YASIN ET AL.: KONVERSI INBRED TETUA JAGUNG HIBRIDA
Konversi Inbred Tetua Jagung Hibrida Menggunakan Donor Jagung QPM Gen Opaque-2 Djamaluddin dan M. Yasin HG
Balai Penelitian Tanaman Serealia Jl. Dr. Ratulangi 274, Maros, Sulawesi Selatan
ABSTRACT. Convertion Opaque-2 Gen to Hybrid Parent using Inbred Donors of QPM. The conversion of gen in a population of maize could use back cross procedure. The inbred line of CIMMYT i.e, CML161 and CML165 were used as donor to convert opaque-2 gen to parent of single cross hybrid Bima-1. The objective of the experiment was to convert o-2 gen to MR4 and MR14 as parent of Bima-1. The beginning of experiment was conducted in 2003 by generating F1 from inbred donor CML to recurrent inbred parent of Bima-1. Back cross was used as a method to be performed untill generation of BC3F2. Seeds for opaque gene were selected under the light table. Families BC3F2 had been developed by conducting F1 from MR4QxMR14Q; the selected seeds were analyzed in CIMMYT for QPM trait and the result shown that the content of lysine and tryptophane was increasing by 47.7% and 23.8% for MR4Q, and by 7.47% and 7.59% for MR14Q. The hybrid F1 of Bima-1Q had increased 80.1% of lysine and 89.6% of tryptophane. Bima-1Q would be included in evaluation variety trial for preparation as new QPM hybrid variety release. Keywords: Converted, donor, opaque ABSTRAK. Inbred MR4 dan MR14 diinginkan dapat diubah menjadi tetua hibrida yang mengandung gen opaque-2 agar hibrida yang dibuat memiliki mutu protein tinggi. Galur murni asal CIMMYT CML161 dan CML165, merupakan donor yang mengandung gen resessif opaque-2 (o-2). Tujuan konversi inbred MR4 dan MR14 adalah untuk menjadikan tetua Bima-1 berorientasi hibrida QPM. Penelitian dimulai sejak MK 2003 dengan membentuk silang tunggal (F1). Generasi F1 dikawin sendiri (selfed), kemudian dibentuk famili silang ulang BC1F1. Seleksi penanda terhadap biji yang mengandung gen o-2 dideteksi melalui meja terang, yakni dipilih biji-biji yang memperlihatkan sifat buram. Pada generasi BC3F2, benih tetua yang telah dikonversi dari MR4 diberi kode MR4Q, dan dari MR14 menjadi MR14Q. Benih tetua masing-masing MR4, MR14, MR4Q, MR14Q, dan Bima-1Q (silang tunggal MR4Q x MR14Q) dikirim ke CIMMYT untuk dianalisis kandungan lisin dan triptofannya. Hasil analisis dari CIMMYT menunjukkan bahwa tetua hasil konversi gen MR4Q memiliki kandungan lisin dan triptofan 47,7% dan 23,8%, MR14Q 7,47%, dan 7,59%, sedangkan hibrida F1 (Bima-1Q) 80,1% dan 89,6%. Bima-1Q yang telah berorientasi QPM ini akan diuji multilokasi sebagai syarat untuk pelepasan varietas.
J
Kata kunci: Konversi, donor, opaque
agung QPM merupakan jagung dengan protein mutu tinggi atau dikategorikan sebagai jagung khusus, karena mengandung asam amino lisin dan triptofan lebih tinggi dari jagung lainnya. Penemu jagung QPM adalah Lynn Bates pada tahun 1963 (Mertz 1992). Dalam endosperm jagung terdapat gen mutant opaque-2 (o-2) sebagai penanda kandungan lisin dan triptofan. 18
Pada awalnya pemulia kurang tertarik karena biji jagung QPM sangat lemah (soft), masa pengeringannya lama, tidak tahan disimpan lama, dan peka terhadap hama dan penyakit. Manfaat utama jagung QPM adalah penambah nutrisi protein yang dapat digunakan untuk mengatasi busung lapar (kwashiorkor) bagi anak balita. Gen o-2 adalah gen resesif, sehingga jagung QPM yang diserbuki jagung biasa tidak tergolong jagung QPM. Dikemukakan Pixley dan Bjarnason (1994) bahwa QPM mempunyai kelemahan yakni hasilnya relatif lebih rendah serta kandungan lisin dan triptofan menjadi berkurang jika diserbuki jagung biasa. Di Indonesia, jagung QPM mulai dimuliakan secara intensif sejak awal tahun 2002. Pada saat itu sejumlah materi genetik bersari bebas biji kuning dan biji putih diintroduksi dari CIMMYT sebagai bahan uji multilokasi. Jagung QPM nasional pertama yang dilepas adalah varietas sintetik berbiji kuning dan berbiji putih, masingmasing dengan nama Srikandi Putih-1 dan Srikandi Kuning-1. Untuk menghasilkan varietas jagung hibrida QPM dengan hasil yang diharapkan tinggi, Balai Penelitian Tanaman Serealia telah mengimplementasikan program perakitan hibrida QPM secara intensif, salah satu kegiatan adalah memindahkan gen opaque-2 (o-2) dari galur murni generasi lanjut CML (CIMMYT Maize Line) sebagai tetua donor, terhadap inbrida tetua hibrida silang tunggal Bima-1. Hasil Bima-1 dapat mencapai 8,0-9,0 t/ha dan jagung hibrida ini telah menyebar ke sejumlah sentra produksi jagung di tanah air. Pemindahan gen o-2 telah berhasil dilakukan oleh Cordova (2002) pada jagung QPM biji putih dengan menggunakan galur CML264 sebagai tetua ulang, dan donor dari CML176. Pada generasi BC3F3 dihasilkan galur CML264Q yang dijadikan sebagai tetua penguji (tester) dalam berbagai pembentukan hibrida QPM biji putih dan pembentukan jagung sintetik. Jagung hibrida dan sintetik masing-masing mempunyai keunggulan. Hibrida lebih tinggi hasilnya dibanding sintetik, karena adanya proses heterosis. Hallauer dan Miranda (1995) menyatakan bahwa konversi satu gen berawal dari galur donor sangat efektif dengan menggunakan metode silang ulang. Pemindahan gen yang diinginkan, seperti
PENELITIAN PERTANIAN TANAMAN PANGAN VOL. 27 NO. 1 2008
tahan hama atau penyakit tertentu, atau nutrisi dapat dilakukan melalui persilangan ulang (back cross) dengan biaya yang relatif murah. Namun persilangan ulang tidak dianjurkan untuk sifat yang diatur oleh banyak aspek pada gen-gen pengatur peningkatan hasil. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui (1) karakteristik tanaman dari setiap generasi persilangan konversi donor gen opaque-2 pada hibrida Bima-1, dan galur MR4, dan MR14, (2) kandungan lisin dan triptofan pada biji silang ulang, atau generasi BC3F2 pada tetua yang telah mengalami konversi gen.
BAHAN DAN METODE
Penelitian diawali dengan mencari pasangan heterotik antara galur donor dengan inbred tetua Bima-1 yakni MR4 dan MR14, pada MT 2003. Donor untuk memperoleh gen o-2 adalah: CML161 pada MR14 dan CML165 pada MR4. Tetua gen o-2 adalah CML161 dan CML165, dan tetua ulang (recurrent parent) adalah MR4 dan MR14. Konversi gen dilakukan secara serentak terhadap dua induk hibrida Bima-1 dengan metode silang ulang (back cross) sesuai petunjuk Cordova (2003). Silang ulang dilakukan secara manual, yakni persilangan dari tanaman ke tanaman (plant to plant). Benih hasil panen pada setiap generasi ditaruh di atas meja terang (lighted table), untuk memilih biji yang gen o-2nya sudah ada dalam endosperm. Kriteria seleksi gen o-2 di atas meja terang menggunakan metode Bjarnason dan Vasal (1992) yakni: Skor 1 : translucent/tembus cahaya Skor 2 : 75% tembus cahaya (25% opaque) Skor 3 : 50% tembus cahaya (50% opaque) Skor 4 : 25% tembus cahaya (75% opaque) Skor 5 : buram penuh (100% opaque) Biji dipilih pada nilai skor 3-4. Benih hasil seleksi di atas meja terang pada masingmasing generasi BC3F2 menghasilkan MR4Q dan MR14Q yang merupakan hasil silang ulang dari MR4 dan MR14. Selanjutnya dibuat silang tunggal MR4Q x MR14Q dan benih yang terseleksi termasuk tetuanya dikirim ke CIMMYT untuk analisis kandungan lisin dan triptofan. Penelitian lapang dilaksanakan di KP Maros, benih ditanam pada lahan seluas 8-10 are untuk setiap musim, jarak tanam 75 cm x 25 cm, satu tanaman per rumpun dan tanaman dipupuk urea, SP36, dan KCl masingmasing dengan takaran 300 kg, 200 kg, 100 kg/ha. Persilangan dilakukan dengan memilih tanaman sehat, akar dan batang tidak rebah, batang kuat dan hijau,
Bagan berikut merupakan rangkaian waktu kegiatan persilangan silang ulang: MT 1 (2003)
MT 2
AxB
F1 R
MT 3 (2004)
F2 x B
MT 4
BC1F1 R
MT 5 (2005)
MT 6
BC1F2 x B
BC2F1 x B R
MT 7 (2006)
BC3F1 R
MT 8
BC3F2
A = tetua donor (CML161 dan CML165), induk betina B = tetua berulang (MR4 dan MR14), induk jantan R = kawin sendiri (selfing)
daun lebar dan hijau, dan sinkron masa berbunga. Parameter yang diamati adalah daya tumbuh benih, sinkronisasi pembungaan, tinggi tongkol dan tanaman, batang, daun, dan perakaran. Parameter lain yang diamati secara visual adalah penutupan kelobot, tongkol, ketahanan terhadap penyakit utama, dan bobot biji per tanaman (ka.15%).
HASIL DAN PEMBAHASAN Penampilan Agronomis dan Hasil
Karakteristik tanaman kedua donor dan tetua ulang disajikan pada Tabel 1. Penampilan tetua donor relatif sama untuk tinggi tanaman, keseragaman tumbuh, warna dan tekstur biji (kuning-mutiara). Ketahanan terhadap penyakit hawar daun, karat, dan bulai dapat dikategorikan sedang sampai tahan. Bobot biji tertinggi diperoleh pada CML165, dan terendah pada MR4. Karakteristik generasi F1 dari tetua MR4 dan MR14 dengan pasangan donornya dapat dilihat pada Tabel 2. Pada pertanaman ini dilakukan kawin sendiri untuk 19
YASIN ET AL.: KONVERSI INBRED TETUA JAGUNG HIBRIDA
Tabel 1. Karakteristik tetua donor dan tetua ulang, Maros 2003. Donor
Tetua ulang (Bima-1)
Karakter
Daya tumbuh (%) Umur berbunga jantan (hari) Umur berbunga betina (hari) Tinggi tanaman (cm) Tinggi tongkol (cm) Batang Daun Perakaran Keragaman tanaman Aspek tanaman (skor) Aspek penutupan kelobot (skor) Aspek tongkol Warna biji Warna malai Warna rambut Tekstur biji Rebah akar Rebah akar Ketahanan terhadap penyakit - Hawar daun - Karat - Bulai Triptophan dalam protein (%)*) Protein dalam endosperm (%)*) Bobot biji per tanaman (g)
CML161
CML165
MR4
MR14
63 52 55 90 40 Sedang Panjang & sempit Dangkal (<40 cm) Seragam 2 2 2 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
70 49 53 110 60 Sedang Panjang & sempit Dangkal Seragam 2 2 1 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Sedang
80 50 53 90 60 Tegap Panjang& sempit Dalam (>40 cm) Seragam 2 1 1 Kuning Merah Maerah Mutiara Tahan Tahan
85 54 58 110 65 Tegap Panjang & lebar Dalam Seragam 1 1 1 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
Sedang Sedang Kurang 0,82 11,2 45
Sedang Sedang Sedang 0,83 11,1 46
Tahan Tahan Sedang 30
Tahan Tahan Sedang 45
*Sumber: CIMMYT (2003)
Tabel 2. Karakteristik generasi F1 dan F2 (S1) untuk tetua BC1F2, Maros 2003. Generasi F1
Generasi F2
Generasi F1
Daya tumbuh (%) Umur berbunga jantan (hari) Umur berbungan betina (hari) Tinggi tanaman (cm) Tinggi tongkol Batang Daun Perakaran Aspek tanaman (skor) Aspek penutupan klobot (skor) Aspek tongkol Warna biji Warna malai Warna rambut Tipe biji Rebah akar Rebah batang Ketahanan terhadap penyakit - Hawar daun - Karat - Bulai Bobot biji per tanaman (g)
20
CML161 x MR4
CML165 x MR14
CML161 x MR4
CML165 x MR14
90 54 58 180 95 Tegap Hijau & lebar Dalam 1,5 1 1 Kuning Merah tua Merah jingga Mutiara Tahan Tahan
95 52 55 180 90 Tegap Hijau & lebar Dalam 1,5 2 1 Kuning Merah tua Merah jingga Mutiara Tahan Tahan
95 55 59 160 80 Tegap Hijau Dalam 1 1 1 Kuning Merah coklat Merah muda Mutiara Tahan Tahan
95 54 56 165 75 Tegap Sedang Sedang 1 1 1 Kuning Merah Merah muda Mutiara Tahan Agak tahan
Sedang Sedang Kurang 105
Sedang Sedang Sedang 80
Sedang Sedang Sedang 45
Sedang Sedang Kurang 39
PENELITIAN PERTANIAN TANAMAN PANGAN VOL. 27 NO. 1 2008
memperoleh F2 yang akan disilang ulang pertama (BC1F1). Bobot biji tertinggi diperoleh pada persilangan CML161 x MR14, yakni 31,2% lebih tinggi dibanding CML165 x MR4. Kedua F1 mempunyai ketahanan yang sama terhadap penyakit hawar daun, karat, dan bulai, serta kerebahan akar dan batang. Umur berbunga jantan dan betina cukup sinkron, yakni terdapat selisih ratarata tiga dan empat hari (Tabel 3). Selisih umur saat pembuahan ini cukup ideal untuk seleksi populasi atau galur jagung. Sesuai pendapat Bolanos dan Edmeades (1996) serta Westgate (1996), nilai ASI jagung tertinggi untuk memperoleh bobot biji tertinggi adalah 0-4 hari. ASI adalah selisih antara umur berbunga betina dan umur berbunga jantan. Penampilan generasi F2 yang disilang ulang dengan tetua Bima-1 disajikan pada Tabel 4. Tanaman hasil kawin sendiri (selfed) telah mengalami penurunan dari tetua F1 seperti pada Tabel 2. Hal yang sama terlihat pada bobot biji yang dihasilkan yakni 45 g dan 39 g/tanaman, sedangkan pada F1 dihasilkan 105 g dan 80 g/tanaman. Pada generasi F2 hasil kawin sendiri, tanaman telah nyata mengalami penurunan fenotipe atau inbreeding. Pada Tabel 5 juga terlihat bahwa generasi BC1F2 mengalami hal yang sama, yakni terjadi penurunan fenotipe yang nyata untuk tinggi tanaman, dan bobot biji. Penurunan tinggi tanaman 25 cm atau 13,5% pada BC1F2 (CML161 x MR14), dan 45 cm (26,5%) pada CML165 x MR4. Bobot biji masing-masing mengalami penurunan
27 g (77,1%) dan 14 g (45,0%), Pasangan CML161 x MR14 merupakan pasangan yang bobot bijinya lebih tinggi dari CML165 x MR4. Analisis kandungan lisin dan triptofan pada tetua yang telah menerima donor MR4 dan MR14, baru akan dilakukan setelah tahapan konversi gen pada BC2F1 ditambah tiga generasi kawin sendiri (S3). Hal ini sesuai dengan yang dikemukakan oleh Stoskopf et al. (1993) bahwa pasangan allel dari segregasi gen akan mencapai homozigot bila dilakukan silang sendiri pada generasi akhir silang ulang. Pada tahun 2006, untuk generasi BC3F1dilakukan kawin sendiri (selfing) untuk menghasilkan BC3F2. Pada generasi ini benih dipilih sebagai induk tetua 1 yang telah berorientasi QPM (MR4Q dan MR14Q). Selanjutnya F1 untuk menghasilkan Bima-1 berorientasi QPM yang disingkat Bima-1Q. Kandungan Lisin dan Triptofan
Bima-1 (MR4 dan MR14), hasil konversi gen secara manual pada generasi BC3F2 (MR4Q dan MR14Q), dan masing-masing F1 dikirim ke CIMMYT untuk dianalisis kandungan lisin dan triptofannya, dan hasilnya disajikan pada Tabel 5. Diketahui bahwa telah terjadi peningkatan kandungan lisin dan triptofan pada galur MR4Q dan MR14Q, serta pada silang tunggal F1, dibandingkan dengan tetua dan F1 hibrida Bima-1. Pada MR4Q diperoleh kenaikan lisin dan triptofan masing-masing
Tabel 3. Karakteristik famili BC1F1 dan BC1F2. Maros, 2004. BC1F1
BC1F2
Karakter
Daya tumbuh (%) Umur berbunga jantan (hari) Umur berbungan betina (hari) Tinggi tanaman (cm) Tinggi tongkol Batang Daun Perakaran Aspek tanaman (skor) Aspek penutupan kelobot (skor) Aspek tongkol Warna biji Warna malai Warna rambut Tipe biji Rebah batang Rebaha akar Ketahanan terhadap penyakit Hawar daun Karat Bulai Bobot biji per tanaman (g)
CML161 x MR14
CML165 x MR4
CML161x MR14
CML165x MR4
90 50 53 210 105 Tegap Hijau Dalam 1 1 1 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
95 49 51 215 100 Tegap Hijau Sedang 1 1 1 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Sedang
95 56 60 185 100 Tegap Hijau Dalam 2 1 1 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
80 50 58 170 95 Tegap Hijau Dalam 2 2 2 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
Tahan Tahan Tahan 62
Tahan Sedang Sedang 54
Tahan Tahan Sedang 35
Tahan Sedang Sedang 40
21
YASIN ET AL.: KONVERSI INBRED TETUA JAGUNG HIBRIDA
Tabel 4. Karakteri BC2F1 dan BC3F1. Maros 2005. BC2F1
BC3F1
Karakter
Daya tumbuh (%) Umur berbunga jantan (hari) Umur berbungan betina (hari) Tinggi tanaman (cm) Tinggi tongkol Batang Daun Perakaran Aspek tanaman (skor) Aspek penutupan kelobot (skor) Aspek tongkol Warna biji Warna malai Warna rambut Tipe biji Rebah batang Rebaha akar Ketahanan terhadap penyakit Hawar daun Karat Bulai Hasil BC2F1, Bobot biji/tan. (g)
CML161 x Mr14
CML165 x Mr4
CML161 x Mr14
CML165 x Mr4
95 56 60 185 100 Tegap Hijau Dalam 2 1 1 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
80 50 58 170 95 Tegap Hijau Dalam 2 2 2 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
95 56 60 185 100 Tegap Hijau Dalam 2 1 1 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
80 50 58 170 95 Tegap Hijau Dalam 2 2 2 Kuning Merah Merah Mutiara Tahan Tahan
Tahan Tahan Sedang 35
Tahan Sedang Sedang 40
Tahan Tahan Sedang ± 20
Tahan Sedang Sedang ± 35
Tabel 5. Kandungan lisin, triptofan, dan protein dari tetua Bima-1 dan Bima-1Q. Kandungan (%)
•
Materi genetik Triptofan
Lisin
Protein
Bima-1Q MR4Q (tetua betina) MR14Q (tetua jantan) MR4Q x MR14Q
0,104 0,085 0,110
0,495 0,417 0,524
11,03 11,47 11,05
Pembanding Bima-1 MR4 (tetua betina) MR14 (tetua jantan) MR4 x MR14
0,064 0,079 0,058
0,335 0,388 0,291
12,45 12,70 12,31
Sumber: CIMMYT (2006)
47,7% dan 23,8%. Pada MR14Q kandungan lisin dan triptofan naik 7,5% dan 7,6%, sedangkan pada F1 (MR4Q x MR14Q) naik 80,1% untuk lisin dan 89,6% untuk triptofan. Berdasarkan hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pemindahan gen opaque-2 melalui konversi donor galur CML ke tetua ulang Bima-1 dapat menjadikan hibrida Bima-1sebagai QPM (Bima-1Q). Bima-1Q selanjutnya dapat diuji multilokasi untuk diusulkan sebagai calon hibrida silang tunggal QPM.
22
• •
•
KESIMPULAN Populasi BC1F2, pasangan CML161 x MR14, mempunyai bobot biji lebih tinggi dari CML165 x MR4, baik pada F1 maupun F2 diperoleh penurunan bobot biji pada BC1F2 masing-masing 77,1% dan 45,0%. Setiap generasi, tinggi tongkol berada pada posisi setengah dari tinggi tanaman. Penutupan kelobot dan tongkol tergolong baik sampai sangat baik. Tingkat ketahanan terhadap penyakit hawar daun, karat, dan bulai tergolong tinggi sampai sedang.
Pada MR4Q diperoleh kenaikan lisin dan triptofan masing-masing 47,7% dan 23,8%. Pada MR14Q kandungan lisin dan triptofan masing-masing naik 7,5% dan 7,6%, sedangkan pada F1(MR4Q x MR14Q), kandungan lisin naik 80,1% dan triptofan 89,6%
Hibrida Bima-1Q termasuk calon hibrida berorientasi QPM.
DAFTAR PUSTAKA Balitsereal. 2002. Deskripsi varietas jagung. Badan Litbang Pertanian. Balitsereal, Maros.
Bjarnason. M. and S.K. Vasal. 1992. Breeding of quality protein maize (QPM). Paper on breeding of QPM in advanced maize
PENELITIAN PERTANIAN TANAMAN PANGAN VOL. 27 NO. 1 2008 training course with emphasis on QPM development and dissemination. CIMYYT El Batan Mexico. August 26-September 20, 2002.
Bolanos. J. and G.O. Edmeades. 1996. The importance of the ASI in breeding for drought tolerance in tropical maize. Proceedings of a Symposium Developing Drought and Low N Tolerant Maize. March 25-29, 1996. CIMMYT El Batan Mexico. p.355. CIMMYT. 2003. The improvement and promotion of QPM in selected developing countries. Progress report. Tentative Work Plan for 2000. Submitted to Nippon Foundation. El Batan Mexico. CIMMYT. 2006. The result of soil and plant analisys laboratory. Improvement Centre International Maize and Wheat. Exp. Sta Indonesia Received form October 17, 2006. El Batan Mexico. Cordova. H. 2002. Maize gen convertion to QPM using MAS. Paper on training emphasize of QPM. CIMMYT El Batan Mexico.
Hallauer. N.C. and J.B. Miranda. 1995. Quantitative genetics in maize breeding. Iowa state university. Press/Ames. Iowa. p.12. Jugenheimer. R.W. 1985. Corn improvement. in: Robert E. Kriger (Ed.). Seed production and uses. Publishing company. Malabar Florida. p.103
Mertz. E.T. 1992. Quality protein maize. Discovery of high lysine, high tryptophan cereals. Department of Agronomy. Purdue Uneversity. West Lafayette. Pixley. K.V. and M.S. Bjarnason. 1994. Pollen parent effect on protein quality and endosperm modification of QPM. Crop Science 34:404-409. Stoskopf. N.C., D.T. Tomes, and B.R. Christie. 1993. Plant breeding. Theory and practice. Westview. Press. Oxford. p.28. Westgate. M.E. 1996. Physiology of flowering in maize. Identifying avenues to improve kernel set during drought. Proceedings of a Symposium Developing Drought and Low N Tolerant Maize. March 25-29, 1996. CIMMYT El Batan Mexico. p.137.
23