah ini dengan merekayasa gen satu
per satu dalam proses. Para ilmuwan dapat menyisipkan gen satu per satu gen
untuk sifat spesifik secara langsung ke dalam genom yang telah terbentuk. Para
ilmuwan dapat juga mengendalikan ekspresi gen dalam varietas tanaman atau hewan
yang baru. Transfer gen molekuler dapat memperpendek waktu yang diperlukan dan
memberikan ketepatan yang lebih besar untuk menghasilkan sifat yang diinginkan.
Keberhasilan
dalam rekayasa genetik tumbuhan, harus dimulai dengan mengembangkan pengertian
mengenai unsur-unsur yang mengendalikan ekspresi gen. Inti sari rekayasa genetik
adalah menentukan gen yang mengekspresikan sifat tertentu, kemudian
memisahkannya dan memasukkannya ke dalam inang asli atau organisme lain.
Aplikasi
teknik rekayasa genetik memiliki peluang besar untuk perbaikan sifat tanaman,
khususnya ketahanan terhadap serangga hama dan penyakit tanaman. Rekayasa
genetik akan menghasilkan tanaman produk rekayasa genetik (PRG) yang memiliki
sifat baru seperti ketahanan terhadap serangga hama dan penyakit atau toleran
herbisida.
2.
Sumber Daya Genetik
Berdasarkan Undang-Undang Nomor 4 Tahun 2006, sumber
daya genetik tanaman adalah materi genetik tanaman yang mempunyai nilai nyata
atau potensial. Materi genetik itu sendiri adalah bahan dari tanaman, termasuk
materi propagasi reproduktif dan vegetatif yang mengandung unit-unit fungsional
pewarisan sifat (hereditas).
Pemanfaatan sumber daya genetik memiliki masalah
utama yaitu cekaman biotik seperti serangga hama, penyakit, nematoda parasit
tanaman dan cekaman abiotik seperti kekeringan, pembekuan dan suhu rendah,
salinitas, oksidatif dan cekaman logam berat. Perakitan tanaman tahan serangga
hama atau penyakit atau nematoda parasit secara konvensional dapat dilakukan
dengan pemuliaan, tetapi sumber gen ketahanan cekaman tersebut terbatas atau
sering tidak dijumpai dalam sumber daya genetik tanaman yang tersedia
(Manshardt, 2004).
Aplikasi bioteknologi modern dengan teknik rekayasa
genetik dalam pemanfaat sumber daya genetik memiliki peluang besar untuk
menjaga ketahanan pangan, perbaikan sifat tanaman. Teknik rekayasa genetik
dapat digunakan sebagai mitra dan pelengkap teknik pemuliaan tanaman yang sudah
mapan (Manshardt, 2004). Teknologi rekayasa genetik memberikan wahana bagi
pemulia tanaman untuk memperoleh kelompok gen baru yang lebih luas (Herman,
2008).
3.
Teknik Rekayasa Genetik
Teknik rekayasa genetik memberikan peluang untuk
mengisolasi gen ketahanan dari organisme lain seperti cendawan, bakteri, dan
virus. Gen eksogenous (dari luar spesies) yang sudah dikonstruksikan bisa
dipindahkan ke tanaman budidaya yang diinginkan, misalnya gen ketahanan
terhadap cekaman biotik, toleran cekaman abiotik, gen toleran herbisida, dan
gen untuk memodifikasi kualitas produk tanaman.
Teknik rekayasa genetik telah diaplikasikan dalam
perbaikan sifat tanaman dan telah menghasilkan tanaman produk rekayasa genetik
(PRG) yang sering disebut tanaman transgenik.
4.
Proses Rekayasa Genetik Tanaman
Gen interens yang akan ditransformasikan ke genom
tanaman untuk memperoleh sifat yang diinginkan dapat diisolasi dari berbagai
organisme seperti cendawan, bakteri, virus, serangga, binatang, atau tanaman
lain. Gen tahan serangga yang populer adalah gen Bt yang diisolasi dari bakteri
Bacillus thuringiensis (Herman,
2008).
Gen interens yang akan ditransfer ke tanaman
biasanya diklon terlebih dahulu dalam vektor plasmid yang dapat memperbanyak
diri dalam Agrobacterium tumefaciens
atau Escherichia coli. Gen tersebut
digabungkan dengan promotor yang dapat diekspresikan dalam tanaman dan
dirangkaikan dengan terminator yang tepat (Pena, 2005). Syarat plasmid yang
baik adalah ukuran kecil sehingga bisa masuk ke dalam sel inang, dapat
melakukan replikasi, mempunyai daerah untuk pemasukan materi genetik, dan
penanda selektif. Promotor adalah daerah DNA di mana RNA polymerase akan menempel untuk memulai proses transkripsi (Pena,
2005). Ada beberapa promotor yang digunakan dalam perakitan tanaman PRG,
bergantung pada tujuan penggunaannya. Jenis-jenis promotor antara lain constitutive, inducible, dan spesifik
jaringan (PL, 2007). Terminator adalah sekuens DNA yang berada di ujung transcript yang menyebabkan RNA polymerase menghentikan proses
transkripsi. Transkripsi adalah proses sintesis RNA pada template DNA (Pena,
2005).
Plasmid yang digunakan untuk
transformasi tanaman tidak hanya mengandung gen dari sifat yang diinginkan,
tetapi juga gen marka untuk seleksi, seperti gen npt II untuk ketahanan terhadap antibiotik atau gen bar untuk
toleran herbisida glufosinate. Gen
marka akan memudahkan seleksi sel atau jaringan yang tertransformasi. Perlu
juga ditambahkan gen pelapor antara lain β-glucuronidase
atau gen luciferase. Plasmid yang
mengandung konstruksi gen lengkap (gen interens, gen marka seleksi, dan gen
pelapor) siap ditransformasikan ke genom tanaman.
Teknik transfer gen dibagi menjadi
dua yaitu secara langsung dan tidak langsung. Transfer gen langsung, contohnya
adalah perlakuan pada protoplas tanaman dengan elektroporasi atau dengan polyethyleneglycol, penembakan eksplan
gen dengan particle bombardment, atau
penggunaan silicon carbide whiskers dengan
vortex. Transfer gen tidak langsung
bisa menggunakan vektor A. Tumefaciens.
Setelah proses transfer gen, eksplan dipindahkan ke medium seleksi untuk
mengidentifikasi transforman.
Sel atau jaringan yang
ditransformasi harus dapat diregenarasi menjadi suatu tanaman. Regenerasi
tanaman dapat dilakukan dengan dua cara yaitu secara organogenesis atau embriogenesis.
Selain itu, tanaman PRG perlu dikarakterisasi secara molekuler untuk
mengkonfirmasi integritas gen yang introduksi dan menentukan jumlah kopinya
dengan analisis Southern Blot dalam
genom tanaman.
Analisis Southern Blot adalah teknik yang bisa mendeteksi fragmen restriksi
tunggal yang spesifik dalam campuran asam nukleat yang sangat kompleks yang
dihasilkan dari pemotongan genom oleh enzim restriksi endonuklease.
Langkah-langkah umum yang biasa digunakan adalah fragmen DNA didenaturasi dalam
gel. DNA yang telah terdenaturasi ditempatkan pada lembaran kertas filter dan
dibenamkan dalam larutan buffer. Sebuah membran nitroselulosa diletakkan di
atas gel. DNA akan berikatan dengan membran nitroselulosa. Tahapan terakhir
adalah merendam membran di dalam larutan yang mengandung probe. DNA target dan
DNA/RNA probe akan berikatan karena merupakan pasangan komplementer dan dapat
berikatan satu sama lain. Setelah itu, membran dicuci untuk menghilangkan probe
yang tidak berikatan dan dipaparkan pada film X-ray. Pada posisi di mana probe
berikatan, β-emmision dari probe
menyebabkan film X-ray menjadi hitam. Hal ini memungkinkan untuk identifikasi
ukuran dan jumlah fragmen gen kromosomal dengan kesamaan yang kuat dengan gen
atau fragmen gen yang digunakan sebagai probe.
Tanaman yang telah dianalisis
dengan analisis Southern Blot perlu
dikarakterisasi secara biokimia untuk menentukan apakah gen tersebut berfungsi
dengan benar. Setelah tahapan regenerasi in
vitro dan analisis molekuler dilalui, tanaman PRG perlu dikarakterisasi
sifat yang diinginkan di laboratorium dan rumah kaca. Selanjutnya, untuk
mengkonfirmasi apakah sifat baru yang diinginkan dapat diturunkan, maka perlu
disilangkan untuk mempelajari pewarisannya.
5.
Keunggulan dan Kekurangan Rekayasa Genetika
Rekayasa genetika telah digunakan
untuk menghasilkan tanaman yang tahan penyakit dan tanaman bergizi tinggi.
Salah satu contohnya adalah tanaman kapas Bt di mana Bacillus thureingiensis digunakan untuk memasukkan berbagai gen
tahan penyakit pada tanaman. Terdapat lima tanaman PRG yang sudah
dikomersialkan di luar negeri dan ditetapkan aman lingkungan di Indonesia,
yaitu kedelai TH GTS 40-3-2, jagung Bt MON810, jagung TH GA21, kapas TH
MON1445/1698, dan kapas Bt MON531/757/1076. Dari kelima tanaman PRG tersebut,
hanya kapas Bt MON 531/757/1076 yang dikomersialkan di Indonesia. Salah satu
penelitian mengungkapkan bahwa beberapa tanaman PRG tahan cekaman biotik
seperti padi PRG tahan hama penggerek batang, kentang PRG tahan penyakit hawar
daun, dan tomat PRG tahan penyakit virus TYLCV dan CMV telah diuji ketahanannya
di lapangan uji terbatas (Herman, 2010).
Rekayasa genetika adalah teknik
mahal untuk dilaksanakan. Teknik ini membutuhkan penyisipan gen yang diinginkan
pada lokasi yang tepat yang memerlukan keahlian terutama ketika melibatkan
banyak faktor risiko. Hal ini membutuhkan tenaga kerja terampil, perangkat yang
sangat baik dan akurat dan laboratorium yang canggih.
Menurut
Herman (2010), teknologi rekayasa genetik membutuhkan biaya mahal, tingkat
kesulitan tinggi, dan sulit memperoleh konstruksi gen dari sifat yang
diinginkan sehingga diperlukan langkah-langkah untuk pembinaan tenaga usia muda
dalam bidang kultur jaringan dengan penekanan pada efisiensi regenerasi tanaman
dan biologi molekuler, terkhusus pada bidang teknik isolasi, kloning, dan
karakterisasi gen.
Daftar
Pustaka:
Herman,
M. 2008. Tekonologi rekayasa genetik dan status penelitiannya di Indonesia. Dalam
B. Purwantara, dan M. Thohari (eds.) Tanaman Produk Rekayasa Genetik
dan Kebijakan Pengembangannya. Volume 1. Balai Besar Penelitian dan
Pengembangan Bioteknologi dan Sumberdaya Genetik Pertanian. Badan Penelitian
dan Pengembangan Pertanian, Departemen Pertanian. 106 hlm.
Herman,
M., E. Listanto, A.D. Ambarwati, T.J. Santoso, M. Bustamam, D. Damayanti, H.
Purwanti, A. Sisharmini, A. Apriana, E. Sofiari, A. Duriat, E. Suryaningsih,
dan S.H. Hidayat. 2010. Pembentukan tanaman transgenik kentang dan tomat tahan
penyakit yang dapat mengurangi 50% aplikasi pestisida. Laporan Hasil Penelitian
Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Bioteknologi dan Sumberdaya Genetik
Pertanian Tahun 2009.
Manshardt,
R. 2004. Crop improvement by conventional breeding or genetic engineering: how
different are they? BIO-5, January 2004. Biotechnology. Cooperative Extention
Service. College of Tropical Agriculre and Human Resources. University of Hawai
at Manoa.
Patent
Lens (PL). 2007. Promoters used to regulate gene expression. http://www.bios.net/daisy/promoters/242/g2/266.html.
Pena,
L. 2005. Transgenic plants: Methods and protocols. Methods in Molecular Biology
Vol. 286.