Rekayasa Genetika dalam Pemuliaan Tanaman

Defenisi

Rekayasa genetik (genetic engineering) adalah istilah yang digunakan untuk teknik manipulasi gen secara terarah, yaitu transfer gen antar organisme atau mengubah urutan (sequence) dari gen. Rekayasa genetik ini meliputi identifikasi gen, isolasi gen, dan transformasi gen.

Sejarah Rekayasa Genetika

Istilah rekayasa genetik pertama kali dikenalkan oleh Jack Williamson dalam novel fiksi ilmiahnya yang berjudul Dragon's Island yang diterbitkan tahun 1951, setahun sebelum dikonfirmasinya peran DNA dalam pewarisan sifat oleh Alfred Hershey dan Martha Chase, dan dua tahun sebelum James Watson dan Francis Crick memperlihatkan struktur double-helix molekul DNA. Namun kegiatan rekayasa genetik baru dimulai sekitar tahun 1970-an.

Pada tahun 1972, Paul Berg mengembangkan molekul DNA rekombinan pertama, yaitu DNA virus SV40 dari monyet. Organisme transgenik pertama dikembangkan oleh Herbert Boyer dan Stanley Cohen pada tahun 1973, yaitu bakteri Eschericia coli yang tahan terhadap antibiotik. Hewan transgenik (tikus) pertama dikembangkan pada tahun 1974 oleh Rudolf Jaenisch. Pada tahun 1976 Herbert Boyer dan Robert Swanson mendirikan perusahaan rekayasa genetik pertama, yaitu Genentech. Setahun kemudian, Genentech memproduksi protein manusia (somatostatin) pada E.coli dan memproduksi insulin pada tahun 1978. Ijin edar untuk insulin yang diproduksi oleh bakteri (merek dagang humulin) di berikan pertama kali oleh badan pengawas obat dan makanan Amerika (Food and Drug Administration, FDA) pada tahun 1982.

Rekayasa genetika pada tanaman dimulai pada awal tahun 1980-an. Pengujian tanaman transgenik dilakukan pertama kali di tahun 1986 dan komersialisasi tanaman transgenik pertama kali dilakukan pada tahun 1992. Penggunaan tanaman transgenik secara besar-besaran dimulai pada tahun 1996 dan mencapai 90 juta Ha pada tahun 2005. Sekitar 34 juta Ha tanaman transgenik telah ditanam oleh 7.7 juta petani di negara-negara berkembang seperti Argentina, Brazil, China, India dan Afrika Selatan. Tanaman transgenik yang telah diproduksi dan dikomersilkan antara lain adalah jagung, kapas, kanola, dan kedelai dengan luas penanaman sebesar  15, 20, 30 dan 50 persen dari total luas penanaman masing-masing komoditas.

Organisme Hasil Rekayasa Genetik

Organisme yang dihasilkan melalui rekayasa genetik disebut genetically modified organism (GMO). Berdasarkan pada sifat modifikasinya, rekayasa genetik dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu :

·           Mengubah ekspresi gen sehingga ditranslasi lebih tinggi (over expressed) atau dimatikan sama sekali. Organisme yang materi genetiknya dimatikan atau dihilangkan dikenal dengan nama knock out organism.

·           Mengubah susunan gen yang sudah ada sehingga mengubah produk gen.

·           Menyisipkan gen asing dari suatu spesies ke spesies lainnya. Berdasarkan pada sumber gen yang disisipkan, organisme yang dihasilkan dengan menyisipkan gen asing ini dikelompokkan menjadi dua, yaitu:

þ  Transgenic organism, yaitu organisme hasil rekayasa yang menerima material genetik dari spesies lain yang berbeda. Gen yang disipkan dapat berasal dari spesies lain dalam kingdom yang sama (seperti dari tanaman ke tanaman) atau berasal dari spesies lain dari kingdom yang berbeda (misalnya dari bakteri ke tanaman). Contoh tanaman transgenik adalah tanaman jagung dan kapas yang disisipi gen cry dari B. turingensis sehingga tahan terhadap hama penggerek.

þ  Cisgenic organism, yaitu  organisme hasil rekayasa yang menerima material genetik dari spesies yang sama atau kerabat dekat dari spesies tersebut dimana hibridisasi secara sexual mungkin saja terjadi. Contoh tanaman cisgenic adalah tanaman padi yang disisipi gen ketahanan dari padi jenis lain yang tahan terhadap virus tungro.

REKAYASA GENETIKA DALAM PEMULIAAN TANAMAN

Kemajuan teknik biologi molekuler dan rekayasa genetik memungkinkan para peneliti untuk mengembangkan tanaman dengan sifat-sifat tertentu yang diinginkan. Berdasarkan pada sifat yang diintroduksikan, terdapat tiga generasi dalam pengembangan tanaman transgenik, yaitu :

Generasi 1. Rekayasa genetik tanaman pada generasi 1 bertujuan untuk mengembangkan tanaman yang tahan terhadap herbisida, hama dan patogen (bakteri, cendawan dan virus). Dengan adanya tanaman transgenik ini, pengendalian OPT (gulma, hama dan patogen) menjadi lebih mudah dan efektif. Selain untuk meningkatkan produksi, tanaman transgenik tahan OPT ini dapat menekan penggunaan pestisida sehingga akan mengurangi biaya produksi, meningkatan kesehatan konsumen dan menjaga kelestarian lingkungan.

Keberhasilan perakitan varietas tahan didukung oleh kemajuan dalam pemahaman mengenai interaksi inang-patogen. Pemahaman interaksi inang-patogen memungkinkan kita untuk mengembangkan sejumlah alternatif dan strategi dalam perakitan varietas tahan. Pemahaman tersebut meliputi berbagai tahap dalam interaksi inang-patogen, yaitu pengenalan inang-patogen, respon hipersensitif, respon ketahanan local, hingga respon keahanan sistemik (SAR). Dalam beberapa dekade, telah banyak teridentifikasi gen-gen resistensi yang terlibat dalam pengenalan patogen, lintasan signal ketahanan, dan senyawa-senyawa anti mikroba.

Generasi 2. Pengembangan tanaman transgenik pada generasi 2 bertujuan untuk meningkatkan hasil produksi melalui peningkatan toleransi terhadap cekaman abiotik (garam, suhu, atau kekeringan) dan untuk meningkatkan nilai gizi dari tanaman (misalnya Goden rice yang mengandung beta karoten lebih tinggi).

Generasi 3. Tanaman transgenik generasi 3 diarahkan untuk molecular farming (plant biopharming), yaitu tanaman yang menghasilkan bahan-bahan untuk farmasi seperti vaksin dan obat. Bahan farmasi tersebut dapat digunakan setelah diekstrak dari tanamannya atau dapat pula digunakan dengan mengkonsumsi langsung tanaman tersebut (edible vaccines). Produksi bahan-bahan farmasi dengan molecular farming dapat menekan biaya produksi sehingga harga produk farmasi dapat lebih terjangkau.

Pengembangan tanaman transgenik tidak secepat pengembangan organisme transgenik lain seperti mikroba dan hewan. Tanaman transgenik dikembangkan berdasarkan success story dalam pengembangan mikroba dan hewan transgenik. Pengembangan tanaman transgenik baru dimulai awal tahun 1980-an, sedangkan pada mikroba dan hewan telah dimulai awal tahun 1970-an.

Uji lapang tanaman transgenik dilakukan pertama kali di Perancis dan USA tahun 1986, yaitu tanaman tembakau yang tahan terhadap herbisida. Negara China (RRC) merupakan negara pertama yang mengkomersialkan tanaman transgenik, yaitu tembakau tahan virus pada tahun 1992. Calgene pada tahun 1994 melepas tomat Flavr Savr yang menghasilkan ethilen sangat rendah sehingga memiliki daya simpan (shelf life) lebih lama. Pada tahun yang sama Uni Eropa menerima komersialisasi transgenik pertama yaitu tembakau yang tahan herbisida bromoxynil. Tahun 1995, kentang transgenik Bt diakui oleh Environmental Protection Agency sebagai tanaman penghasil pestisida yang aman digunakan di USA. Penggunaan tanaman transgenik berkembang sangat pesat pada tahun 2000-an. Pada tahun 2009, tercatat 11 tanaman transgenik ditanam secara komersial di 25 negara dengan penananaman terluas terdapat di negara USA, Brazil, Argentina, India, Canada, China, Paraguay dan Afrika Selatan.

TAHAPAN  DALAM REKAYASA GENETIKA TANAMAN

Perakitan tanaman transgenik melalui rekayasa genetika meliputi beberapa tahap kegiatan, yaitu :

·           Isolasi gen yang akan ditransfer

·           Konstruksi DNA (menyisipkan gen tersebut ke dalam vektor yang memiliki promoter, terminator dan penanda genetik)

·           Transformasi (menyisipkan vektor yang telah membawa gen yang akan ditransfer ke dalam sel inang)

·           Seleksi transforman (sel yang mengandung gen yang ditransfer)

·           Regenerasi sel transforman menjadi tanaman utuh, dan

·           Konfirmasi keberadaaan gen yang diinginkan di dalam tanaman.

Gen yang membawa sifat yang diinginkan, misalnya ketahanan terhadap patogen yang akan ditransfer ke dalam tanaman harus dipilih dan diisolasi terlebih dahulu dari sumbernya (tanaman tahan, serangga, hewan, manusia). Untuk gen-gen yang sudah banyak dipelajari sebelumnya, gen tersebut kadangkala dapat diperoleh dari pustaka genetik (bank gen). Gen tersebut dapat juga dibuat secara sintetik (artificially synthesized) bila gen tersebut sudah diketahui sequence-nya.

Setelah diperoleh gen pembawa sifat yang diinginkan, gen tersebut disisipkan ke vektor (biasanya plasmid) untuk membantu memasukkannya ke sel inang. Namun agar gen tersebut dapat bekerja pada inang, gen tersebut harus dimodifikasi misalnya dengan menambahkan promotor dan terminator yang dapat dikenali inang dan juga penanda genetik untuk membantu proses seleksi transforman. Penanda genetik yang umum digunakan adalah gen ketahanan terhadap antibiotik tertentu, seperti kanamicin dan ampicilin. Konstruksi DNA ini dilakukan dengan teknik DNA rekombinan seperti pemotongan DNA (restriction digests), ligasi, dan molecular cloning.

Proses transformasi secara alami memiliki frekuensi sangat rendah. Hanya sekitar 1% bakteri yang mampu melakukan transformasi alami, yaitu terutama untuk bakteri gram positif. Transformasi DNA hasil kontruksi ke dalam sel inang dapat diinduksi dengan beberapa teknik seperti kejut panas (heat shock), kejut listrik (electric shock) dan electroporation untuk meningkatkan permeabilitas membran sel, microinjection dan biolistic (particle gun) untuk mengijeksikan DNA secara langsung ke dalam inti sel, dan vektor seperti virus dan Ti-plasmid. Namun karena kerusakan sel dan DNA yang diakibatkannya, maka teknik biolistic dan electroporation memiliki efisiensi transformasi yang lebih rendah dibandingkan dengan transformasi menggunakan Ti-plasmid dan microinjection.

Tidak semua sel yang ditansformasi dapat menerima gen yang akan ditansfer, sehingga perlu dilakukan seleksi menggunakan penanda genetik yang disisipkan bersama gen yang diinginkan tersebut. Untuk gen yang membawa resistensi terhadap antibiotik, seleksi dapat dilakukan dengan menumbuhkan sel pada media yang mengandung antibiotik tersebut. Seleksi dapat juga dilakukan menggunakan DNA probe (DNA-DNA hibridisasi). Penanda genetik ini selanjutnya harus dihilangkan dari sel transforman melalui beberapa teknik.

Sel transforman yang mengandung gen yang diinginkan harus ditumbuhkan dan dikembangkan menjadi tanaman melalui teknik kultur jaringan. Masing-masing tanaman memiliki kebutuhan yang berbeda-beda untuk dapat tumbuh dan berkembang pada media kultur jaringan. Tanaman yang berkembang dari sel transforman akan memiliki transgene di dalam setiap selnya. Selanjutnya dilakukan konfirmasi dengan teknik PCR, Southern Blots and Bioassays untuk memverifikasi bahwa gen dalam tanaman dapat diekspresikan dengan baik. Tanaman transgenik juga diuji untuk menjamin bahwa sifat yang ditransfer tersebut dapat diturunkan.