Mutasi dalam Pemuliaan Tanaman

Mutasi adalah perubahan pada materi genetik suatu makhluk yang terjadi secara tiba-tiba, acak, dan merupakan dasar bagi sumber variasi organisma hidup yang bersifat terwariskan (heritable). Mutasi dapat terjadi secara sepontan di alam (spontaneous mutation) dan dapat juga terjadi melalui induksi (induced mutation). Secara mendasar tidak terdapat perbedaan antara mutasi yang terjadi secara alami dan mutasi hasil induksi. Keduanya dapat menimbulkan variasi genetik untuk dijadikan dasar seleksi tanaman, baik seleksi secara alami (evolusi) maupun seleksi secara buatan (pemuliaan). 

Dalam bidang pemuliaan tanaman, teknik mutasi dapat meningkatkan keragaman genetik tanaman sehingga memungkinkan pemulia melakukan seleksi genotipe tanaman sesuai dengan tujuan pemuliaan yang dikehendaki. Mutasi induksi dapat dilakukan pada tanaman dengan perlakuan bahan mutagen tertentu terhadap organ reproduksi tanaman seperti biji, stek batang, serbuk sari, akar rhizome, kultur jaringan dan sebagainya. Apabila proses mutasi alami terjadi secara sangat lambat maka percepatan, frekuensi dan spektrum mutasi tanaman dapat diinduksi dengan perlakuan bahan mutagen tertentu. Pada umumnya bahan mutagen bersifat radioaktif dan memiliki energi tinggi yang berasal dari hasil reaksi nuklir. 

Bahan mutagen yang sering digunakan dalam penelitian pemuliaan tanaman digolongkan menjadi dua kelompok yaitu mutagen kimia (chemical mutagen) dan mutagen fisika (physical mutagen). Mutagen kimia pada umumnya berasal dari senyawa alkyl (alkylating agents) misalnya seperti ethyl methane sulphonate (EMS), diethyl sulphate (dES), methyl methane sulphonate (MMS), hydroxylamine, nitrous acids, acridines dan sebagainya (IAEA, 1977). Mutagen fisika bersifat sebagai radiasi pengion (ionizing radiation) dan termasuk diantaranya adalah sinar-X, radiasi Gamma, radiasi beta, neutrons, dan partikel dari aselerators.

Baik mutagen kimia maupun mutagen fisika memiliki energi nuklir yang dapat merubah struktur materi genetik tanaman. Perubahan yang terjadi pada materi genetik dikenal dengan istilah mutasi (mutation). Secara relatif, proses mutasi dapat menimbulkan perubahan pada sifat-sifat genetis tanaman baik ke arah positif maupun negatif, dan kemungkinan mutasi yang terjadi dapat juga kembali normal (recovery). Mutasi yang terjadi ke arah “sifat positif” dan terwariskan (heritable) ke generasi-generasi berikutnya merupakan mutasi yang dikehendaki oleh pemulia tanaman pada umumnya. Sifat positif yang dimaksud adalah relatif tergantung pada tujuan pemuliaan tanaman. 

Mutagen kimia dapat menimbulkan mutasi melalui beberapa cara. Gugusan alkyl aktif dari bahan mutagen kimia dapat ditransfer ke molekul lain  pada posisi dimana kepadatan elektron cukup tinggi seperti phosphate groups dan juga molekul purine dan pyrimidine yang merupakan penyusun struktur dioxiribonucleic acid (DNA). Seperti diketahui umum, DNA merupakan struktur kimia yang membawa gen. Basa-basa yang menyusun struktur DNA terdiri dari adenine, guanine, thyimine, dan cytosine. Adenine dan guanine merupakan basa bercincin ganda (double-ring bases) disebut purines, sedangkan thymine dan cytosine bercincin tunggal (single-ring bases) disebut pyrimidines. Struktur molekul DNA berbentuk pilitan ganda (double helix) dan tersusun atas pasangan spesifik Adenine-Thymine dan Guanine-Cytosine. Contoh mutasi yang paling sering ditimbulkan oleh mutagen kimia adalah perubahan basa pada struktur DNA yang mengarah pada pembentukan 7-alkyl guanine. 

Seperti disebut di atas mutagen fisika bersifat sebagai radiasi pengion (ionizing radiation) yang dapat melepas energi (ionisasi), begitu melewati atau menembus materi. Mutagen fisika termasuk diantaranya sinar-X, radiasi Gamma, radiasi beta, neutrons, dan partikel dari aselerators sudah umum digunakan dalam pemuliaan tanaman. Karakteristik untuk masing-masing jenis radiasi disajikan dalam Tabel di bawah ini. Begitu materi reproduksi tanaman diradiasi, proses ionisasi akan terjadi dalam jaringan dan dapat menyebabkan perubahan pada jaringan itu sendiri, sel, genom,  kromosom, dan DNA atau gen. Perubahan yang ditimbulkan pada tingkat genom, kromosom, dan DNA atau gen dikenal dengan istilah mutasi (mutation).

Tabel 1. Karakteristik berbagai jenis radiasi.

Tipe Radiasi	Sumber	Deskripsi	Energi	Daya Tembus
Sinar-X	Mesin sinar-X	Radiasi elektomagnetik	50-300 kV	Beberapa mm sampai banyak cm
Sinar Gamma	Radioisotop dan reaksi nuklir	Radiasi elektomagnetik	Sampai beberapa MeV	Banyak cm
Neutron	Reaktor nuklir dan aselerator	Partikel tidak berubah	Kurang dari 1 sampai berjuta eV	Banyak cm
Partikel Beta	Radioistope atau aselerator	Berupa elektron	Sampai beberapa MeV	Sampai beberapa mm
Partikel Alfa	Radioisotop	Inti Helium	2-9 MeV	Sedikit mm
Proton atau Deutron	Reaktor nuklir atau aselerator	Inti Hidrogen	Sampai beberapa GeV	Sampai banyak cm

Mutasi Genom (Genome Mutation)

Poliploidi pada tanaman mencerminkan bahwa satu atau lebih set kromosom ditambahkan pada kromosom diploid misalnya triploid disimbolkan 2x+x=3x, tetraploid 2x+2x=4x (dimana x adalah jumlah kromosom dasar). Haploidi (dari diploidi) atau polihaploidi (dari poliploidi) mencerminkan status tanaman yang memiliki separuh dari jumlah kromosom normal misalnya 2x-->x, 4x-->2x dan seterusnya. Aneuploidi mencerminkan status tanaman yang memiliki penambahan atau pengurangan kromosom dari pasangan normalnya, misalnya 2x+1, 2x–1, 3x+1, 4x–1, 4x+2 dan sebagainya. Pengaruh beberapa mutagen kimia, seperti colchicine atau nitrous oxide dapat merubah tingkat ploidi pada genom tanaman, misalnya A-->AA, AA-->AAAA dan seterusnya. 

Sebagai contoh mutasi genom, beberapa mutan tanaman sorghum yang diinduksi dengan colchicine telah dilaporkan sebagai hasil mutasi genom dengan pengurangan jumlah kromosom (haploidi) yang kemudian diikuti dengan diploidisasi. Sedangkan pengaruh mutagen fisika (radiasi sinar Gamma)  pada mutasi genom telah dilaporkan pada mutan tanaman barley, dimana terjadi perubahan genom tanaman menjadi aneuploidi. 

Mutasi Kromosom (Chromosome Mutation)

Pengaruh bahan mutagen, khususnya radiasi, yang paling banyak terjadi pada kromosom tanaman adalah pecahnya benang kromosom (chromosome breakage atau chromosome aberation). Pecahnya benang kromosom dibagi dalam 4 kelompok yaitu translokasi (translocations), inversi (inversions), duplikasi (duplications), dan defisiensi (deficiencies). 

Translokasi terjadi apabila dua benang kromosom patah setelah terkena energi radiasi, kemudian patahan benang kromosom bergabung kembali dengan cara baru. Patahan kromosom yang satu berpindah atau bertukar pada kromosom yang lain sehingga terbentuk kromosom baru yang berbeda dengan kromosom aslinya. Translokasi dapat terjadi baik di dalam satu kromosom (intrachromosome) maupun antar kromosom (interchromosome). Translokasi sering mengarah pada ketidakseimbangan gamet sehingga dapat menyebabkan kemandulan (sterility) karena terbentuknya chromatids dengan duplikasi dan penghapusan. Alhasil, pemasangan dan pemisahan gamet jadi tidak teratur sehingga kondisi ini menyebabkan terbentuknya tanaman aneuploidi. Translokasi dilaporkan telah terjadi pada tanaman Aegilops umbellulata dan Triticum aestivum yang menghasilkan mutan tanaman tahan penyakit.

Inversi terjadi karena kromosom patah dua kali secara simultan setelah terkena energi radiasi dan segmen yang patah tersebut berotasi 180o dan menyatu kembali. Kejadian bila centromere berada pada bagian kromosom yang terinversi disebut pericentric, sedangkan bila centromere berada di luar kromosom yang terinversi disebut paracentric. Inversi pericentric berhubungan dengan duplikasi atau penghapusan chromatid yang dapat menyebabkan aborsi gamet atau pengurangan frequensi rekombinasi gamet. Perubahan ini akan ditandai dengan adanya aborsi tepung sari atau biji tanaman, seperti dilaporkan terjadi pada tanaman jagung dan barley. Inversi dapat terjadi secara spontan atau diinduksi dengan bahan mutagen, dan dilaporkan bahwa sterilitas biji tanaman heterosigot dijumpai lebih rendah pada kejadian inversi daripada translokasi. 

Duplikasi menampilkan cara peningkatan jumlah gen pada kondisi diploid. Dulikasi dapat terjadi melalui beberapa cara seperti: pematahan kromosom yang kemudian diikuti dengan transposisi segmen yang patah, penyimpangan dari mekanisme crossing-over pada meiosis (fase pembelahan sel), rekombinasi kromosom saat terjadi translokasi, sebagai konsekuensi dari inversi heterosigot, dan sebagai konsekuensi dari perlakuan bahan mutagen. Beberapa kejadian duplikasi telah dilaporkan dapat miningkatkan viabilitas tanaman. Pengaruh radiasi terhadap duplikasi kromosom telah banyak dipelajari pada bermacam jenis tanaman seperti jagung, kapas, dan barley. 

Defisiensi adalah penghilangan satu atau lebih segmen gen pada kromosom. Penghilangan dapat terjadi pada segmen panjang lengan kromosom seperti yang dilaporkan pada tanaman gandum. Tergantung pada gen dan tingkat ploidi, defisiensi dapat menyebabkan kematian, separuh kematian, atau menurunkan viabilitas. Pada tanaman defisiensi yang ditimbulkan oleh perlakuan bahan mutagen (radiasi) sering ditunjukkan dengan munculnya mutasi klorofil. Kejadian mutasi klorofil biasanya dapat diamati pada stadia muda (seedling stag), yaitu dengan adanya perubahan warna pada daun tanaman. 

Mutasi Gen (Gene or Point Mutation)

Sesuai dengan konsep genetika, informasi genetik tersimpan dalam rangkaian polinukliotida yang membentuk struktur pilitan ganda (double helix) disebut DNA (RNA dalam kasus beberapa virus). Empat nukliotida yang berbeda terdiri dari basa purine (adenine dan gaunine) dan pyrimidine (thymine dan cytosine), dihubungkan bersama melalui ikatan fosfat dan gula (deoxyribose). Bahan mutagen tertentu dapat menginduksi perubahan spesifik susunan pasangan basa dalam struktur DNA. Perubahan yang terjadi disebut mutasi gen yang digolongkan menjadi dua katagori yaitu microlesions dan macrolesions. Microlesions adalah mutasi dimana terjadi substitusi pasangan basa, transisi atau transversi pasangan basa, dan penyisipan baru pasangan basa. Macrolesions adalah mutasi dimana terjadi penghapusan, duplikasi atau penyusunan kembali pasangan basa. Mutasi microlesions sering juga disebut mutasi titik (point mutation).

Mutagen kimia biasanya erat berhubungan dengan mutasi microlesions sedangkan mutagen kimia (radiasi) dengan mutasi macrolesions. Mutasi gen sering berasosiasi dengan fenomena sterilitas dan kematian, seperti misalnya dalam pengaruhnya mencegah terbentuknya bivalensi dalam meiosis. Pada mutan homosigot hal ini sangat berpengaruh terhadap penurunan produktivitas dan daya saing mutan sehingga dapat merugikan. Namun pada heterosigot mutan, mutasi gen dapat mengarah pada peningkatan viabilitas dan daya saing mutan, seperti yang telah diteliti dan dilaporkan pada tanaman jagung, barley, padi, tanaman bunga dan sebagainya.

Mutasi diluar Inti Sel (Extranuclear Mutation)

Pada kenyataannya tidak semua materi genetik (DNA) berada di dalam inti sel (nucleus). Hal tersebut terbukti setelah peneliti menjumpai bahwa beberapa sifat tanaman diturunkan dengan tidak menuruti pola hukum Mendel.  Sampai pada akhirnya diketahui penurunan sifat lebih dikontrol oleh gen-gen yang berada di luar inti sel atau sitoplasma, dan penurunan sifat model ini dikenal dengan istilah extranuclear inheritance. Di dalam sitoplasma sel terdapat banyak organel diantaranya kloroplas (chloroplast) dan mitokondria (mitochondria) yang masing-masing berfungsi dalam proses fotosintesis dan sintesa adenosintriposfat (ATP).

Kloroplas dan mitokondria ternyata mengandung materi genetik (gen atau DNA) yang juga dapat termutasi. Mutasi gen kloroplas atau mitokondria sering disebut mutasi diluar inti atau extranuclear mutation. Mutasi pada gen kloroplas dapat menyebabkan kerusakan gen mutan (defective mutant genes) yang kemudian dapat mengganggu proses fotosintesis pada daun. Alhasil, dampak mutasi gen kloroplas sering diekspresikan dengan munculnya gejala warna belang pada daun tanaman, misalnya warna belang hijau-putih pada tanaman Pelargonium dan Mirabilis jalapa (bunga pukul empat). Warna belang pada daun sering memiliki nilai seni dan nilai ekonomis tersendiri bagi pemulia tanaman. Oleh karena itu, mutasi tipe ini sering sangat bermanfaat dalam pemuliaan tanaman hias (ornamental crops).

Seperti telah dilaporkan (Van Harten, 1998), mutasi di luar inti sel sering pula menimbulkan gejala pertumbuhan kerdil (dwarf growth), berubahan morfologi bunga dan penyimpangan morfologi lainnya, dan ketahanan terhadap herbisida, yang biasanya disandikan oleh gen mitokondria. Dalam beberapa studi, mutasi pada mitokondria gen telah menghasilkan tanaman jagung yang tahan penyakit bercak daun (Drechslera maydis) dan tanaman gandum yang tahan penyakit karat (Puccinia striiformis). Sementara itu, perhatian yang lebih besar telah diberikan untuk mutasi gen pada sitoplasma yang terkait dengan cytoplasmic male sterility (CMS) seperti pada tanaman jagung. Teknik CMS sangat bermanfaat dalam pemuliaan tanaman khususnya dalam produksi benih tanaman hibrida. Secara umum telah diketahui bahwa CMS adalah sifat yang disandikan oleh gen mitokondria (Lonsdale, 1987). Mutasi dan rekombinasi DNA mitokondria merupakan dasar kejadian CMS alami.

Fasilitas dan Prosedur Kerja

Untuk mendukung penelitian pemuliaan tanaman dengan teknik mutasi, di BATAN tersedia fasilitas penelitian berupa Gamma chamber, Gamma cell, Gamma room, laboratorium, laboratorium kultur jaringan, ruang tumbuh, rumah kaca, kebun percobaan dan sawah. Gamma chamber model 4000A memiliki sumber sinar Gamma dari Cobalt-60 dengan aktivitas awal sebesar 3474.6632 Curies. Gamma cell model GC-220 memiliki sumber sinar Gamma dari Cobalt-60 dengan aktivitas awal sebesar 10.697 Curies. Pada umumnya Gamma chamber dan Gamma cell digunakan untuk penelitian yang memerlukan perlakuan radiasi akut (accute irradiation), yaitu radiasi dengan laju dosis tinggi seperti pada biji-bijian atau materi reproduktif tanaman lainnya yang berukuran kecil. Sedangkan untuk penelitian yang memerlukan perlakuan radiasi kronik (chronic irradiation), yaitu radiasi dengan laju dosis rendah seperti terhadap tanaman pot atau tanaman dalam media kultur jaringan, dapat digunakan Gamma room. Gamma room model Panoramic Batch Irradiator yang ada di BATAN memiliki sumber sinar Gamma dari Cobalt-60 dengan aktivitas awal sebesar 75.000 Curies. 

Setelah perlakuan radiasi dengan sinar Gamma, materi reproduktif tanaman kemudian ditumbuhkembangkan di ruang tumbuh, rumah kaca, atau langsung di kebun percobaan. Analisa mutan tanaman dilakukan di laboratorium, biasanya dengan membandingkan sifat-sifat genetik, biologi dan agronominya terhadap tanaman kontrol. Analisa mutan dapat juga dilakukan baik secara visual fenotipa maupun secara biologi molekuler seperti dengan teknik RAPD atau bioteknologi lainnya.

Tanaman yang Diteliti

Tanaman yang diteliti di PATIR-BATAN dikelompokkan sebagai berikut: (1) Tanaman pangan: padi, kedelai, kc. hijau, kc.tanah, sorghum, dan gandum, (2) Tanaman hortikultura: pisang, cabai, bawang merah, dan bawang putih, (3) Tanaman industri: kapas, sorghum, dan jarak. (4) Tanaman bunga: krisan dan anggrek, dan (5) Tanaman pakan ternak: sorghum.

Hasil-hasil Yang Telah Dicapai

Salah satu kegiatan di bidang pertanian  adalah penelitian pemuliaan tanaman dengan menggunakan teknik mutasi (mutation breeding). Kejadian mutasi direfleksikan dalam munculnya keragaman genetik tanaman, yang kemudian melalui proses seleksi dan pengujian lebih lanjut, memungkinkan diperolehnya suatu varietas unggul tanaman. Penelitian pemuliaan mutasi di BATAN sebetulnya telah dimulai sejak tahun 1970, yaitu dengan program perbaikan varietas tanaman padi. Sampai kini BATAN telah menhasilkan beberapa mutan tanaman pangan yang dilepas sebagai varietas unggul oleh Departemen Pertanian seperti tersaji dalam Tabel berikut.

Varietas mutan tanaman pangan hasil riset PATIR-BATAN yang telah dilepas sebagai varietas unggul oleh Menteri Pertanian.

No.	Nama Varietas	Tahun Pelepasan	Dokumen Resmi
Padi
1	Atomita-1	1982	SK Mentan No.879/Kpts/Um/12/1992
2	Atomita-2	1983	SK Mentan No.TP.240/369/Kpts/Um/6/83
3	Atomita-3	1990	SK Mentan No.582/Kpts/TP.240/8/90
4	Atomita-4	1991	SK Mentan No.97/Kpts/TP.240/3/1991
5	Situgintung	1992	SK Mentan No.606/Kpts/Tp.240/11/92
6	Cilosari	1996	SK Mentan No.632/Kpts/TP.310/7/1996
7	Meraoke	2001	SK Mentan No.552/Kpts/TP.240/10/2001
8	Woyla	2001	SK Mentan No.553/Kpts/TP.240/10/2001
9	Kahayan	2002	SK Mentan No.124/Kpts/TP.240/2/2003
10	Winongo	2002	SK Mentan No.125/Kpts/TP.240/2/2003
11	Diah Suci	2003	SK Mentan No. 386/kpts/SR.120/7/2003
12	Mira-1	2006	SK Mentan No. 134/kpts/SR.120/3/2006
Kedelai
13	Muria	1987	SK Mentan No.18/Kpts/TP.240/1/1987
14	Tengger	1991	SK Mentan No.106/Kpts/TP.240/3/1991
15	Meratus	1998	SK Mentan No.899/Kpts/TP.240/11/1998
16	Rajabasa	2004	SK Mentan No.171/kpts/LB.240/3/2004
Kacang hijau
17	Camar	1991	SK Mentan No.109/Kpts/TP.240/3/1991

Selain varietas-varietas tanaman yang telah dilepas tersebut di atas, Kelompok Pemuliaan Tanaman juga telah menghasilkan banyak galur harapan mutan tanaman yang sedang diteliti dan dikembangkan lebih lanjut. 

Referensi:

http://www.batan.go.id/patir/_pert/pemuliaan/pemuliaan.html