BIOTEKNOLOGI TANAMAN Disampaikan Oleh: Ixora Sartika M
[email protected]
What is Biotechnology? What is Plant Biotechnology?
Is it possible to create: - Semangka berdaun sirih - Belalang – Kupu-kupu ?????????????????????????????????????????
Tujuan Bioteknologi Tanaman :
Bioteknologi Tanaman
Persilangan Tanaman
Pada umumnya bertujuan menghasilkan tanaman: daya produksi tinggi kualitas nutrisi tinggi
daya tahan yang tinggi terhadap penyakit dan cekaman lingkungan kebutuhan yang rendah akan pupuk dan bahan kimia lain
Sejarah Perkembangan Bioteknologi Tanaman Sejarah Perkembangan: •Pemuliaan Tanaman
Sejarah Perkembangan Bioteknologi Tanaman
•Biologi Sel dan Molekuler
•Genetika •Fisiologi
•Biokimia •dll
Beberapa bukti sejarah perkembangan bioteknologi tanaman:
Beberapa ribu tahun yll
domestikasi
seleksi tanaman terhadap jenis unggul, mis: berbiji besar, rasa buah manis, pertumbuhan cepat, dll 1865: prinsip-prinsip hereditas Mendel
1900: hukum genetika mendel telah menjadi dasar pemuliaan (perbaikan sifat) tanaman perkembangan teknik-teknik penyerbukan scr tradisional (self vs cross pollination) » perkembangan Hybrid Technology hingga saat ini 1919: terbentuknya jagung hibrida pertama - silang dalam (inbreed) untuk mendapatkan galur murni (homosigot) - persilangan antar galur murni 1920an: mutation breeding
tanaman di”expose” dengan sinar gamma, proton, netron, partikelpartikel alpha, partikel-partikel beta, ataupun bahan-bahan kimia untuk menginduksi mutasi yang bermanfaat. mutation breeding juga dapat diinduksi oleh teknik kultur jaringan (tehnik pengkulturan sel, jaringan, atau tanaman utuh pada media artifisial dalam kondisi steril) » berlangsung dan berkembang hingga saat ini
1970an: haploid breeding tanaman haploid (tanaman dengan jumlah kromosom setengah dari tanaman normal) yang dihasilkan secara spontan telah ditemukan sejak 1920an, tetapi teknik haploid breeding baru berkembang sejak tahun 1970an ketika teknologi penggandaan kromosom telah ditemukan.
tanaman haploid
“doubling”
tanaman normal
» berlangsung dan berkembang hingga saat ini Teknologi tanaman haploid sudah diaplikasikan pd b‟bagai tanaman:
• barley, jagung, tembakau, asparagus, strawberry, dan rumput gajah riset • barley kultivar Tangangara (Australia, 1996)
komersial
1972: tanaman hibrida somatik (tanaman hibrida yang dihasilkan dari fusi sel somatik) Fusi sel berkembang setelah peneliti berhasil mengisolasi sel tanaman tanpa dinding sel (protoplasma)
1980an: era tanaman transgenik dimulai insersi (penyisipan) gen-gen bakteri pada tanaman: • tembakau „kanamycin resistant‟ • petunia „kanamycin resistant‟ • penyisipan gen kedele pada tanaman bunga matahari » riset
1990: FlavrSvr Tomato (The first commercial transgenic plant) Tomat Flavr Savr diproduksi oleh Calgene (perusahaan biotek) menggunakan teknologi antisense untuk menghasilkan buah tomat dengan tekstur yang tetap segar (tegar/kuat) meskipun telah masak Public concern and debate surrounded Flavr Savr’s introduction to the market: How would this change the tomato? Was this tomato dangerous to our health (nutrition, allergies,and toxin)? What were the dangers to the environment? What about gene transfer across different organisms? Had Calgene created a “Frankenfood”?
» tahun 1997 ditarik dari pasaran, kurang ekonomis
Teknologi Tanaman Transgenik Sinonim transgenik:
Genetically Modified Organism (GMO) Genetically Engineered Organism (GEO) Teknologi tanaman transgenik berkembang krn :
1.Transfer genetik dapat dilakukan tidak terbatas hanya pada organismeorganisme dengan spesies atau genus yang sama, tetapi dapat dilakukan antar organisme dengan famili bahkan kingdom yang berbeda 2.Transfer gen lebih terarah, hanya gen target saja yang dimasukkan/ disisipkan pada genome tanaman „terpilih‟. Pada persilangan tradisional, transfer gen melibatkan serangkaian gen baik gen target ataupun non target. 3.Produksi tanaman unggul lebih efisien dalam hal waktu dan tempat. transgenik
singkat, lab dan lahan terbatas
persilangan tradisional
lama, lahan luas
PRINSIP BIOTEKNOLOGI (REKAYASA GENETIKA) TANAMAN Rekayasa genetika tanaman melibatkan serangkaian proses Teknologi DNA Rekombinan (TDR) sbb: 1. 2.
3. 4. 5.
Isolasi dan pengklonan gen target Modifikasi klon: - penambahan beberapa segmen DNA untuk inisiasi dan peningkatan ekspresi gen - Penambahan penanda seleksi (selectable markers) Introduksi DNA rekombinan pada sel tanaman Seleksi sel/jaringan transforman Regenerasi sel/jaringan menjadi tanaman utuh (modifikasi teknologi kultur jaringan)
Metoda untuk transformasi DNA ke dalam sel tanaman • Biologi – Agrobacterium – Bakteri lain – Virus • Fisik – Particle bombardment – Electroforasi – Silicon carbide whiskers – Carbon nanofibers
Metoda introduksi DNA dengan potensi alami Agrobacterium tumefaciens Agrobacterium tumefaciens: • bakteri gram negatif • secara alamiah memiliki kemampuan untuk melakukan transformasi genetik pada tanaman • memiliki plasmid Ti (tumor inducing plasmid)
• Plasmid Ti (Tumor inducing plasmid) yang mengandung: - T-DNA (bagian dari plasmid Ti yang di transfer ke genom tanaman) mengandung gen-gen: iaaM/tms1, iaaH/tms2, tmr/ipt,opine, right border, left border - gen vir (virulensi) - katabolisme opine (sumber energi A. tumefaciens)
Peta plasmid Ti »
Ti Plasmid
• Potensi alami Agrobacterium tumefaciens melakukan transformasi genetik pada sel tanaman (daerah pangkal batang) » mengakibatkan terjadinya tumor “crown gall” pada tanaman yang terinfeksi
Meskipun plasmid Ti efektif untuk dijadikan vektor alami dalam rekayasa genetika tetapi plasmid tersebut memiliki beberapa kelemahan, yaitu: •
Produksi phytohormon (auksin dan sitokinin) pada sel transforman mengakibatkan sel terus membelah (regenerasi sel tidak mengarah pada diferensiasi menjadi individu baru/ tanaman utuh), sehingga gen-gen auksin dan sitokinin harus dihilangkan.
•
Gen pengkode sintesis opine tidak berguna bagi tanaman transgenik dan mungkin justru akan menurunkan produktivitas tanaman transgenik sehingga gen ini perlu dihilangkan.
•
Sebagai vektor kloning, sebaiknya plasmid dalam ukuran yang tidak terlalu besar sehingga gen-gen lain dalam plasmid Ti yang tidak penting harus dihilangkan
•
Replikasi plasmid akan lebih mudah bila dilakukan dalam sel bakteri E. coli sehingga perlu ditambahkan ori dari E. coli
Untuk aplikasinya dalam produksi tanaman transgenik (sebagai vektor kloning), plasmid Ti scr umum memiliki komponen: • Gen penanda seleksi (selectable marker gene): gen-gen resistensi thd antibiotik (kanamycinr, ampisilinr, tetracyclinr), gen gus, dll • Ori E. coli • Sekuen ‘right border’ dari T-DNA: penting untuk integrasi TDNA pada DNA sel tanaman
• Multiple Cloning Site (MCS) untuk memfasilitasi insersi DNA target pada T-DNA
Ilustrasi introduksi DNA rekombinan ke dalam sel tanaman dengan A. tumefaciens
Floral Dip Transformation
SELEKSI KANDIDAT TRANSGENIK
Metoda “Gen Gun” •
Isolasi gen target
•
Penempelan gen target pada partikel logam (microprojectile particles)
•
Partikel logam yang sudah ditempeli gen target dimasukkan ke dalam senjata gen (Gene Gun) dan kemudian ditembakkan pada sel tanaman. Partikel akan mempenetrasi dinding sel tanaman sehingga masuk ke dalam sitoplasma. Partikel akan tercuci oleh cairan sel sehingga gen target yang menempel akan lepas dan kemudian masuk ke dalam nukleus dan menyisip pada kromosom sel tanaman.
1
2 3 Gene gun: (1) pengatur gas helium, (2) wadah microprojectile yang sudah ditempeli DNA, (3) wadah kultur jaringan tanaman target
Setelah gen target berhasil disisipkan pada genom tanaman maka sel rekombinan harus diinduksi untuk menjadi individu baru (tanaman transgenik) dengan proses: •
Sel transgenik ditumbuhkan pada media multiplikasi untuk diperbanyak (pembentukan kalus).
•
Kultur sel/kalus kemudian dipindahkan/ ditumbuhkan pada media diferensiasi agar mampu berdiferensiasi sehingga membentuk individu baru (plantlets)
•
Terakhir, plantlet dipindahkan ke tanah/lahan (aklimatisasi) agar tumbuh selayaknya tanaman normal (tanaman transgenik).
Tanaman-tanaman transgenik yang sudah dikembangkan : Insect Resistence Plant (tanaman tahan hama)
- Bt toxin gene Virus-Resistant Plants (tanaman tahan virus)
- vaksinasi dengan viral coat protein gene - RNA antisense yang mengarah pada „gene silencing‟ Herbicide-Resistant Plants (tanaman tahan herbisida) - gen nitrilase Stress and Senescence-Tolerant Plants (tanaman toleran terhadap stress dan senesens (penuaan) - gen ACC deaminase
Flower Pigmentation Plant as Bioreactors
Genetically Engineered Purple Tomato Could Fight Cancer Using a gene from a snapdragon flower, researchers have created a purple tomato rich in antioxidants, and a new study has shown that cancer-prone mice that were fed the altered tomatoes had significantly longer lifespans than those that dined on regular tomatoes. The tomatoes’ purple hue was a side effect of the type of antioxidants produced, called anthocyanins.
The tomatoes produce levels of anthocyanins about on par with blackberries, blueberries and currants, which recent research has touted as miracle fruits. But because of the high cost and infrequent availability of such berries, tomatoes might be a better source, says [lead researcher Cathie] Martin [USA Today].
